Витамин С

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА
ГОРОДА СЕМЕЙ
Документ СМК 3
УМКД
УМКД 042-______
уровня
/03-2013
УМКД
Редакция № 1
Учебно-методические
18.__09__2013 г.
материалы по курсу
«Биохимия»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«Биохимия»
для специальности 5В011200 – «Химия»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Семей
2013
Содержание
стр
1. Глоссарий по дисциплине
2. Краткий конспект лекций
2.1. Лекция №1. Введение. Химический состав организмов.
2.2. Лекция №2-4. Белки
2.3. Лекция №5-6. Ферменты
2.4. Лекция №7-8. Липиды и углеводы
2.5Лекция №9-11. Коферменты, витамины и некоторые другие
биологические активные соединения
2.6. Лекция № 12-13. Нуклеиновые кислоты
2.7. Лекция № 14-15. Гормоны
3. Методические указания для проведения лабораторных занятий.
4. Методические рекомендации по СРСП.
5. Методические рекомендации по СРС.
6. Контрольно-измерительные средства.
4
9
11
14
19
24
34
61
64
73
77
79
83
2
Глоссарий по дисциплине
«Биохимия»
Актомиозин - основной сократительный элемент мышц.
Адреналин - лат.Adrenalinum медиатор нервной системы; гормон мозгового
вещества надпочечников и вненадпочечниковой хромаффинной ткани.
Адреналин:
активирует
выделение
рилизинг-гормонов
гипоталамуса;
увеличивает
сердечный
выброс;
сужает
капилляры
кожи;
повышает
артериальное
давление;
усиливает
работоспособность
скелетных
мышц;
- увеличивает содержание сахара в крови и т.д.
Ацетилхолин - Acetylcholine сложный эфир холина и уксусной кислоты,
служащий
медиатором
нервных
импульсов:
в
синапсах
парасимпатической
нервной
системы;
в
некоторых
синапсах
центральной
нервной
системы;
- в соматических двигательных и преганглионарных симпатических нервных
окончаниях. При поступлении в кровь ацетилхолин понижает кровяное
давление, замедляет сердцебиение, усиливает перистальтику желудка и кишок
и др. Ацетилхолин синтезируется в тканях при участии холинацетилазы из
хонина и ацетил-КоА.
Возбуждающий
медиатор
нейромедиатор,
вызывающий:
деполяризацию
постсинаптической
мембраны;
и
- проявление возбуждающего постсинаптического потенциала
Гамма-аминомасляная кислота - наиболее распространенный тормозной
нейромедиатор в центральной нервной системе.
Глицин - простейшая алифатическая аминокислота. Глицин входит в состав
многих белков и биологически активных соединений. Из глицина в живых
клетках синтезируются порфирины и пуриновые основания.
Глутаминовая кислота - алифатическая аминокислота. В организмах
глутаминовая кислота присутствует в составе белков, ряда низкомолекулярных
веществ и в свободном виде. Глутаминовая кислота играет важную роль в
азотистом обмене.
Дофамин - нейрогормон, медиатор нервной системы из группы катехоламинов;
биохимический предшественник норадреналина и адреналина. Дофамин
вырабатывается нервными окончаниями, а также хромаффинными клетками.
Катехоламины - гормоны мозгового вещества надпочечников, медиаторы
симпатической нервной системы и центральной нервной системы.
Катехоламины являются основными регуляторами приспособительных реакций
организма, обеспечивающими возможность быстрого и адекватного перехода
из состояния покоя в состояние возбуждения с длительным сохранением этого
состояния.
Норадреналин - нейрогормон, соединение из группы катехоламинов.
Норадреналин:
- образуется в мозговом слое надпочечников и в нервной системе;
3
- служит медиатором (передатчиком) проведения нервного импульса через
синапс;
повышает
кровяное
давление;
стимулирует
углеводный
обмен;
- получен синтетическим путем.
Белки - основа кожи, шерсти, шелка и других натуральных материалов,
важнейшие компоненты пищи человека и корма животных. В зависимости от
формы белковой молекулы различают фибриллярные и глобулярные белки.
Биополимер Biopolymer - целлюлоза, крахмал, белок, нуклеиновая кислота,
природная смола или другой полимер, который образуется в результате
жизнедеятельности растений и животных. Природные полимеры образуются в
процессе биосинтеза в клетках живых организмов.
Биосинтез - процесс образования необходимых организму веществ,
протекающий в его клетках с участием ферментов. В процессе биосинтеза из
исходных веществ образуются более сложные соединения: белки, нуклеиновые
кислоты, полисахариды и другие.
Витамин Vitamins - От лат.Vita - жизнь органическое вещество, образующееся
в животном организме или поступающее с пищей в очень незначительных
количествах, но абсолютно необходимое для нормального обмена веществ и
жизнедеятельности. Многие витамины являются предшественниками
коферментов, в составе которых они участвуют в различных ферментативных
реакциях. Обычно первоисточником витаминов служат пищевые растения.
Различают водорастворимые (B1, B2, B6, B12, PP и C) и жирорастворимые
витамины (A, D, E, K).
Гормон Hormone От греч.Hormao - возбуждаю - биологическое активное
вещество, вырабатываемое в организме специализированными клетками,
тканями или органами и оказывающее целенаправленное воздействие на
деятельность других органов и тканей. Гормоны участвует во всех процессах
роста, развития, размножения и обмена веществ.
Гистоны - белки, обладающие щелочными свойствами и входящие в ядрах
клеток эукариот в состав комплексов с ДНК. Гистоны участвуют в
поддержании и изменении структуры хромосом на разных стадиях клеточного
цикла, а также в регуляции активности генов.
Глобин - белок, входящий в состав гемоглобина.
Глобулин - растворимый в разбавленных растворах солей и слаборастворимый
в воде белок, входящий в состав растительных и животных тканей. Глобулины
составляют
почти
половину
белков
крови;
определяют
иммунные
свойства
организма;
определяют
свертываемость
крови;
- участвуют в транспорте железа и в других процессах.
4
Глобулярные белки - белки, в молекулах которых полипептидные цепи
плотно свернуты в компактные шарообразные структуры (глобулы). К
глобулярным белкам относятся ферменты, антитела, некоторые гормоны и
другие белки, выполняющие в клетках динамические функции.
Глутелины - простые белки, содержащиеся в семенах злаков и в зеленых
частях растений. Вместе с проламинами глутелины образуют запасные белки
эндосперма семян.
Гормон Hormone - От греч.Hormao - возбуждаю биологическое активное
вещество, вырабатываемое в организме специализированными клетками,
тканями или органами и оказывающее целенаправленное воздействие на
деятельность других органов и тканей. Гормоны участвует во всех процессах
роста, развития, размножения и обмена веществ.
Индуктор - негистонный белок, действующий в ничтожных концентрациях,
вызывающий взаимодействие отдельных клеток зародыша между собой, их
направленное движение и выделение ими специфических веществ,
регулирующих их взаимоотношения. - защитный белок, вырабатываемый
клетками млекопитающих и птиц в ответ на заражение их вирусами.
Интерферон - неспецифический фактор (агент) противовирусного иммунитета.
Клейковина - белковая часть пшеничной муки, остающаяся в виде эластичного
сгустка после вымывания крахмала из теста водой. Составляющие клейковину
запасные белки глиадин и глутенин содержатся в эндосперме зерна пшеницы.
От содержания и свойств глиадина и глутенина зависят хлебопекарные
качества пшеничной муки.
Органические вещества Organic combinations - химические соединения, в
состав которых входит углерод. К органическим веществам относятся: белки,
жиры, углеводы, ферменты, гормоны, витамины и продукты их превращений.
Пептоны - смесь продуктов неполного гидролиза белков. Пептоны
применяются в микробиологии для приготовления питательных сред.
Проламины - простые белки, содержащиеся в семенах злаков. Вместе с
глутелинами проламины образуют запасные белки эндосперма семян.
Хлебопекарные качества пшеницы зависят от содержания в зерне проламинов
глиадина и глутенина, образующих клейковину.
Протеин - белок, состоящий только из остатков аминокислот. К протеинам
относятся многие ферменты.
Серицин От лат.Sericum - шелк - белок, составляющий вместе с фиброином
всю массу натурального шелка-сырца.
Сложные белки - белки, в состав которых помимо аминокислот входят
углеводы (гликопротеиды), нуклеиновые кислоты (нуклеопротеиды) и т.д.
Сферасома - клеточные гранулы, содержащие липиды и белки.
Ферритин - железосодержащий белок печени, селезенки, костного мозга и
других тканей. Ферритин запасает железо в организме.
Фибриллярные белки - белки, образованные полипептидными цепями,
которые расположены параллельно друг другу вдоль одной оси и образуют
длинные волокна (фибриллы) или слои. Фибриллярные белки нерастворимы в
5
воде и растворах солей. Фибриллярные белки - основные структурные
элементы соединительной ткани.
Фибрин - нерастворимый белок, образующийся из фибриногена под действием
фермента тромбина в процессе свертывания крови. Нити фибрин,
полимеризуясь, образуют основу тромба, останавливающего кровотечение.
Аминокислоты Amino acids - класс органических соединений, содержащих
карбоксильные и амино- группы. Около 20 важнейших аминикислот служат
мономерными звеньями, из которых построены все белки. Аминокислоты
обладают
свойствами
и
кислот
и
оснований;
- участвуют в обмене азотистых веществ всех организмов.
Гистамин
производное
аминокислоты
гистидина.
Гистамин
- содержится в неактивной, связанной форме в различных органах и тканях
животных
и
человека;
- в значительных количествах освобождается при аллергических реакциях,
шоке,
ожоге;
- вызывает расширение кровеносных сосудов, сокращение гладкой
мускулатуры, повышение секреции соляной кислоты в желудке и др.
Гистидин - гетероциклическая аминокислота, входящая в состав многих
белков. Гистидин - исходное вещество при биосинтезе гистамина и
биологически активных пептидов мышц (карнозина и анзерина).
Меланин - пигмент коричневого или черного цвета, образующийся в клетках
росткового
слоя
кожи.
Меланины:
- являются продуктами окислительных превращений аминокислоты тирозина;
- широко распространены в растительных и животных тканях;
- определяют окраску кожных покровов и их производных: волос, перьев,
чешуи,
кутикулы
насекомых;
определяют
окраску
кожуры
плодов;
отсутствуют
у
альбиносов;
- не пропускают в организм ультрафиолетовые лучи.
Незаменимые аминокислоты - кислоты, которые не синтезируются клетками
животных и человека и поступают в организм в составе белков пищи. Для
разных животных набор незаменимых аминокислот неодинаков. Отсутствие
или недостаток незаменимых аминокислот приводит к остановке роста,
падению массы, нарушениям обмена веществ и к гибели организма.
Пептидазы - ферменты, катализирующие отщепление от белков и пептидов
аминокислот. Пептидазы участвуют в пищеварении у животных и человека.
Пептиды - органическое вещества, состоящие из остатков аминокислот,
соединенных пептидной связью. В живых клетках пептиды синтезируются из
аминокислот либо являются продуктами обмена белков. Многие природные
пептиды обладают биологической активностью. Различают дипептиды,
трипептиды и т.д., а также полипептиды.
Полипептиды - полимеры, построенные из остатков аминокислот. Условная
граница между полипептидами и белками лежит в области молекулярной массы
6000. Многие антибиотики, гормоны, токсины по химической природе
полипептиды.
6
Пролин - гетероциклическая аминокислота. Пролин содержится во всех
организмах в свободном виде и в составе многих белков.
Протамины - низкомолекулярные белки, отличающиеся высоким содержанием
щелочных аминокислот. Протамины содержатся в ядрах сперматозоидов рыб и
птиц.
Протеин - белок, состоящий только из остатков аминокислот. К протеинам
относятся многие ферменты.
Рацемазы - ферменты класса изомераз, катализирующие в живых клетках
обратимое превращение стереоизомеров. Рацемазы бактерий используются для
промышленного получения индивидуальных стереоизомеров из рацемических
смесей.
Серотонин Serotonin; 5-hydroxytryptamine (5HT) - производное аминокислоты
триптофана. Серотонин синтезируется в центральной нервной системе и в
хромаффинных клетках желудочно-кишечного тракта. Серотонин - медиатор
проведения нервного импульса через синапс. В качестве гормона серотонин
регулирует моторику желудочно-кишечного тракта, выделение слизи, вызывает
спазм поврежденных сосудов и т.п.
Тирозин - ароматическая аминокислота, входящая в состав многих белков и
пептидов. В организме животных и человека тирозин служит исходным
веществом для синтеза гормонов щитовидной железы, адреналина и др.
Цистеин - серосодержащая моноаминомонокарбоновая аминокислота. Цистеин
входит в состав белков, глутатиона. Сульфгидрильные группы цистеина
способствуют проявлению биологической активности многих ферментов,
белковых гормонов, токсинов. В организме цистеин превращается в цистин.
Цистин - серосодержащая аминокислота, димер цистеина. В белках цистин
появляется при образовании между остатками цистеина дисульфидных связей,
которые поддерживают пространственную структуру белковой молекулы.
Цитруллин - аминокислота, не входящая в состав белков. Цитруллин играет
важную роль при образовании мочевины в организмах и в биосинтезе аргинина.
Биологически активное вещество - в широком смысле - вещество,
вырабатываемое организмом или получаемое им извне и оказывающее либо
стимулирующее, либо подавляющее воздействие на происходящие в организме
процессы. К биологически активным веществам относятся биолины, гормоны,
ингибиторы, ферменты, фитогормоны и др.
Биологически активное вещество - в узком смысле - вещество,
вырабатываемое живым организмом и стимулирующее его развитие или
функции.
Антиметаболит - биологически активное вещество, образующееся в организме
или синтезированное искусственно. Антиметаболиты препятствуют действию
метаболитов в организме.
Биогенные стимуляторы - биологически активные вещества, которые:
- образуются в животных и растительных организмах при воздействии на них
неблагоприятных
условий
внешней
и
внутренней
среды;
накапливаются
в
изолированных
тканях;
- при введении в организм стимулируют процессы жизнедеятельности.
7
Биогены - вещества, оказывающие стимулирующее влияние на организм. К
биогенам относят биогенные стимуляторы, образующиеся в организме и
оказывающие на него значительное воздействие из-за высокой биологической
активности. Биогены применяются с лечебными целями и для повышения
продуктивности животных, ускорения роста молодняка.
Фермент Ferment; Enzyme; Biological catalyst От греч.En - внутри + Zyme закваска - биологический катализатор; по химической природе - белок или
рибонуклеиновая кислота. Ферменты обязательно присутствуют во всех
клетках живого организма. Ускоряя биохимические реакции, ферменты
направляют и регулируют обмен веществ.
Фитогормон - биологически активное вещество, образующееся в активно
растущих тканях растений и регулирующее их рост и развитие. К
фитогормонам относятся ауксины, гиббереллины и цитокинины, а также
ингибиторы роста.
Гастрин - гормон человека и животных, вырабатываемый специальными
клетками слизистой оболочки желудка. Поступление пищи в желудок вызывает
выделение гастрина, который стимулирует секрецию соляной кислоты,
желудочного и панкреатического соков, а также желчевыделение. По
химической природе гастрин - полипептид.
Глюкагон - гормон человека и животных, вырабатываемый поджелудочной
железой. Глюкагон стимулирует расщепление в печени запасного углевода
гликогена и повышает содержание глюкозы в крови. По химической природе
глюкагон - полипептид.
Инсулин - белковый гормон животных и человека, вырабатываемый
поджелудочной железой. Инсулин понижает содержание сахара в крови,
задерживая распад гликогена в печени и увеличивая использование глюкозы
мышечными и другими клетками. Недостаток инсулина приводит к сахарному
диабету.
Кортикостероиды - гормоны животных и человека, вырабатываемые корой
надпочечников.
Кортикостероиды
регулируют
минеральный
обмен,
применяются в медицине в качестве противовоспалительных и
противоаллергических
средств.
Различают
минералокортикоиды
и
глюкокортикоиды. По химической природе кортикостероиды - стероиды.
Меланоцитстимулирующий гормон - гормон животных и человека,
вырабатываемый гипофизом, стимулирующий синтез пигментов меланинов в
коже и сетчатке глаза. По химической природе меланоцитстимулирующий
гормон - полипептид.
Нейрогормоны - биологически активные вещества, вырабатываемые
нейросекреторными клетками. Нейрогормоны регулируют деятельность
внутренних органов и центральной нервной системы.
По химической природе нейрогормоны - пептиды и катехоламины.
Нейропептиды - биологически активные соединения, синтезируемые в
нервных
клетках.
Нейропептиды:
- участвуют в регуляции обмена веществ и поддержании гомеостаза,
воздействуют
на
иммунные
процессы,
8
- играют важную роль в механизмах памяти, обучения, сна и др.
- могут действовать как медиаторы и гормоны.
Панкреозимин - гормон животных и человека, вырабатываемый слизистой
оболочкой двенадцатиперстной кишки. Панкреозимин стимулирует синтез
пищеварительных ферментов поджелудочной железой.
Паратиреоидный гормон - гормон животных и человека, вырабатываемый
паращитовидными железами, усиливающий выход кальция из костей в кровь и
стимулирующий выведение кальция и фосфатов почками. По химической
природе паратиреоидный гормон - полипептид.
9
Краткий конспект лекций
Лекция №1. Введение. Химический состав организмов.
Цель: ознакомиться со значением биологической химии для развития биологии, медицины и
др. отраслей, с основными разделами биологической химии, их целями и задачами.
Основные вопросы:
1. Цели и задачи дисциплины «Химические основы жизни»
2. Химический состав организмов
3.Биологическая роль s-, p-, d-элементов и их применение в медицине
Краткое содержание:
Цели и задачи дисциплины «Химические основы жизни»
Химия жизни изучает химический состав организмов (качественный и количественный),
структуру биомолекул, их функции и свойства. Живое вещество отличается от неживой
природы следующим: 1. Уникальный набор соединений, из которых строятся живые формы.
2. В любой клетке или в организме в целом постоянно протекают химические процессы
разрушения и образования веществ (обмен веществ). 3. Удивительная устойчивость живой
системы. Устойчивость регулируется. Химический состав и химические процессы
саморегулируются с помощью особых молекул либо химическими реакциями. Химические
связи: 1) ковалентно полярная и неполярная характерна для всех органических молекул
(белки, углеводы, липиды); 2) ионная связь, донорно-акцепторная, координационная,
водородная связи способствуют формированию сложных пространственных структур.
Химический состав организмов.
Вернадский впервые начал изучать химический состав биомассы, влияние геохимии
окружающей среды на химический состав биомассы, а также влияние биомассы на
геохимический состав окружающей среды. Большое значение имеют работы Виноградова,
Полынова, Ковальского и др. Живая природа и неживая идентичны по качественному
элементарному составу, разница проявляется в количественных соотношениях. По
содержанию все химические элементы делят на 4 группы: 1) макроэлементы или
органогенные – кислород, водород, углерод, азот, фосфор, кальций – содержание элемента
более 1% от массы; 2) олигобиогенные (содержание 0,1 до 1%) – калий, натрий, хлор, сера,
магний, железо; 3) микроэлементы или микробиогенные (меньше 0,01%) – цинк, марганец,
медь, кобальт и все галогены; 4) ультрамикробиогенные – (10-4 – 10-6%) – бор, селен,
алюминий, литий, титан, ванадий, свинец, серебро, вольфрам, ртуть – обнаруживаются.
Радиоактивные элементы встречаются с концентрацией 1 атом на 1 клетку (уран, полоний,
радий, актиний). Основные характеристики элементов (электронное строение, способность к
реакциям) определяется положением в периодической системе. Эти же характеристики
лежат в основе физиологической роли элементов. Взаимосвязь биологической активности
содержания элементов и положения в таблице является одной из современных проблем.
Виноградов показал, что количественное содержание элементов биомассы обратно
пропорционально порядковому номеру элемента. Доступность элементов определяется
лёгкостью их растворения, окисляемость, комплексообразование и летучесть. С увеличением
атомной массы в каждой группе возрастает токсичность элементов и одновременно резко
снижается их активность. Биологическая активность элементов сильно зависима от строения
внешней электронной оболочки.
Биологическая роль s-, p-, d-элементов и их применение в медицине
Все химические элементы можно разбить на группы:
12 структурных элементов, это углерод, кислород, водород, азот, кальций, магний, натрий,
калий, сера, фосфор, фтор и хлор.
15 эссенциальных (жизненно необходимых) элементов - железо, йод, медь, цинк, кобальт,
хром, молибден, никель, ванадий, селен, марганец, мышьяк, фтор, кремний, литий.
10
2 условно-необходимых элемента - бор и бром.
4 элемента являются серьезными "кандидатами на необходимость" - кадмий, свинец,
алюминий и рубидий.
Остальные 48 элементов менее значимы для организма.
Минеральные вещества не обладают энергетической ценностью, как белки, жиры и
углеводы. Однако без них жизнь человека невозможна. Так же, как и при недостатке
основных пищевых веществ или витаминов, при дефиците минеральных веществ в
организме человека возникают специфические нарушения, приводящие к характерным
заболеваниям. Микроэлементы и витамины в некотором смысле даже более важны, чем
питательные вещества, ибо без них последние не будут правильно усваиваться организмом.
Особенно важны минеральные вещества детям, в период интенсивного роста костей, мышц,
внутренних органов. Естественно, беременные женщины и кормящие матери нуждаются в
повышенном потреблении минеральных веществ. С возрастом потребность в минеральных
веществах снижается. Влияние микро- и макроэлементов на жизнедеятельность животных и
человека активно изучается и в медицинских целях. Любая патология, любое отклонение в
здоровье биологического организма сопровождается либо дефицитом жизненно
необходимых (эссенциальных) элементов, либо избытком как эссенциальных, так и
токсичных микроэлементов. Такой дисбаланс макро- и микроэлементов получил
объединяющее название "микроэлементозы". Во многих случаях это утверждение было
экспериментально подтверждено, однако некоторые ученные и сегодня считают, что
недостаточное потребление определенного микроэлемента является значимым только тогда,
когда организм подвергается стрессу, который увеличивает потребность в данном
микроэлементе. Химические вещества при всей своей важности и необходимости для
организма человека способны оказывать и отрицательное влияние на растения, животных и
человека, если концентрация их доступных форм превышает определенные пределы.
Кадмий, олово, свинец и рубидий считаются условно необходимыми, т.к. они, по всей
видимости, не очень важны для растений и животных и опасны для здоровья человека даже
при относительно низких концентрациях. Биологическая роль некоторых микроэлементов в
настоящее время не достаточно изучена. Необходимо помнить об определенных
предосторожностях при употреблении минеральных комплексов (как лекарственных
препаратов, так и биологически активных добавок к пище). Передозировка одного
минерального вещества может привести к функциональным нарушениям и повышенному
выделению другого минерального вещества. Возможно и развитие нежелательных побочных
эффектов. Например, избыток цинка ведет к снижению уровня холестеринсодержащих
липидов высокой плотности ("хорошего" холестерина). Избыток кальция может привести к
недостатку фосфора, и наоборот. Избыток молибдена уменьшает содержание меди.
Некоторые микроэлементы (селен, хром, медь) в избыточных дозах токсичны. Особенно это
относится к солям многих металлов. При потреблении минеральных веществ, следует строго
придерживаться медицинских рекомендаций. В последние годы выделяют отдельно действие
на организм человека тяжелых металлов. Тяжелые металлы - это группа химических
элементов с относительной атомной массой более 40. Появление в литературе термина
"тяжелые металлы" было связано с проявлением токсичности некоторых металлов и
опасности их для живых организмов. Однако в группу "тяжелых" вошли и некоторые
микроэлементы, жизненная необходимость и широкий спектр биологического действия
которых неопровержимо доказаны. "Тяжелые" металлы - это свинец, кадмий, цинк, медь,
никель, хром. В последние годы все сильнее подтверждается важная биологическая роль
большинства "тяжелых" металлов. Многочисленными исследованиями установлено, что
влияние металлов весьма разнообразно и зависит от содержания их в окружающей среде и
степени нуждаемости в них микроорганизмов, растений, животных и человека. Влияние
"тяжелых" металлов на живые организмы весьма разнообразно. Это обусловлено, во-первых,
11
химическими особенностями металлов, во-вторых, отношением к ним организмов и, втретьих, условиями окружающей среды. Уже сейчас во многих регионах мира окружающая
среда становится все более "агрессивной" с химической точки зрения. В последние
десятилетия основными объектами биогеохимических исследований стали территории
промышленных городов и прилегающих к ним земель, особенно если на них выращиваются,
а затем используются в пищу сельскохозяйственные растения. Встречаются элементы,
которые в относительно больших количествах являются ядами, а в низких концентрациях
оказывают полезное влияние. Например, мышьяк - сильный яд, нарушающий сердечнососудистую систему и поражающий почки и печень, в небольших дозах полезен, и врачи
прописывают его для улучшения аппетита. Кислород, необходимый человеку для дыхания, в
высокой концентрации (особенно под давлением) оказывает ядовитое действие.Из этих
примеров видно, что концентрация элемента в организме играет весьма существенную, а
порой и катастрофическую роль. Среди примесных элементов имеются и такие, которые в
малых дозах обладают эффективными лечащими свойствами. Так, давно было замечено
бактерицидное (вызывающее гибель различных бактерий) свойство серебра и его солей.
Например, в медицине раствор коллоидного серебра (колларгол) применяют для промывания
гнойных ран, мочевого пузыря, при хронических циститах и уретитах, а также в виде
глазных капель при гнойных конъюктивитах и бленнорее. Карандаши из нитрата серебра
применяют для прижигания бородавок, грануляций. В разбавленных растворах (0,1-0,25%)
нитрат серебра используют как вяжущее и противомикробное средство для примочек, а
также в качестве глазных капель. Ученые считают, что прижигающее действие нитрата
серебра связано с его взаимодействием с белками тканей, что приводит к образованию
белковых солей серебра - альбуминатов. Серебро пока не относят к жизненно необходимым
элементам, однако уже экспериментально установлено его повышенное содержание в мозгу
человека, в железах внутренней секреции, печени. В организм серебро поступает с
растительной пищей, например с огурцами и капустой.
Таблица 1. Характерные симптомы дефицита химических элементов в организме человека
Дефицит элемента
Типичный симптом
Ca
Замедление роста скелета
Mg
Мускульные судороги
Fe
Анемия, нарушение иммунной системы
Zn
Повреждение кожи, замедление роста, замедление полового
созревания
Cu
Слабость артерий, нарушение деятельности печени,
вторичная анемия
Mn
Бесплодие, ухудшение роста скелета
Mo
Замедление клеточного роста, склонность к кариесу
12
Co
Злокачественная анемия
Ni
Учащение депрессий, дерматиты
Cr
Симптомы диабета
Si
Нарушение роста скелета
F
Кариес зубов
I
Нарушение работы щитовидной железы, замедление
метаболизма
Se
Мускульная (в частности, сердечная) слабость
Современные научные данные о биологической роли изученных химических элементах, их
метаболизме в организме человека, суточных нормах потребления, содержании химических
веществ в продуктах питания представлены в отдельных статьях, описывающих каждый
химический элемент. В статьях представлены также данные о дефицитных состояниях,
развивающихся при недостаточном потреблении данных химических веществ, а также
реакция организма на избыточное потребление нутриентов. Несомненно, время внесет
коррективы в современные представления о числе и биологической роли определенных
химических элементов в организме человека. Микроэлементы вошли в отмеченный выше
ряд 22 элементов, обязательно присутствующих в организме человека. Заметим, что
большинство из них - металлы, а из металлов больше половины являются d-элементами.
Последние в организме образуют координационные соединения со сложными
органическими молекулами. Так, установлено, что многие биологические катализаторы ферменты содержат ионы переходных металлов (d-элементов). Например, известно, что
марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо - в 70, медь - в 30, а цинк - более
чем в 100. Микроэлементы называют жизненно необходимыми, если при их отсутствии или
недостатке нарушается нормальная жизнедеятельность организма.
Вопросы для самоконтроля:
1. Цели и задачи дисциплины «Химические основы жизни»
2. Химический состав организмов
3.Биологическая роль s-, p-, d-элементов и их применение в медицине
Рекомендуемая литература:
1. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии..-М.: Высшая школа, 1969.
2. Строев Е.А. Биологическая химия, 1986
3. Березов Т.Т. и др. Биологическая химия. М.: Медицина, 1990
Лекция №2-4. Белки
Цель: ознакомиться со строением, элементарным химическим составом белков и их ролью;
дать номенклатуру и классификацию белков, определить основные функции белков
Основные вопросы:
1. Элементарный химический состав белков
13
2. Аминокислотный состав белков
3. Пространственные структуры белков
4. Номенклатура и классификация белков
Краткое содержание:
Элементарный химический состав белков
БЕЛКИ, высокомолекулярные природные полимеры, построенные из остатков аминокислот,
соединенных амидной (пептидной) связью —СО—NH—. Каждый белок характеризуется
специфической аминокислотной последовательностью и индивидуальной пространственной
структурой (конформацией). На долю белков приходится не менее 50% сухой массы орг.
соед. животной клетки. Функционирование белков лежит в основе важнейших процессов
жизнедеятельности организма. Обмен веществ (пищеварение, дыхание и др.), мышечное
сокращение, нервная проводимость и жизнь клетки в целом неразрывно связаны с
активностью ферментов - высокоспецифических катализаторов биохимических реакций,
являющихся белками. Основу костной и соединительной тканей, шерсти, роговых
образований составляют структурные белки (напр. Коллаген). Они же формируют остов
клеточных органелл (митохондрий, мембран и др.). Расхождение хромосом при делении
клетки, движение жгутиков, работа мышц животных и человека осуществляются по единому
механизму при посредстве белков сократительной системы (напр. Актин, Миозин). Важную
группу составляют регуляторные белки, контролирующие биосинтез белков и нуклеиновых
кислот. К регуляторным белкам относятся также пептидно-белковые гормоны, которые
секретируются эндокринными железами. Информация о состоянии внешней среды,
различные регуляторные сигналы (в т. ч. гормональные) воспринимаются клеткой с
помощью специальных рецепторных белков, располагающихся на наружной поверхности
плазматической мембраны. Эти белки играют важную роль в передаче нервного
возбуждения и в ориентированном движении клетки (хемотаксисе). В активном транспорте
ионов, липидов, Сахаров и аминокислот через биологические мембраны участвуют
транспортные белки, или белки-переносчики. К последним относятся также гемоглобин и
миоглобин, осуществляющие перенос кислорода. Преобразование и утилизация энергии,
поступающей в организм с питанием, а также энергии солнечного излучения происходят при
участии белков биоэнергетич. системы (напр., родопсин, цитохромы). Большое значение
имеют пищевые и запасные белки (напр., Казеин, Проламины), играющие важную роль в
развитии и функционировании организмов. Защитные системы высших организмов
формируются защитными белками, к к-рым относятся иммуноглобулины (ответственны за
иммунитет), белки комплемента (ответственны за лизис чужеродных клеток и активацию
иммунологич. ф-ции), белки системы свертывания крови (см., напр., Тромбин, Фибрин) и
противовирусный белок интерферон.
По составу белки делят на простые, состоящие только из аминокислотных остатков, и
сложные. Сложные могут включать ионы металла (металлопротеиды) или пигмент
(хромопротеиды), образовывать прочные комплексы с липидами (липопротеины),
нуклеиновыми к-тами (нуклеопротеиды), а также ковалентно связывать остаток фосфорной
кислоты (фосфопротеиды), углевода (гликопротеины)или нуклеиновой кислоты (геномы некрых вирусов). В соответствии с формой молекул белки подразделяют на глобулярные и
фибриллярные. Молекулы первых свернуты в компактные глобулы сферич. или
эллипсоидной формы, молекулы вторых образуют длинные волокна (фибриллы) и
высокоасимметричны. Большинство глобулярных белков, в отличие от фибриллярных,
растворимы в воде. Особую группу составляют мембранные (амфипатические) белки,
характеризующиеся неравномерным распределением гидрофильных и гидрофобных
(липофильных) участков в молекуле: погруженная в биол. мембрану часть глобулы состоит
преим. из липофильных аминокислотных остатков, а выступающая из мембраны - из
гидрофильных.
Аминокислотный состав белков
14
Практически все белки построены из 20 аминокислот, принадлежащих, за исключением
глицина, к L-ряду. Аминокислоты соединены между собой пептидными связями,
образованными карбоксильной и аминогруппами соседних аминокислотных остатков
Белковая молекула может состоять из одной или нескольких цепей, содержащих от 50 до
неск. сотен (иногда - более тысячи) аминокислотных остатков. Молекулы, содержащие менее
50 остатков, часто относят к пептидам. В состав многих молекул входят остатки цистина,
дисульфидные связи которых ковалентно связывают участки одной или неск. цепей.
Пространственные структуры белков
В нативном состоянии макромолекулы белков обладают специфической конформацией.
Характерная для данного белка конформация определяется последовательностью
аминокислотных остатков и стабилизируется водородными связями между пептидными и
боковыми группами аминокислотных остатков, а также гидрофобными и электростатич.
взаимодействиями. Большое влияние на конформацию оказывают взаимодействие белков с
компонентами среды (вода, липиды и др.), в которой они функционируют.
Различают четыре уровня организации белковых молекул. Последовательность
аминокислотных остатков в полипептидной цепи наз. первичной структурой. Все белки
различаются по первичной структуре; потенциально возможное их число практически
неограничено. Термин "вторичная структура" относится к типу укладки полипептидных
цепей. Наиболее часто встречающиеся типы-правая
спираль и структура. Первая
характеризуется планарностью пептидной группы; водородные связи между СО-и NHгруппами пептидной цепи замыкают циклы из 13 атомов. На 1 виток спирали приходится
3,6 остатка аминокислот, шаг спирали -0,544 нм. Значительно менее энергетически выгодны
правые 310- и спирали, содержащие соотв. 3 и 4,4 аминокислотных остатка на 1 виток, а
также 10 и 16 атомов в циклах, образованных водородными связями. 310-Спирали
встречаются сравнительно редко и образуют только очень короткие участки, к-рые обычно
располагаются на концах спиралей. Предсказанные теоретически правые спирали, а
также левые 310- и спирали в белках не обнаружены.
В случае структуры, или структуры складчатого листа, полипептидные цепи растянуты,
уложены параллельно друг другу и связаны между собой водородными связями. Остов цепи
не лежит в одной плоскости, а вследствие небольших изгибов при углеродных атомах
образует слегка волнистый слой. Боковые группы располагаются перпендикулярно
плоскости слоя. В белках обнаружены два вида
структуры: с параллельным и
антипараллельным
направлениями
цепей.
Частный
случай структуры- изгиб,
обеспечивающий поворот пептидной цепи на угол ок. 180° на протяжении отрезка,
содержащего 4 аминокислотных остатка; 1-й и 4-й остатки соединены водородной связью.
Относительное
содержание
спиральных
участков
и
структур
может
широко
15
варьировать. Существуют белки с преобладанием спиралей (ок. 75% в миоглобине и
гемоглобине), тогда как основной тип структуры многих фибриллярных белков, в т.ч.
фиброина шелка и кератина волос,- структура. У многих белков содержание
и
структурных участков незначительно, однако и в этих случаях полипептидные цепи
укладываются в пространстве строго определенным, характерным для каждого белка
образом.
Под третичной структурой белков понимают расположение его полипептидной цепи в
пространстве. Существ. влияние на формирование третичной структуры оказывают размер,
форма и полярность аминокислотных остатков. В молекулах глобулярных белков большая
часть гидрофобных остатков скрыта внутри глобулы, а полярные группировки
располагаются на ее поверхности в гидратированном состоянии. Однако ситуация не всегда
настолько проста. Связывание белка с др. молекулами, напр. фермента с его субстратом или
коферментом, почти всегда осуществляется с помощью небольшого гидрофобного участка
на пов-сти глобулы. Область контакта мембранных белков с липидами формируется преим.
гидрофобными остатками. Третичная структура многих белков составляется из нескольких
компактных глобул, называется доменами. Между собой домены обычно бывают связаны
"тонкими перемычками" - вытянутыми полипептидными цепями. Пептидные связи,
расположенные в этих цепях, расщепляются в первую очередь при обработке белков
протеолитич. ферментами, тогда как отдельные домены могут быть достаточно устойчивы к
протеолизу.
Спиральные конформации полипептидных цепей: а-310-спираль, б-
спираль, в- спираль
Термин "четвертичная структура" относится к макромолекулам, в состав которых входит
несколько полипептидных цепей (субъединиц), не связанных между собой ковалентно. Такая
структура отражает способ объединения и расположения этих субъединиц в пространстве.
Между собой отдельные субъединицы соединяются водородными, ионными, гидрофобными
и др. связями. Изменение рН и ионной силы раствора, повышение температуры или
обработка детергентами обычно приводят к диссоциации макромолекулы на субъединицы.
Этот процесс обратим: при устранении факторов, вызывающих диссоциацию, может
происходить самопроизвольная реконструкция исходной четвертичной структуры. Явление
носит общий характер: по принципу самосборки функционируют многие биол. структуры.
Способность к самосборке свойственна и отдельным фрагментам белков - доменам. Более
глубокие изменения конформации белков с нарушением третичной структуры называются
денатурацией.
Номенклатура и классификация белков
16
Физико-химические свойства белков определяются их высокомолекулярной природой,
компактностью укладки полипептидных цепей и взаимным расположением остатков
аминокислот. Молекулярная масса варьирует от 5 тыс. до 1 млн., а константы седиментации
- от 1 до 20 (и выше). Средний удельный объем белковых молекул - 0,70-0,75 см3/г, а
константы диффузии - 106-108 см2/с. Максимум поглощения белков в УФ-области спектра,
обусловленный наличием ароматич. аминокислот, находится вблизи 280 им. Возбуждение
электронов атома азота пептидной группы вызывает резкое увеличение поглощения при 185240 нм. В ИК-области спектра белки поглощают за счет СО- и NH-rpyпп при 1600 и 31003300 см-1.
В растворах белки амфотерны. Изоэлектрические точки белков могут иметь значения от <
1,0 (у пепсина) до 10,6 (у цитохрома с) и выше. Боковые группы аминокислотных остатков
способны вступать во многие реакции. Белки дают ряд цветных р-ций, обусловленных
наличием определенных аминокислотных остатков или хим. группировок. К важнейшим из
них относятся: биуретовая реакция (пептидные связи), ксантопротеиновая реакция
(ароматич. ядра остатков тирозина, триптофана, фенилаланина), Адамкевича реакция
(индольное кольцо триптофана), Миллона реакция (фенольный радикал тирозина), Паули
реакция (имидазольное кольцо гистидина), Сакагучи реакция (гуанидиновая группа
аргинина) и нингидриновая реакция (аминогруппа).
Значение белков в питании. Белки-необходимая составная часть продуктов питания.
Проблема пищевого белка стоит очень остро. По данным Международной организации по
продовольствию и с. х-ву при ООН больше половины человечества не получает с пищей
необходимого кол-ва белков. Недостаток белков в пище вызывает тяжелое заболевание квашиоркор.
В процессе пищеварения белки подвергаются гидролизу до аминокислот, к-рые и
всасываются в кровь. Пищ ценность белков зависит от их аминокислотного состава,
содержания в них т. наз. незаменимых аминокислот, не синтезирующихся в организмах (для
человека незаменимы триптофан, лейцин, изолейцин, валин, треонин, лизин, метионин и
фенилаланин). В питательном отношении растит. белки менее ценны. чем животные; они
беднее лизином, метионином и триптофаном, труднее перевариваются. Один из путей
решения проблемы - добавление в растит. пищу синтетич. аминокислот. Наряду с этим
выводят новые сорта растений, содержащие гены, ответственные за синтез недостающих
аминокислот. Перспективно использование для этого методов генетич. инженерии.
Чрезвычайно важное значение имеет широкое внедрение пром. микробиологического
синтеза, напр. выращивание дрожжей на гидролизном этиловом спирте, прир. газе или
нефти. Получаемые при этом белково-витаминные концентраты (БВК) используют в
качестве добавок к корму с.-х. животных. Исследования советских микробиологов и
технологов (Г. К. Скрябин и др.) послужили основой для производства БВК в СССР в
крупных масштабах.
Вопросы для самоконтроля:
1. Значение белков в питании.
2. Номенклатура и классификация белков
3. Пространственные структуры белков
4. Аминокислотный состав белков
Рекомендуемая литература:
1. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии..-М.: Высшая школа, 1969.
2. Строев Е.А. Биологическая химия, 1986
17
3. Березов Т.Т. и др. Биологическая химия. М.: Медицина, 1990
Лекция №5-6.Ферменты
Цель: ознакомиться с каталитической функцией ферментов, их строением, конкурентным и
неконкурентным торможением, номенклатурой ферментов.
Основные вопросы:
1.Состав и строение ферментов
2.Механизм ферментативного катализа
3.Номенклатура ферментов
Краткое содержание:
Состав и строение ферментов
ФЕРМЕНТЫ (от лат. fermentum - закваска) (энзимы), 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
биохимические процессы (напр., реализацию генетической информации), в т. ч. в ответ на
изменяющиеся условия.
Структуру ферментов изучают методами хим. модификации, рентгеновского структурного
анализа, спектроскопии. Ценные результаты получены методом сайт-специфичного
мутагенеза, основанного на направленной замене аминокислот в белковой молекуле
методами генетической инженерии. К кон. 20 в. известно и охарактеризовано около 3000
ферментов. При изучении механизма химической реакции, катализируемой ферментами,
исследователя всегда интересует не только определение промежуточных и конечных
продуктов и выяснение отдельных стадий реакции, но и природа тех функциональных групп
в молекуле фермента, которые обеспечивают специфичность действия фермента на данный
субстрат (субстраты) и высокую каталитическую активность. Речь идет, следовательно, о
точном знании геометрии и третичной структуры фермента, а также химической природы
того участка (участков) молекулы фермента, который обеспечивает высокую скорость
каталитической реакции. Участвующие в ферментативных реакциях молекулы субстратов
часто имеют небольшие размеры по сравнению с молекулами ферментов, поэтому было
высказано предположение, что при образовании фермент-субстратных комплексов в
непосредственный контакт с молекулой субстрата, очевидно, вступает ограниченная часть
аминокислот пептидной цепи. Отсюда возникло представление об активном центре
фермента. Под активным центром подразумевают уникальную комбинацию аминокислотных
остатков в молекуле фермента, обеспечивающую непосредственное связывание ее с
молекулой субстрата и прямое участие в акте катализа. Установлено, что у сложных
ферментов в состав активного центра входят также просте-тические группы.
В активном центре условно различают так называемый каталитический центр,
непосредственно вступающий в химическое взаимодействие с субстратом, и связывающий
центр, или контактную («якорную») площадку, которая обеспечивает специфическое
сродство к субстрату и формирование его комплекса с ферментом. В свою очередь молекула
субстрата также содержит функционально различные участки: например, субстраты эстераз
или протеиназ – одну специфическую связь (или группу атомов), подвергающуюся атаке со
стороны фермента, и один или несколько участков, избирательно связываемых ферментом.
18
Активный центр фермента (схема) (по Малеру и Кордесу).
Темные полосы - участки полипептидной цепи фермента; R - аминокислотные остатки и их
порядковые номера (с N-конца). Получены экспериментальные доказательства наличия в
активном центре химотрипсина двух остатков гистидина и остатка серина, схематически
представленных в трехмерной структурной модели предшественника этого фермента.
Выявление химической природы и вероятной топографии групп активного центра –
проблема первостепенной важности. Она сводится к определению природы аминокислот, их
последовательности и взаиморасположения в активном центре. Для идентификации так
называемых существенных аминокислотных остатков используют специфические
ингибиторы ферментов (часто это субстратподобные вещества или аналоги коферментов),
методы «мягкого» (ограниченного) гидролиза в сочетании с химической модификацией,
включающей избирательное окисление, связывание, замещение остатков аминокислот и др.
В первичной структуре однотипных ферментов, выделенных даже из эволюционно
отдаленных организмов, часто наблюдается определенная гомология, а нек-рые участки
практически остаются неизменными. Вторичная структура отличается большим
разнообразием по содержанию -спиралей и -структур. -Структуры составляют ядро
многих ферментов, образуя "опорную" структуру. Совокупность стандартных элементов
вторичных структур и специфически уложенных участков полипептидной цепи,
определенным образом расположенных в пространстве, образует третичную структуру,
определяющую биологические свойства ферментов.
Третичная структура уникальна для каждого фермента, однако у однотипных ферментов,
даже сильно отличающихся по первичной структуре, пространственное расположение цепей
м. б. сходным (напр., химотрипсины и субтилизины). Часто в третичной структуре можно
выделить отдельные компактные части (домены), соединенные участками полипептидной
цепи. Организация в пространстве неск. субъединиц определяет четвертичную структуру
ферментов.
На поверхности белковой глобулы фермента или, чаще, в спец. щели, углублении и т. п.
выделяют относительно небольшой участок, наз. активным центром. Он представляет собой
совокупность функц. групп аминокислотных остатков, непосредственно взаимодействующих
с субстратом. В активный центр фермента, кроме функц. групп, могут входить небелковые
составляющие - коферменты. Такой комплекс называется х о л о -ферментом, а его белковую
часть - апоферментом. Аминокислотные остатки, входящие в активный центр, относятся к
наиб. консервативным в данной группе ферментов. В активном центре можно выделить
субстрат-связывающий участок и собственно каталитически активные группы ферментов. К
19
последним, напр., в подподклассе сериновых протеаз относятся функц. группы остатков
серина-195, гистидина-57 и аспарагиновой к-ты-102. Кроме того, в качестве каталитически
активных групп ферментов выступают группа SH цистеина, группа COOH глугаминовой кты, фенольный гидроксил тирозина и др., а также функц. группы коферментов никотинамидное кольцо никотинамидных коферментов (см. Ниацин), альдегидная группа (в
виде альдимина) пиридоксальфосфата, тиазолино-вое кольцо тиаминпирофосфата, ионы
металлов (напр., Zn2+, Co2+, Mn2+) и др.
Механизм ферментативного катализа
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ (биокатализ), ускорение биохимических реакций при
участии белковых макромолекул, называемых ферментами (энзимами). Ферментативный
катализ- разновидность катализа, хотя термин "ферментация" (брожение) известен с давних
времен, когда еще не было понятия химического катализа.
Первое исследование ферментативного катализа как хим. процесса было выполнено К.
Кирхгофом, к-рый в 1814 продемонстрировал фер-ментативную конверсию крахмала в
растворимые углеводы.
Заметный вклад в представление о природе ферментативного катализа внесли работы И.
Берцелиуса и Э. Мичерлиха, к-рые включили ферментативные р-ции в категорию хим.
каталитич. процессов. В кон. 19 в. Э. Фишер высказал гипотезу о специфичности
ферментативных р-ций и тесном стерич. соответствии между субстратом и активным
центром фермента. Основы кинетики ферментативных р-ций были заложены в работах Л.
Михаэ-лиса (1913).
В 20 в. происходит интенсивное изучение хим. основ ферментативного катализа, получение
ферментов в кристаллич. состоянии, изучение структуры белковых молекул и их активных
центров, исследование большого числа конкретных ферментативных р-ций и ферментов.
В простейшем случае уравнение реакции с участием фермента имеет вид:
где E - фермент, S - субстрат, ES - фермент-субстратный комплекс (т. наз. комплекс
Михаэлиса), P- продукт р-ции.
Превращение субстрата в продукт происходит в комплексе Михаэлиса. Часто субстрат
образует ковалентные связи с функц. группами активного центра, в т. ч. и с группами
кофермента. Большое значение в механизмах ферментативных реакций имеет основной и
кислотный катализ, реализуемый благодаря наличию имидазольных групп остатков
гистидина и карбоксильных групп дикарбоно-вых аминокислот. Важнейшие особенности
ферментативного катализа - эффективность, специфичность и чувствительность к
регуляторным воздействиям. Ферменты увеличивают скорость хим. превращения субстрата
по сравнению с неферментативной реакцией в 109-1012 раз. Столь высокая эффективность
обусловлена особенностями строения активного центра. Принято считать, что активный
центр комплементарен переходному состоянию субстрата при превращении его в продукт.
Благодаря этому стабилизируется переходное состояние и понижается активационный
барьер реакции. Большинство ферментов обладает высокой субстратной специфичностью, т.
е. способностью катализировать превращение только одного или неск. близких по структуре
веществ. Специфичность определяется топографией связывающего субстрат участка
активного центра. Активность ферментов регулируется в процессе их биосинтеза (в т.ч.
благодаря образованию изоферментов, к-рые катализируют идентичные р-ции, но
отличаются строением и каталитич. св-вами), а также условиями среды (рН, т-ра, ионная
20
сила р-ра) и многочисленными ингибиторами и активаторами, присутствующими в
организме. Ингибиторами и активаторами могут служить сами субстраты (в определенных
концентрациях), продукты р-ции, а также конечные продукты в цепи последоват.
превращений в-ва (см. Регуляторы ферментов). Ферментативные реакции чувствительны к
внеш. условиям, в частности к ионной силе р-ра и рН среды. Влияние т-ры на скорость
ферментативной р-ции описывается кривой с максимумом, восходящая ветвь к-рой отражает
обычную для хим. р-ций зависимость, выраженную ур-нием Аррениуса. Нисходящая ветвь
связана с тепловой денатурацией фермента. Максимум кривой соответствует оптимальной тре Tопт, значение к-рой для большинства ферментов лежит в пределах 40-50 0C. Для нек-рых
ферментов, особенно ферментов термофильных микроорганизмов, Tопт 80-90 0C. Подробнее
о кинетике ферментативных р-ций см. Ферментативных реакций кинетика. Основные
направления соврременных исследований ферментативного катализа- выяснение механизма,
обусловливающего высокие скорости процессов, высокую селективность (специфичность
действия ферментов), изучение механизмов контроля и регуляции активности ферментов.
Оказалось, в частности, что р-ции ферментативного катализа включают большое число
стадий с участием лабильных промежут. соед., времена жизни к-рых изменяются в нано- и
миллисекундном диапазонах. На активных центрах ферментов протекают быстрые
(нелимитирующие) стадии, в результате чего понижается энергетич. барьер для наиб.
трудной, лимитирующей стадии. Установлен механизм регулирования ферментативной
активности путем действия ингибитора (или активатора) на специфичный центр белковой
молекулы с опосредованной передачей воздействия на активный центр фермента через
белок. Обнаружены эффекты кооперативного взаимод. неск. молекул субстрата на белковой
матрице. Найден способ "жесткого" выведения фермента из процесса посредством
индуцированной субстратом необратимой инактивации. Ферментативный катализ- основа
многих современных химических технологий, в частности крупномасштабных процессов
получения глюкозы и фруктозы, антибиотиков, аминокислот, витаминов и регуляторов, а
также тонкого орг. синтеза. Разработаны методы, позволяющие проводить ферментативные
реакции в органических растворителях, обращенных мицеллах (см. Мицеллообразование). С
ферментативным катализом связаны перспективы развития иммуноферментного и
биолюминесцентного анализа, применения биосенсоров. Созданы методы, позволившие
придать каталитич. активность антителам, обнаружена каталитич. активность у рибонуклеиновой к-ты (абзимы, рибозимы соотв.). При помощи методов ингибиторного анализа были
предприняты попытки установить закономерности состава и структуры активных центров у
ферментов, относящихся к разным группам. В частности, при использовании
диизопропилфторфосфата (ДФФ), принадлежащего к так называемым нервным ядам,
наблюдается полное выключение активного центра холинэстеразы – фермента,
катализирующего гидролиз ацетилхолина на холин и уксусную кислоту. Оказалось, что этот
ингибитор имеет близкое структурное сходство с ацетилхолином и подобно ему
взаимодействует с ОН-группой остатка серина в активном центре. Вызывая фосфорилирование серина в активном центре ряда других ферментов, ДФФ также инактивирует их
действие:
Показано, что ДФФ избирательно фосфорилирует в каждом чувствительном к нему
ферменте только один остаток серина, наделенный функциональной активностью. Учитывая
этот механизм действия ДФФ, сделаны попытки определения природы аминокислот в
21
окружении «каталитического» остатка серина у ряда ферментов. Ферменты, сходные по типу
действия, хотя и различаются специфичностью, могут иметь почти одинаковую
последовательность аминокислотных остатков в тех участках, которые примыкают к остатку
серина, несущему функционально активную гидро-ксильную группу. Существенное
значение ОН-группы серина для акта катализа было доказано, кроме того, химическим ее
блокированием или удалением, когда эстеразы полностью лишались ферментативной
активности.
Номенклатура ферментов
Классификация ферментов. Исторически многим ферментам присваивались тривиальные
названия, часто не связанные с типом катализируемой реакции. Для преодоления возникших
трудностей в сер. 20 в. были разработаны классификации и номенклатура ферментов. По
рекомендации Международного биохим. союза, все ферменты в зависимости от типа
катализируемой р-ции делят на 6 классов: 1-й - оксидоредуктазы, 2-й - трансферазы, 3-й гидролазы, 4-й - лиазы, 5-й - изомеразы и 6-й - лигазы. Каждый класс делится на подклассы,
в соответствии с природой функц. групп субстратов, подвергающихся хим. превращению.
Подклассы, в свою очередь, делятся на подпод-классы в зависимости от типа участвующего
в превращении фермента. Каждому достаточно охарактеризованному ферменту
присваивается классификационный номер из 4 цифр, обозначающих класс, подкласс,
подподкласс и номер самого ферменты Напр., a-химотрипсин имеет номер 3.4.21.1. К
оксидоредуктазам относятся катализирующие окислительно-восстановительные реакции.
Ферменты этого типа переносят атомы H или электроны. Многие оксидоредуктазы являются
ферментами дыхания и окислительного фосфорилирования. Трансферазы катализируют
перенос функциональных групп (CH3, COOH, NH2, CHO и др.) от одной молекулы к другой.
Гидролазы катализируют гидролитическое расщепление связей (пептидной, гликозидной,
эфирной, фосфодиэфирной и др·)·
Л и а з ы катализируют негидролитическое отщепление групп от субстрата с образованием
двойной связи и обратные р-ции. Эти ферменты могут отщеплять CO2, H2O, NH3 и др.
Изомеразы катализируют образование изомеров субстрата, в т. ч. цис-, транс-изомеризацию,
перемещение кратных связей, а также групп атомов внутри молекулы.
Л и г а з ы - ферменты, катализирующие присоединение двух молекул с образованием новых
связей (С — С, С — S, С — О, С — N и др.), как правило, сопряженное с расщеплением
пирофос-фатной связи, напр. у АТФ.
Особенности строения ферментов. Молекулярная масса ферментов составляет от 104 до 1010
и более. Чаще всего встречаются ферменты с мол. м. 20-60 тыс., более крупные обычно
состоят из неск. одинаковых (гомомеры) или разных (гетеромеры) субьеди-ниц, связанных
между собой нековалентными связями. Субъединица может состоять из двух и более цепей,
соединенных дисульфидными связями.
Вопросы для самоконтроля.
1. Состав и строение ферментов
2.Механизм ферментативного катализа
3.Номенклатура ферментов
Рекомендуемая литература:
1. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии..-М.: Высшая школа, 1969.
2. Строев Е.А. Биологическая химия, 1986
3. Березов Т.Т. и др. Биологическая химия. М.: Медицина, 1990
4. Березин И.В., Исследования в области ферментативного катализа и инженерной
этимологии, M., 1990.
22
Лекция №7-8. Липиды и углеводы
Цель: ознакомиться с общей характеристикой класса липидов,
классификацию их строению и свойствам.
Основные вопросы:
1. Общая характеристика класса липидов
2. Общая характеристика класса углеводов
3. Строение и свойства моносахаридов, дисахаридов и полисахаридов
углеводов;
дать
Краткое содержание:
Общая характеристика класса липидов
ЛИПИДЫ (от греч. lipos - жир), 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
орг. р-рителями, как хлороформ, диэтиловый эфир или бензол. В нек-рых случаях липиды
рассматривают как производные жирных кислот и родственных им соед. или как любые
прир. амфифильные в-ва (их молекулы содержат как гидрофильные, так и гидрофобные
группировки). Ни одно из этих определений не является исчерпывающим. Следует ли
причислять к липидам терпеноиды, жирорастворимые витамины и гормоны, остается
спорным. Классификация липидов. В соответствии с химическим строением различают три
основные группы липидов: 1) жирные к-ты и продукты их ферментативного окисления, 2)
глицеролипиды (содержат в молекуле остаток глицерина), 3) липиды, не содержащие в
молекуле остаток глицерина (за исключением соед., входящих в первую группу). В первую
группу входят наряду с жирными к-тами простагландины и др. гидроксикислоты; во вторую
- моно-, ди- и триглицериды и их алкил- и 1-алкенил (плазмалогены)замещенные аналоги, а
также гликозилдиглицериды и большинство фосфолипидов; в третью группу входят
сфинголипиды, стерины и воски. По др. классификации (она приведена на схеме), липиды
подразделяют на нейтральные липиды, фосфолипиды и гликолипиды. В организмах
встречаются также многочисл. типы минорных липидов - фосфатидилглицерин,
липопептиды, липополисахариды, диольные липиды и др. В липидных экстрактах часто
присутствуют продукты частичного гидролиза липидов - лизофосфолипиды и своб. жирные
к-ты, а также продукты автоокисления и ферментативного окисления последних, в т.ч.
разнообразные продукты превращ. арахидоновой к-ты - т. наз. эйкозаноиды
(простагландины,
лепкотриены
и
др.).
Структура. Наиболее распространенные типы липидов - глицеролипиды и производные
сфингозина СН3(СН2)12СН=CHCH(OH)CH(NH2)CH2OH. 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
к-ты (свободной или этерифицированной холимом, этаноламином, серином, глицерином или
миоинозитом), либо с остатками сахаров, как у гликозиллиглицеридов. Положение
заместителей в молекуле глицерина обозначают по т. наз. системе стереоспецифич.
нумераций: если в фишеровской проекции вторичная гидроксигруппа глицеринового остатка
находится слева, то углеродным атомам, расположенным выше и ниже этой группы,
присваивают соотв. номера 1 и 3, снабдив их индексом sn. Наряду с
диацилглицерофосфолипидами распространены глицсрофосфолипиды, содержащие в
положении sn-1-алкильные или 1-алкенильные заместители. В водных средах липиды
образуют бислойные, гексагональные или мицеллярные структуры. В бислоях (см.
Липидный бислой) насыщ. углеводородные цепи липидов, как правило, находятся в
зигзагообразной
конформации
и
расположены
параллельно
друг
другу.
23
Ненасыщ. углеводородные цепи липидов содержат одну или неск. этиленовых связей, к-рые,
как правило, имеют цис-конфигурацию. При наличии двойных связей зигзагообразная
конформация нарушается. В молекулах цвиттерионных фосфолипидов (напр.,
фосфатидилхолина и фосфатидилэтаноламина) полярная группировка ("головка")
расположена перпендикулярно осям ацильных цепей, а в молекулах отрицательно
заряженных фосфолипидов (напр., фосфатидилсерина) полярные головки направлены
параллельно оси ацильных цепей. У фосфосфинголипидов оси ацильных цепей и
сфингозинового
остатка
также
расположены
параллельно
друг
другу.
цепями.
Биологические функции липидов. В полной мере биол. роль липидов еще не выяснена.
Нейтральные липиды (жиры) представляют собой форму депонирования метаболич. энергии.
Фосфолипиды, гликолипиды и стерины - структурные компоненты мембран биологических;
оказывают влияние на множество мембранных процессов, в т. ч. на транспорт ионов и
метаболитов, активность мембраносвязанных ферментов, межклеточные взаимод. и
рецепцию. Нек-рые гликолипиды -рецепторы или корецепторы гормонов, токсинов, вирусов
и др. Фосфатидилинозиты участвуют в передаче биол. сигналов. Эйкозаноиды высокоактивные
внутриклеточные
регуляторы,
межклеточные
медиаторы
и
иммуномодуляторы, участвующие в развитии защитных реакций и воспалительных
процессов.
Общая характеристика класса углеводов
УГЛЕВОДЫ (сахара), обширная группа полигидроксикарбонильных соединений, входящих
в состав всех живых организмов; к углеводам относят также многие производные,
получаемые при химических модификации этих соединений путем окисления,
восстановления или введения разл. заместителей. Термин "углеводы" возник потому, что
первые известные представители углеводов по составу отвечали формуле C mH2nOn (углерод+вода); впоследствии были обнаружены природные углеводы с др. элементным составом.
Классификация и распространение. Углеводы принято делить на моносахариды,
олигосахариды и полисахариды. Моносахариды обычно представляют собой полигидроксиальдегиды (альдозы) или полигидроксикетоны (кетозы) с линейной цепью из 3-9
атомов С, каждый из к-рых (кроме карбонильного) связан с группой ОН. Простейший
моноса-харид, глицериновый альдегид, содержит один асим. атом С и известен в виде двух
оптич. антиподов (D и L). Прочие моносахариды имеют неск. асим. атомов С; их
рассматривают как производные D- или L-глицеринового альдегида и относят к D- или Lряду в соответствии с абс. конфигурацией асим. атома С, наиб. удаленного от карбонильной
группы. Различия между изомерными моносахаридами в каждом ряду обусловлены относит,
конфигурацией остальных асим. центров. Характерное свойство моносахаридов в р-рах мутаротация, т. е. установление таугомерного равновесия между ациклич. альдегидо- или
кетоформой, двумя пятичленными (фураноз-ными) и двумя шестичленными (пиранозными)
полуацеталь-ными формами. Две пиранозы (как и две фуранозы) отличаются друг от друга
конфигурацией (a или b) нового асим. (аномерного) центра, возникающего из карбонильного
атома С при циклизации. Полуацетальный (гликозидный) гидроксил циклич. форм
моносахаридов резко отличается от прочих групп ОН моносахарида значительно большей
24
склонностью к реакциям нуклеофильного замещения. Такие реакции приводят к
образованию гликозидов (остаток нуклеофила в гликозиде - напр. спирта. меркаптана - носит
назв. агликон). В тех случаях, когда агликоном служит др. молекула моносахарида,
образуются олиго- и полисахариды. При этом каждый остаток моносахарида может в
принципе иметь пиранозную или фуранозную форму, a-конфигурацию гликозидного
центра и быть связанным с любой из гидроксильных групп соседнего моносахарида.
Поэтому число различных по строению полимерных молекул, к-рые теоретически можно
построить даже из остатков только одного моносахарида, представляет собой
астрономическую величину.К наиболее обычным и распространенным в природе моносахаридам относят D-глюкозу, D-галактозу, D-маннозу, D-фрук-тозу, D-ксилозу, L-арабинозу и
D-рибозу. Из представителей др. классов моносахаридов часто встречаются: 1) дезоксисахара, в молекулах к-рых одна или неск. групп ОН заменены атомами H (напр., L-рамноза, Lфукоза, 2-дезокси-D-рибоза); 2) аминосахара, где одна или неск. групп ОН заменены на
аминогруппы (напр., 2-амино-2-дезокси-D-глюкоза, или D-глюкозамин); 3) многоатомные
спирты (полиолы, альди-ты), образующиеся при восстановлении карбонильной группы
моносахаридов (D-сорбит из D-глюкозы, D-маннит из D-маннозы, и др.); 4) уроно-вые
кислоты - альдозы, у к-рых группа CH2OH окислена в карбоксильную (напр., Dглюкуроновая к-та); 5) разветвленные сахара, содержащие нелинейную цепь углеродных
атомов; 6) высшие сахара с длиной цепи более шести атомов С (напр., D-седогеп-тулоза и
сиаловые кислоты. За исключением D-глюкозы и D-фруктозы своб. моносахариды
встречаются в природе редко. Обычно они входят в состав разнообразных гликозидов,
олиго- и полисахаридов и м. б. получены из них после кислотного гидролиза. Разработаны
многочисл. методы хим. синтеза редких моносахаридов исходя из более доступных.
Олигосахариды содержат в своем составе от 2 до 10-20 моносахаридных остатков, связанных
гликозидными связями. Наиб, распространены дисахариды, выполняющие функцию
запасных B-B: сахароза в растениях, трегалоза в насекомых и грибах, лактоза в молоке
млекопитающих. Известны многочисленные гликозиды олигосахаридов, к которым относят
различные физиологически активные вещества, напр, гликозиды сердечные, некоторые
сапонины (в растениях), мн. антибиотики (в грибах и бактериях), гликолипиды.
Полисахариды- высокомолекулярные соединения, линейные или разветвленные молекулы
которых построены из остатков моносахаридов, связанных гликозидными связями. В состав
полисахаридов могут входить также заместители неуглеводной природы (остатки алифатич.
к-т, фосфат, сульфат). В свою очередь цепи высших олигосахаридов и полисахаридов могут
присоединяться к полипептидным цепям с образованием гликопротеинов. Особую группу
составляют биополимеры, в молекулах к-рых остатки полиолов, гликозилполиолов,
нуклеозидов или моно- и олигосахаридов соединены не гликозидными, а фосфодиэфирными связями. К этой группе относят тейхоевые кислоты бактерий, компоненты
клеточных стенок нек-рых дрожжей, а также нуклеиновые кислоты, в основе к-рых лежит
поли-D-рибозофосфатная (РНК) или поли-2-дезок-си-D-рибозофосфатная (ДНК) цепь.
Физико-химические свойства. Обилие полярных функциональнвых групп в молекулах
моносахаридов приводит к тому, что эти в-ва легко раств. в воде и не раств. в малополярных
органических растворителях. Способность к таутомерным превращениям обычно затрудняет
кристаллизацию моно- и олигосахаридов, однако если такие превращения невозможны
(напр., как в гликозидах и невосстанавливающих олигосахаридах типа сахарозы), то в-ва
кристаллизуются легко. Mн. гликозиды с малополярными агликонами (напр., сапонины)
проявляют св-ва ПАВ. Полисахариды - гидрофильные полимеры, мн. из них образуют
высоковязкие водные р-ры (растит, слизи, гиалуроно-вая к-та; ф-лу последней см. в ст.
Мукополисахариды), а в ряде случаев (в результате своеобразной межмол. ассоциации) прочные гели (агар, алъгиновые кислоты, каррагинаны, пектины). Нек-рые полисахариды
образуют высокоупорядоченные надмолекулярные структуры, препятствующие гидратации
отдельных молекул; такие полисахариды (напр., хитин, целлюлоза)не раств. в воде.
Биологическая роль. Ф-ции углеводов в живых организмах чрезвычайно многообразны. В
25
растениях моносахариды являются первичными продуктами фотосинтеза и служат
исходными соед. для биосинтеза гликозидов и полисахаридов, а также др. классов B-B
(аминокислот, жирных K-T, фенолов и др.). Эти превращения осуществляются ферментами,
субстратами для к-рых служат, как правило, богатые энергией фос-форилир. производные
Сахаров, гл. обр. нуклеозиддифосфат-сахара. Углеводы запасаются в растениях (в виде
крахмала), животных, бактериях и грибах (в виде гликогена), где служат энергетич.
резервом. Источником энергии являются р-ции расщепления глюкозы, образующейся из этих
полисахаридов, по гликоли-тич. или окислит. пути (см. Гликолиз). В виде гликозидов в
растениях и животных осуществляется транспорт разл. метаболитов. Полисахариды и более
сложные углеводсодержащие полимеры выполняют в живых организмах опорные ф-ции.
Жесткая клеточная стенка у высших растений представляет собой сложный комплекс из
целлюлозы, гемицеллюлоз и пектинов. Армирующим полимером в клеточной стенке
бактерий служат пептидогликаны (муреины), а в клеточной стенке грибов и наружных
покровах членистоногих - хитин. В организме животных опорные ф-ции выполняют протеогликаны соединит, ткани, углеводная часть молекул к-рых представлена сульфатир.
мукополисахаридами. Эти в-ва участвуют в обеспечении специфич. физ.-хим. CB-B таких
тканей, как кости, хрящи, сухожилия, кожа. Будучи гидрофильными полианионами, эти
полисахариды способствуют также поддержанию водного баланса и избират. ионной
проницаемости клеток. Аналогичные ф-ции в морских многоклеточных водорослях
выполняют сульфатир. галактаны (красные водоросли) или более сложные сульфатир.
гетерополисахари-ды (бурые и зеленые водоросли); в растущих и сочных тканях высших
растений эту ф-цию выполняют пектины. Особенно ответственна роль сложных углеводов в
образовании клеточных пов-стей и мембран и придании им специфич. св-в. Так,
гликолипиды - важнейшие компоненты мембран нервных клеток и оболочек эритроцитов, а
липополисахариды -наружной оболочки грамотрицат. бактерий. Углеводы клеточной повсти часто определяют специфичность иммунологич. р-ций (групповые в-ва крови,
бактериальные антигены) и взаимод. клеток с вирусами. Углеводные структуры принимают
участие и в др. высокоспецифич. явлениях клеточного взаимод., таких, как оплодотворение,
узнавание клеток при тканевой дифференциации, отторжение чужеродных тканей и т. д.
Строение и свойства моносахаридов, дисахаридов и полисахаридов
МОНОСАХАРИДЫ, углеводы, представляющие собой по-лигидроксиальдегиды (альдозы)
и полигидроксикетоны (кетозы) общей ф-лы СnН2nОn (п = 3-9), в которых каждый атом С
(кроме карбонильного) связан с группой ОН, и производные этих соединений, содержащие
различные др. функц. группы, а также атом Н вместо одного или неск. гидроксилов. По
числу атомов С различают низшие моносахариды (триозы и тетрозы; содержат в цепи соотв.
3 и 4 атома С), обычные (пентозы и гексозы) и высшие (гептозы, октозы, нонозы).
Углеродные атомы в молекулах моносахаридов нумеруют таким образом, чтобы атом С
карбонильной группы имел наименьший номер.
26
Другие моносахариды имеют несколько асимметрических атомов С; их рассматривают как
производные D- или L-глицеринового альдегида и относят к D- или L-ряду (абс.
конфигурация моносахаридов) в соответствии с конфигурацией предпоследнего (п — 1)
атома С.
27
Различия между изомерными моносахаридами в каждом ряду обусловлены относит.
конфигурацией остальных асим. центров; каждой относит. конфигурации в альдотетрозах,
альдопентозах и альдогексозах соответствует тривиальное назв. Моносахарида. Для
обозначения конфигураций высших Сахаров используют префиксы, образованные из таких
назв. (напр., L-глицеро-D-манно-гептоза; III). Стереохимические взаимоотношения между
моносахаридами хорошо иллюстрируются проекционными Фишера формулами, в к-рых
группа ОН располагается справа от вертикальной черты, обозначающей углеродную цепь,
если соответствующий асимметрических центр имеет D-конфигурацию, и слева, если он
имеет L-конфигурацию. Каждому представителю D-ряда соответствует его оптич. антипод,
относящийся к L-ряду, в к-ром все асим. центры имеют противоположную конфигурацию.
Общее число изомерных альдоз равно 2n, где п-число асим. атомов С в молекуле. Кетозы по
сравнению с альдозами с той же длиной углеродной цепи содержат на один асим. атом С
меньше. Однако у них встречается еще один вид изомерии, обусловленный разл.
положением карбонильной группы. У большинства прир. кетоз атом С карбонильной группы
занимает положение 2. Карбонильные группы моносахаридов легко реагируют
внутримолеку-лярно с группами ОН, образуя циклич. полуацетали. Последние могут
представлять собой пятичленный (фураноз-ная форма) или шестичленный (пиранозная
форма) цикл и отличаться конфигурацией образующегося на месте карбонильной группы
нового асим. центра (атом С этого асим. центра наз. а н о м е р н ы м, или г л и к о з и д н ы
м). Эту конфигурацию обозначают буквой а, если она совпадает с конфигурацией центра,
определяющего принадлежность моносахарида к D- или L-ряду, и буквой Р в
противоположном случае. Изомеры, различающиеся лишь конфигурацией аномерного атома,
наз. а н о м е р а м и, а изменение конфигурации при этом атоме-а н о м е р и з а ц и е й. Для
изображения циклич. форм моносахаридов удобно пользоваться Хоуорса формулами (см.,
напр., ф-лы IV и V-пиранозная и фуранозная формы кето-зы, а также рис. 3-циклич. ф-лы
альдозы).
В р-ре каждый моносахарид находится в виде смеси таутомеров (напр., рис. 3), соотношение
между к-рыми в состоянии равновесия определяется их термодинамич. устойчивостью; в
большинстве случаев преобладают пиранозные формы, а ациклические присутствуют в
следовых кол-вах. Напротив, моносахариды в кристаллич. состоянии представлены одной из
тауто-мерных форм. Растворение кристаллов сопровождается таутомерными превращ., за
протеканием к-рых можно следить по изменению во времени величины оптич. вращения (это
явление наз. мутаротацией).
28
Таутомерное
равновесие
D-глюкозы.
Фуранозные
формы
моносахаридов
термодинамически менее выгодны, чем пиранозные, поскольку в практически плоском
пятичленном цикле заместители вынуждены находиться в нестабильной заслоненной
конформации. Напротив, шести-членные циклы имеют кресловидную форму, в к-рой
заместители при соседних атомах С занимают более выгодные положения, соответствующие
скошенной конформации. Существуют два типа кресловидной конформации пираноз-1С4 и
4
C1 (цифры в верх. и ниж. индексах показывают номера атомов С, находящихся соотв. в верх.
и ниж. положениях кресла). Более устойчивым является кресло с наим. числом объемистых
аксиальных группировок. Поэтому для большинства альдогексоз D-ряда предпочтительным
является кресло 4C1 с экваториальной группой СН2ОН и только для D-идозы в равновесии
преобладает конформа-ция 1С4 (влияние накопления аксильных групп ОН):
На относит. устойчивость a- и b-форм кроме пространств. факторов влияют дипольдипольные взаимод.-аномерный эффект, в результате к-рого заместитель при аномерном
атоме стремится занять аксиальное положение (особенно в малополярных р-рителях), и D229
эффект, заключающийся в повыш. нестабильности конформера с экваториальным
заместителем у аномерного атома при наличии аксиального гидроксила в положении 2.
Кроме того, на относит. устойчивость a- и b-форм влияют водородные связи, к-рые могут
играть стабилизирующую роль в относительно малополярных р-рителях, и нек-рые др.
факторы. Кроме обычных известно неск. групп моносахаридов, отличающихся
своеобразным набором функц. групп или структурой углеродной цепи. К ним относятся
дезоксисахара (одна или неск. групп ОН замещены на атомы Н), аминосахара (одна или неск.
групп ОН замещены на аминогруппы), урановые кислоты (группа СН2ОН окислена в
карбоксильную), разветвленные сахара (имеют разветвленную углеродную цепь с
метильной, гидроксиметильной или альдегидной группой в качестве ответвлений), высшие
2-кето-З-дезоксиальдоновые к-ты, в т.ч. сиаловые к-ты - производные 2-кето-3,5-дидез-окси5-амино-D-глицеро-D-галакто-нононовой (нейраминовой) кислоты. ОЛИГОСАХАРИДЫ,
углеводы, молекулы к-рых построены из неск. моносахаридных остатков (от 2 до 10-20),
соединенных гликозидными связями (экзоциклич. связь ано-мерного атома С моносахарида с
атомом О соседнего моносахаридного остатка). В соответствии со степенью полимеризации
различают дисахариды (биозы), трисахари-ды (триозы), тетрасахариды (тетраозы) и т.д. В
состав
олигосахаридов
могут
входить
остатки
к.-л.
одного
моносахарида
(гомоолигосахариды) или разных моносахаридов (гете-роолигосахариды). Каждый
моносахаридный остаток может находиться в одной из четырех возможных циклич. форм ( и -фураноза, - и -пираноза; см. Моносахариды)и соединяться гликозидной связью с
любой гидроксильной группой соседнего остатка (включая полуацетальный гидроксил).
Отсюда следует, что даже из двух одинаковых гексоз можно построить 30, а из двух разных
гексоз-56 изомерных диса-харидов; три разные гексозы теоретически дают 4896 изомерных
трисахаридов; с ростом степени полимеризации число возможных изомеров быстро
достигает астрономич. величин. Если в молекуле олигосахарида все гликозидные связи
образованы полуацетальным гидроксилом одного и спиртовым гидро-ксилом другого
моносахаридного остатка, в конце цепи остается один незамещенный полуацетальный
гидроксил, за счет к-рого олигосахарид проявляет св-ва карбонильных соед., характерные
для моносахаридов (р-ции окисления и восстановления, мутаротацию и др.); такие
олигосахариды наз. восстанавливающими (редуцирующими). Если же один из
моносахаридных остатков в молекуле олигосахарида связан гликозидной связью с
полуацетальным гидроксилом другого моносахарида, такие олигосахариды не содержат
полуацетального гидроксила и наз. невосстанавливающими (нередуцирующими).
Олигосахариды, в к-рых к спиртовым гидроксилам каждого моносахаридного остатка
присоединено не более одного соседнего остатка, наз. линейными (неразветвленными);
присоединение двух и более моносахаридов к спиртовым гидроксилам одного и того же
моносахаридного остатка приводит к разветвлению олигосахаридов. Т. обр., уже
трисахариды могут иметь разветвленную структуру. Моносахаридные остатки,
расположенные на концах углеводных цепей, наз. концевыми (терминальными). В
восстанавливающих олигосахаридах различают концевой восстанавливающий моносахарид
(он м. б. только один) и концевые невосстанавливающие моносахариды (их на единицу
больше, чем точек разветвлений). Строгая номенклатура олигосахаридов весьма громоздка.
Название олигосахарида образуется по типу О-замещенных производных моносаха-ридов,
исходя из названия восстанавливающего звена с указанием всех имеющихся заместителей;
для невосстанавливающих олигосахаридов номенклатура аналогична номенклатуре гликозидов. В названиях линейных олигосахаридов часто применяется последовательное
перечисление моносахаридных остатков с указанием типа связи между ними. Весьма
употребительны тривиальные названия олигосахаридов, обычно связанные с источником
получения в-ва, и способы сокращенной записи структур, в к-рых моносахаридные остатки
обозначаются тремя буквами, абс. конфигурации - буквами D или L, размер цикла - буквами
f (фураноза) или р (пираноза), конфигурации гликозидных центров-буквами или ; цифры
в скобках обозначают положения гидроксильных групп, участвующих в межмоно-мерной
30
связи; направление гликозидной связи указывается стрелкой (знак ~ обозначает, что
моносахарид может иметь
- или
-конфигурацию). Примеры олигосахаридов:
невосстанавливающий
дисахарид
-трегалоза
( -D-глюкопиранозил- -Dглюкопиранозид; ф-ла Г), восстанавливающие дисахариды лактоза (4-О- -Dгалактопиранозил-D-глюкоза; II) и мальтоза, или солодовый сахар (4-О- -Dглюкопиранозил-D-глюкоза; III), разветвленный гетеротрисахарид солатриоза (2-О- -Lрамнопиранозил-3-О- -D-глюкопиранозил-D-га-лактоза; IV), линейный гомотрисахарид
мальтотриоза [О- -D-глюкопиранозил-(1 4)-О- -D-глюкопиранозил-(1
4)-D-глюкоза;
V].
Главным источником получения разнообразных олигосахаридов служат р-ции частичного
(химического или ферментативного) расщепления прир. полисахаридов, гликолипидов и
гликопро-теинов. Однако существует неск. групп олигосахаридов, встречающихся в природе
в своб. состоянии. Группа сахарозы широко представлена в растениях, где выполняет роль
легкомобили-зуемого энергетич. резерва. Кроме сахарозы в эту группу входят
олигосахариды, образовавшиеся путем гликозилирования молекулы сахарозы остатками Dфруктозы (Fru), D-глюкозы (Glc) или D-галактозы (Gal), а также в результате последующего
частичного гидролиза этих высших олигосахаридов. Олигосахариды группы лактозы
содержатся в молоке млекопитающих; известно неск. десятков олигосахаридов этой группы,
к-рые представляют собой продукты гликозилирования молекулы лактозы остатками Lфукозы (Fuc), N-ацетил-D-глюкозамина (GlcNAc), D-галактозы, N-ацетилнейраминовой к-ты
(NeuNAc; все сахара в пиранозной форме). Обращает на себя внимание сходство этих
31
олигосахаридов с углеводными цепями гликолипидов и гликопротеинов животных тканей.
Одна из ф-ций олигосахаридов группы лактозы - формирование бактериальной флоры в
кишечнике
новорожденных,
необходимой
для
нормального
пищеварения.
ПОЛИСАХАРИДЫ (гликаны), полимерные углеводы, молекулы к-рых построены из
моносахаридных остатков, соединенных гликозидными связями. Степень полимеризации
полисахаридов составляет от 10-20 до неск. тысяч остатков. Каждый моносахаридный
остаток в составе полисахаридов может находиться в пиранозной или фуранозной форме и
иметь а- или р-конфигурацию гликозидного центра (см. Моносахариды). Моносахаридный
остаток способен образовывать одну гликозидную связь с соседним моносахаридом, но
может предоставить неск. гидроксильных групп для присоединения др. моносахаридов. В
соответствии с этим, как и в случае олигосахаридов, молекулы полисахаридов могут быть
линейными
или
разветвленными.
Линейные
полисахариды
имеют
один
невосстанавливающий и один восстанавливающий конец; в разветвленных полисахаридах
также м. б. только один восстанавливающий конец, тогда как число невосстанавливающих
концевых моносахаридных остатков на 1 превышает число разветвлений. Благодаря
гликозидной гидроксигруппе восстанавливающего конца молекулы полисахариды могут
присоединяться к молекулам неуглеводной природы, напр. к белкам и пептидам с
образованием гликопротеинов и протеогликанов, к липидам с образованием
липополисахаридов и гликолипидов и т.д.; в сравнительно редких случаях наблюдается
образование циклических полисахаридов. Гидрокси-, карбокси- и аминогруппы
моносахаридных остатков, входящих в полисахариды, в свою очередь могут служить
местами присоединения неуглеводных группировок, таких, как остатки орг. и неорг. к-т (с
образованием ацетатов, сульфатов, фосфатов и др.), пировиноградной к-ты (образующей
циклич. ацетали), метанола (образующего сложные эфиры с уроновыми к-тами) и т.д.
Полисахариды, построенные из остатков только одного моносахарида, наз.
гомополисахаридами (гомогликанами); в соответствии с природой этого моносахарида
различают глю-каны, маннаны, галактаны, ксиланы, арабинаны и др. Полное название
полисахарида должно содержать информацию об абс. конфигурации входящих в его состав
моносахаридных остатков, размере циклов, положении связей и конфигурации гликозидных
центров. Полисахариды, построенные из остатков двух и более моносахаридов, наз.
гетерополисахаридами
(гетерогликанами).
К
ним
относятся
глюкоманнаны,
арабиногалактаны, араби-ноксиланы и др. Строгие назв. гетерогликанов (а также и
гомополисахаридов, содержащих разветвления или неск. типов связей) громоздки и
неудобны в употреблении; обычно пользуются широко распространенными тривиальными
назв. (напр., гепарин, гликоген, инулин, ламтаран, хитин), а для изображения структурных фл часто применяют сокращенную запись. Полисахариды в природе составляют главную
массу орг. в-ва, находящегося в биосфере Земли. Они выполняют в живых организмах три
важнейших типа биол. ф-ций, выступая в роли энергетич. резерва, структурных компонентов
клеток и тканей или же защитных в-в. Хорошо известными резервными полисахаридами
являются крахмал, гликоген, фруктаны, галактоманнаны и нек-рые р-глюканы. Эти
полисахариды способны быстро гидролизоваться имеющимися в клетках ферментами, и их
содержание сильно зависит от условий существования и стадии развития организма.
Структурные полисахариды можно разделить на два класса. К первому относят
нерастворимые в воде полимеры, образующие волокнистые структуры и служащие
армирующим материалом клеточной стенки (целлюлоза высших растений и нек-рых
водорослей, хитин
-D-D-ман-наны нек-рых водорослей и высших
растений). Ко второму классу относят гелеобразующие полисахариды, обеспечивающие
эластичность клеточных стенок и адгезию клеток в тканях. Характерными представителями
этого класса полисахаридов являются сульфатир. гликозаминогликаны (мукополисахариды)
соединит. ткани животных, сульфатир. галактаны красных водорослей, альгиновые к-ты,
пектины и нек-рые гемицеллюло-зы высших растений. К защитным полисахаридам относят
камеди высших растений (гетеро-полисахариды сложного состава и строения),
32
образующиеся в ответ на повреждение растит. тканей, и многочисл. внеклеточные
полисахариды микроорганизмов и водорослей, образующие защитную капсулу или
модифицирующие св-ва среды обитания клеток.
Вопросы для самоконтроля:
1. Общая характеристика класса липидов
2. Общая характеристика класса углеводов
3. Строение и свойства моносахаридов, дисахаридов и полисахаридов
Рекомендуемая литература:
1. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии..-М.: Высшая школа, 1969.
2. Строев Е.А. Биологическая химия, 1986
3. Березов Т.Т. и др. Биологическая химия. М.: Медицина, 1990
Лекция №9-11. Коферменты, витамины и некоторые другие биологические активные
соединения
Цель: ознакомиться с общей характеристикой витаминов и коферментов, дать
классификацию и номенклатуру витаминов; ознакомиться с химической природой и
механизмом действия некоторых коферментов.
Основные вопросы:
1. Витамины. Классификация витаминов.
2. Жирорастворимые витамины и их биохимическая функция.
3. Водорастворимые витамины и их биохимическая функция.
4. Общая характеристика коферментов. Химическая природа и механизм действия.
Краткое содержание:
ВИТАМИНЫ (от лат. vita - жизнь), низкомол. орг. соединения разл. хим. природы,
необходимые для осуществления жизненно важных биохим. и физиол. процессов в живых
организмах. Организм человека и животных не синтезирует витамины или синтезирует в
недостаточном кол-ве и поэтому должен получать их в готовом виде с пищей. Витамины
обладают исключительно высокой биол. активностью и требуются организму в очень
небольших кол-вах: от неск. мкг до неск. мг в день.
Классификация и номенклатура. Известно ок. 20 соед., к-рые могут быть отнесены к
витаминам. Различают водорастворимые и жирорастворимые витамины. К первым относят
витамин С, витамины группы В (тиамин, или витамин В1, рибофлавин, или витамин В2,
витамин В6, витамин В12), фолацин, пантотеновую кислоту и биотин. К жирорастворимым
витаминам относят витамин А, витамин D, витамин Е.
Наряду с витаминами, необходимость к-рых для человека и животных бесспорно
установлена, в пище содержатся биологически активные в-ва, дефицит к-рых не приводит к
обнаруживаемым нарушениям в организме или к-рые по своим ф-циям ближе не к
витаминам, а к другим незаменимым пищ. в-вам (незаменимым аминокислотам,
полиненасыщ. жирным к-там). Эти в-ва наз. витаминоподобными. К ним обычно относят
биофлавоноиды, холин, инозиты, липоевую кислоту, оротовую кислоту, пангамовую кислоту
и n-аминобензойную к-ту (см. Аминобензойные кислоты).
Соед., к-рые не являются витаминами, но могут служить предшественниками их образования
в организме, наз. провитаминами. К ним относятся, напр., каротины, расщепляющиеся в
организме с образованием витамина А, нек-рые стерины (эргостерин, 7-дегидрохолестерин и
др.), превращающиеся в витамин D.
Ряд витаминов представлен не одним, а неск. соед., обладающими сходной биол.
активностью (витамеры), напр. витамин В6 включает пиридоксин, пиридоксаль и
пиридоксамин. Для обозначения подобных групп родств. соед. используют слово "витамин"
с буквенными обозначениями (витамин А, витамин Е и т.п.). Для индивидуальных соед.,
обладающих витаминной активностью, рекомендуется использовать рациональные названия,
33
отражающие их хим. природу, напр. ретиналь (альдегидная форма витамина А),
эргокальциферол и холекалыдиферол (формы витамина D).
Биологическое действие. Специфич. ф-ция водорастворимых витаминов (кроме
аскорбиновой к-ты) в организме - образование коферментов и простетич. групп ферментов.
Так, тиамин в форме тиаминдифосфата - кофермент пируватдегидрогеназы,
кетоглутаратдегидрогеназы
и
транскетолазы;
витамин
В6 предшественник
пиридоксальфосфата (кофермента трансаминаз и др. ферментов азотистого обмена).
Связанные с разл. витаминами ферменты принимают участие во мн. важнейших процессах
обмена в-в: энергетич. обмене (тиамин, рибофлавин, витамин РР), биосинтезе и
превращениях аминокислот (витамин В6, В12), жирных к-т (пантотеновая к-та), пуриновых и
пиримидиновых оснований (фолацин), образовании мн. физиологически важных соед. ацетилхолина, стероидов и т.п.
Нек-рые жирорастворимые витамины также выполняют коферментные ф-ции. Так, витамин
А в форме ретина ля - простетич. группа зрительного белка родопсина. Витамин К
осуществляет коферментную ф-цию в р-ции карбоксилирования остатков глутаминовой кты в молекуле препротромбина и ряда др. белков, что придает им способность связывать
ионы Са. Ф-ции др. жирорастворимых витаминах: витамин Е стабилизирует и защищает
ненасыщ. липиды биол. мембран от окисления; витамин D необходим для осуществления
транспорта ионов Са и остатков фосфорной к-ты через клеточные барьеры в процессах их
всасывания в кишечнике, реабсорбции в почках и мобилизации из скелета.
Нек-рые аналоги и производные витамины (т. наз. антивитамины) могут занимать место
витамина в структуре фермента, однако не способны выполнять коферментную ф-цию, что
ведет к нарушению активности зависящих от данного витамина ферментов и развитию
соответствующей витаминной недостаточности. К антивитаминам относятся также в-ва,
связывающие или разрушающие витамины: ферменты тиаминаза I и II, инактивирующие
тиамин; белок яйца авидин, связывающий биотин, и др. Нек-рые антивитамины обладают
антимикробным или канцеростатич. действием. Так, сульфаниламидные препараты антагонисты n-аминобензойной к-ты, аминоптерин и метотрексат (противоопухолевые срва)-фолиевой к-ты.
Недостаточное поступление того или иного витамина с пищей ведет к его дефициту в
организме и развитию соответствующей болезни витаминной недостаточности. Различают
две осн. степени такой недостаточности: авитаминоз и гиповитаминоз. Первый
характеризуется глубоким дефицитом данного витамина в организме и развернутой клинич.
картиной его недостаточности (цинга, рахит, бери-бери, пеллагра, злокачеств. анемия и др.).
К гиповитаминозам относят состояния умеренного дефицита со стертыми неспецифич.
проявлениями (потеря аппетита, усталость, раздражительность) и отдельными т. наз.
микросимптомами (кровоточивость десен, гнойничковые заболевания кожи и др.). В этих
случаях биохим. тесты, напр. определение концентрации витаминов и активности
витаминзависимых ферментов в доступных анализу тканях и жидкостях организма,
выявляют недостаток того или иного витамина. Наряду с дефицитом одного к.-л. витамина
на практике более часто встречаются полигиповитаминозы и полиавитаминозы, при к-рых
организм испытывает недостаток неск. витаминов.
Прием ряда витаминов в дозах, существенно превышающих физиол. потребность, может
давать нежелательные побочные эффекты, а в ряде случаев вести к серьезным патологич.
расстройствам (гипервитаминозам). Особенно опасны в этом отношении витамины D и А.
Применение и получение. В большинстве стран существуют научно обоснованные и
утвержденные органами здравоохранения нормы потребления витаминов, к-рые
существенно зависят от возраста и пола человека, характера и интенсивности его труда (см.
табл.), а также от физиол. состояния (напр., для беременных женщин норма суточного
потребления витамина D возрастает в 5 раз, а фолацина - в 3 раза). Для нек-рых витаминов
рекомендуемые суточные нормы потребления не зависят от пола, а также характера и
интенсивности труда. К таким витаминам относятся витамин В12 (рекомендуемая норма 3
34
мкг/сут), фолацин (200 мкг/сут), витамин А (1000 мкг/сут), витамин Е [15 МЕ/сут; 1 ME
(международная единица) соответствует 1 мг D,L токоферола-витамера витамина Е],
витамин D (400 МЕ/сут; 1 ME соответствует 0,025 мкг эргокальциферола или
холекальциферола-витамеров витамина D).
Витамины широко используются в профилактич. и лечебных целях для коррекции их
недостаточного поступления с пищей, профилактики и лечения гипо- и авитаминозов.
Витамины и их производные применяют также как лек. ср-ва в случаях, не связанных
непосредственно с коррекцией витаминного дефицита, напр. ретиноевая к-та (витамер
витамина А) и ее производные - противоопухолевые ср-ва. Широкое применение витамины
находят в животноводстве.
ВИТАМИНЫ, РАСТВОРИМЫЕ В ЖИРАХ. Витамины группы А
Витамин А (ретинол; антиксерофтальмический витамин) хорошо изучен. Известны три
витамина группы А: А1, А2 и цис-форма витамина А1, названная неовитамином А. С
химической точки зрения ретинол представляет собой циклический непредельный
одноатомный спирт, состоящий из шестичленного кольца (β-ионон), двух остатков изопрена
и первичной спиртовой группы.
Витамин А2 отличается от витамина А1 наличием дополнительной двойной связи в кольце βионона. Все 3 формы витаминов группы А существуют в виде стереоизомеров, однако
только некоторые из них обладают биологической активностью. Витамины группы А
хорошо растворимы в жирах и жирорастворителях: бензоле, хлороформе, эфире, ацетоне и
др. В организме они легко окисляются при участии специфических ферментов с
образованием соответствующих цис- и транс-альдегидов, получивших название ретиненов
(ретинали), т.е. альдегидов витамина А; могут откладываться в печени в форме более
устойчивых сложных эфиров с уксусной или пальмитиновой кислотой.
Характерными симптомами недостаточности витамина А у человека и животных являются
торможение роста, снижение массы тела, общее истощение организма, специфические
поражения кожи, слизистых оболочек и глаз. Прежде всего поражается эпителий кожи, что
проявляется пролиферацией и патологическим ороговением его; процесс сопровождается
развитием фолликулярного гиперкератоза, кожа усиленно шелушится, становится сухой. В
результате начинаются вторичные гнойные и гнилостные процессы. При авитаминозе А
поражается также эпителий слизистой оболочки всего пищеварительного тракта,
мочеполового и дыхательного аппаратов. Характерно поражение глазного яблока – ксерофтальмия, т.е. развитие сухости роговой оболочки глаза (от греч. xeros – сухой, ophthalmos –
глаз) вследствие закупорки слезного канала, эпителий которого также подвергается
ороговению. Глазное яблоко не омывается слезной жидкостью, которая, как известно,
обладает бактерицидным свойством. В результате этого развиваются воспаления
конъюнктивы, отек, изъязвление и размягчение роговицы. Этот комплекс поражений
обозначают термином «кератомаляция» (от греч. keras – рог, malatia – распад); она
развивается очень быстро, иногда в течение нескольких часов. Распад и размягчение
роговицы связаны с развитием гнойного процесса, поскольку гнилостные микроорганизмы
при отсутствии слезной жидкости быстро развиваются на поверхности роговицы.
К наиболее ранним и специфическим симптомам авитаминоза А (гиповитаминоза А)
относится куриная, или ночная, слепота (гемералопия). Она выражается в потере остроты
зрения, точнее, способности различать предметы в сумерках, хотя больные днем видят
нормально.
35
Помимо гипо- и авитаминозов, описаны случаи гипервитаминоза А при употреблении в
пищу печени белого медведя, тюленя, моржа, в которой содержится много свободного
витамина А. Характерны проявления гипер-витаминоза А: воспаление глаз, гиперкератоз,
выпадение волос, общее истощение организма. При этом, как правило, отмечаются потеря
аппетита, головные боли, диспепсические явления (тошнота, рвота), бессонница.
Гипервитаминоз может развиться и у детей в результате приема больших количеств рыбьего
жира и препаратов витамина А. Описан острый гипер-витаминоз у детей после приема
больших доз витамина А, при этом повышается его содержание в крови.
Биологическая роль. Витамин А оказывает влияние на барьерную функцию кожи,
слизистых оболочек, проницаемость клеточных мембран и биосинтез их компонентов, в
частности определенных гликопротеинов. Действие витамина А в этих случаях связывают с
его вероятной причастностью к синтезу белка. Существует предположение, что благодаря
наличию двойных связей в молекуле витамин А может участвовать в окислительновосстановительных реакциях, поскольку он способен образовывать перекиси, которые в
свою очередь повышают скорость окисления других соединений.
Более подробно выяснено значение витамина А в процессе свето-ощущения. В этом важном
физиологическом процессе большую роль играет особый хромолипопротеин – сложный
белок родопсин, или зрительный пурпур, являющийся основным светочувствительным
пигментом сетчатки, в частности палочек, занимающих ее периферическую часть.
Установлено, что родопсин состоит из липопротеина опсина и простети-ческой группы,
представленной альдегидом витамина A1(ретиналь); связь между ними осуществляется через
альдегидную группу витамина и свободную ε-NH2-группу лизина молекулы белка с
образованием шиффова основания. На свету родопсин расщепляется на белок опсин и
ретиналь; последний подвергается серии конформационных изменений и превращению в
транс-форму. С этими превращениями каким-то образом связана трансформация энергии
световых лучей в зрительное возбуждение – процесс, молекулярный механизм которого до
сих пор остается загадкой. В темноте происходит обратный процесс – синтез родопсина,
требующий наличия активной формы альдегида – 11-цис-ретиналя, который может
синтезироваться из цис-ретинола, или транс-ретиналя, или транс-формы витамина А при
участии двух специфических ферментов – дегидрогеназы и изомеразы.
Таким образом, под действием кванта света родопсин через ряд промежуточных продуктов
(«оранжевый» и «желтый» белки) распадается на опсин и алло-транс-ретиналь,
представляющий собой неактивную форму альдегида витамина А. Имеются сведения, что
алло-транс-ретиналь может частично превращаться в активный 11-цис-ретиналь под
влиянием света (на схеме – пунктирная стрелка). Однако главным путем образования 11-цисретиналя является ферментативное превращение транс-формы витамина А в цис-форму (под
действием изомеразы) и последующее окисление ее при участии алкогольдегидрогеназы.
Следует отметить, что подобные зрительные циклы имеют место как в палочках, так и в
колбочках. Показано, что сетчатка содержит 3 типа клеток-колбочек, каждый из которых
наделен одним из трех цветочувстви-тельных пигментов, поглощающих синий, зеленый и
красный свет соответственно при 430, 540 и 575 нм. Оказалось, что все 3 пигмента,
получившие название иодопсинов, также содержат 11-цис-ретиналь, но различаются по
природе опсина (колбочные типы опсина). Некоторые формы цветовой слепоты
(дальтонизм) вызваны врожденным отсутствием синтеза одного из 3 типов опсина в
колбочках или синтезом дефектного опсина (люди не различают красный или зеленый цвет).
Распространение в природе и суточная потребность. Витамин А широко распространен.
Наиболее богаты этим витамином следующие продукты животного происхождения: печень
крупного рогатого скота и свиней, яичный желток, цельное молоко, масло, сметана, сливки.
Особенно много свободного витамина А в жирах печени морского окуня, трески, палтуса: в
частности, в жире печени морского окуня содержание витамина А доходит до 35%.
Источниками витамина А для человека являются также красно-мякотные овощи (морковь,
томаты, перец и др.), в которых витамин А содержится в виде провитаминов – каротинов,
36
выделенных впервые из моркови (от лат. carota – морковь). Известны 3 типа каротинов: α-, βи γ-каротины, отличающиеся друг от друга химическим строением и биологической
активностью. Наибольшей биологической активностью обладает β-каротин, поскольку он
содержит два β-иононовых кольца и при распаде в организме из него образуются две
молекулы витамина А.
При окислительном распаде α- и γ-каротинов образуется только по одной молекуле витамина
А, поскольку эти провитамины содержат по одному β-иононовому кольцу. Расщепление
каротинов на молекулы витамина А происходит преимущественно в кишечнике под
действием специфического фермента β-каротин-диоксигеназы (не исключена возможность
аналогичного превращения и в печени) в присутствии молекулярного кислорода. При этом
образуются 2 молекулы ретиналя, которые под действием специфической кишечной
редуктазы восстанавливаются в витамин А. Степень усвоения каротинов и свободного
витамина А зависит как от содержания жиров в пище, так и от наличия свободных желчных
кислот, являющихся абсолютно необходимыми соединениями для процесса всасывания
продуктов распада жиров.
Суточная потребность для взрослого человека составляет в среднем 2,7 мг витамина А или
от 2 до 5 мг β-каротина. У человека основным органом, в котором частично откладывается
про запас витамин А, является печень. В норме в ней содержится около 20 мг этого витамина
на 100 г ткани.
Витамины группы D
Витамин D (кальциферол; антирахитический витамин) существует в виде нескольких
соединений, различающихся как по химическому строению, так и по биологической
активности. Для человека и животных активными препаратами считаются витамины D2и D3,
хотя в литературе известен и витамин D4(дигидроэргокальциферол). В природных продуктах
содержатся преимущественно провитамины D2и D3– соответственно эрго-стерин и
холестерин.
В 1924 г. А. Гесс, М. Вейншток и независимо от них Г. Стинбок из растительных масел и
продуктов питания после воздействия на них УФ-лучами с длиной волны 280–310 нм
получили активный препарат, предотвращающий развитие рахита у детей. Оказалось, что
активное начало связано с каким-то стерином, который был идентифицирован с
эргостерином и назван витамином D1. В 1932 г. А. Виндаус выделил эргостерол из дрожжей
и показал, что истинным витамином D является не эргостерин, а продукт его превращения,
образующийся при УФ-облучении, который был назван витамином D2, или кальциферолом.
В 1956 г. Международная комиссия по химической номенклатуре предложила для витамина
D2новое название – «эргокальциферол».
С химической точки зрения эргостерин(ол) представляет собой одноатомный ненасыщенный
циклический спирт, в основе структуры которого лежит конденсированная кольцевая
система циклопентанпергидрофенантрена. Под действием УФ-лучей эргостерин через ряд
промежуточных продуктов (люмистерин, тахистерин) превращается в витамин D2
Витамин D2образуется из эргостерина в результате разрыва связи между 9-м и 10-м
углеродными атомами кольца В под действием УФ-лучей.
В 1936 г. в лаборатории А. Виндауса был выделен активный в отношении рахита препарат из
рыбьего жира и назван витамином D3. Выяснилось, что предшественником витамина
D3является не эргостерин, а холестерин. А. Виндаус в 1937 г. выделил из поверхностных
слоев кожи свиньи 7-дегидрохолестерин, который при УФ-облучении превращался в
активный витамин D3:
37
Следует отметить, что благодаря наличию холестерина и 7-дегидро-холестерина в составе
липидов кожи человека возможен синтез витамина D3при солнечном облучении или
облучении лампой ультрафиолетового излучения поверхности тела. Этим приемом особенно
широко пользуются при лечении рахита у детей.
Витамины D2и D3представляют собой бесцветные кристаллы с температурой плавления 115–
117°С, нерастворимые в воде, но хорошо растворимые в жирах, хлороформе, эфире и других
жирорастворителях.
Недостаток витамина D в рационе детей приводит к возникновению широко известного
заболевания – рахита, в основе развития которого лежат изменения фосфорно-кальциевого
обмена и нарушение отложения в костной ткани фосфата кальция. Поэтому основные
симптомы рахита обусловлены нарушением нормального процесса остеогенеза. Развивается
остеомаляция – размягчение костей. Кости становятся мягкими и под тяжестью тела
принимают уродливые О- или Х-образные формы. На костно-хрящевой границе ребер
отмечаются своеобразные утолщения – так называемые рахитические четки. У детей,
больных рахитом, относительно большая голова и увеличенный живот. Развитие последнего
симптома обусловлено гипотонией мышц. Нарушение процесса остеогенеза при рахите
сказывается также на развитии зубов; задерживаются появление первых зубов и
формирование дентина. Для авитаминоза D взрослых характерной особенностью является
развитие остеопороза вследствие вымывания уже отложившихся солей; кости становятся
хрупкими, что часто приводит к переломам.
Биологическая роль. Значение витамина D начинает проясняться в последнее время.
Получены доказательства, что при физиологических условиях кальциферолы функционально
инертны. По данным Г. де Лука и соавт., витамин D выполняет свои биологические функции
в организме в форме образующихся из него активных метаболитов, в частности 1,25диоксихолекальциферола
[сокращенно
обозначается
1,25(OH)2D3]
и
24,25диоксихолекальциферола [24,25(ОН)2D3] , причем если гидрокси-лирование в 25-м
положении осуществляется в печени, то этот процесс в 1-м положении протекает в почках.
Ферменты,
катализирующие
эти
реакции,
называются
гидроксилазами,
или
монооксигеназами. В реакциях гидрокси-лирования используется молекулярный кислород.
Показано, что специфическая lα-гидроксилаза содержится, помимо почек, в костной ткани и
плаценте. Имеются бесспорные доказательства, что именно эти активные метаболиты,
выполняя скорее гормональную, чем биокаталитическую, роль, функционируют в системе
гомеостатической регуляции обмена кальция и минерализации костной ткани. В частности,
1,25(OH)2D3участвует в регуляции процессов всасывания Са и Р в кишечнике, резорбции
костной ткани и реабсорбции Са и Р в почечных канальцах. Процессы остеогенеза и
ремоделирования костной ткани, напротив, регулируются 24,25(OH)2D3. Методом
ауторадиографии показано накопление 1,25(OH)2D3в ядрах клеток органов-мишеней (почки,
мозг, поджелудочная железа, гипофиз, молочная железа), где он способствует синтезу мРНК,
Са-связывающих белков и гормонов, регулирующих обмен кальция; в то же время он не
обнаруживается в печени, селезенке, скелетной и сердечной мышцах. Подтвердилось
предположение о существовании специфического внутриклеточного белка, являющегося
рецептором кальциферолов. Показано, что 1,25(OH)2D3вызывает дифференцировку
некоторых лейкозных клеток, что, по-видимому, указывает на возможную связь между
витаминами группы D и опухолевым ростом. Это не означает, однако, что функции витамина
38
D осуществляются только через ядерный аппарат клетки. Совсем недавно открыты новые
пути метаболизма витаминов группы D, включающие окисление в 23-м положении с
образованием 23,25(OH)2D3или 23-гид-роксилированной формы 1,25(OH)2D3. Более того, 24и 26-гидрокси-лированные метаболиты D3, в частности 1-оксипроизводные последних, по
биологическому действию оказались в 10 раз более активными, чем нативный 1,25(OH)2D.
Распространение в природе и суточная потребность. Наибольшее количество витамина
D3содержится в продуктах животного происхождения: сливочном масле, желтке яиц, печени
и в жирах, а также в рыбьем жире, который широко используется для профилактики и
лечения рахита. Из растительных продуктов наиболее богаты витамином D2растительные
масла (подсолнечное, оливковое и др.); много витамина D2в дрожжах. Для профилактики
рахита в детском возрасте, помимо полноценного питания, включающего масло, молоко,
жиры, мясо и другие продукты, рекомендуется УФ-облучение поверхности кожи (солнечное
облучение, лампы ультрафиолетового облучения), а также продукты растительного
происхождения, способствующие обогащению их витамином D. Суточная потребность в
витамине D для детей колеблется от 10 до 25 мкг (500–1000 ME) в зависимости от возраста,
физиологического состояния организма, соотношений солей фосфора и кальция в рационе и
др. Для взрослого человека достаточно минимального количества витамина D.
Случаи гипервитаминоза D у людей наблюдаются при «ударной» терапии рахита и
некоторых дерматозов (волчанка). Гипервитаминоз был отмечен после приема более 1500000
ME витамина D в сутки. Прием очень больших доз витамина D может вызвать смертельный
исход. У экспериментальных животных гипервитаминоз сопровождается увеличением
отложения гидроксилапатита в костях и некоторых внутренних органах. У собак, например,
отмечена кальцификация почек. Все эти симптомы исчезают после прекращения приема
витамина.
Витамины группы К
К витаминам группы К, согласно номенклатуре биологической химии, относятся 2 типа
хинонов с боковыми цепями, представленными изопре-ноидными звеньями (цепями):
витамины К1 и К2 . В основе циклической структуры обоих витаминов лежит кольцо 1,4нафтохинона. Заметим, что животные ткани наделены способностью синтеза боковых
изопреновых цепей, но не могут синтезировать нафтохиноновый компонент. У большинства
бактерий витамин К является компонентом дыхательной цепи вместо убихинона.
Для витамина К1 сохранено название «филлохинон», а для витаминов группы К2 введено
название «менахинон» с указанием числа изопреновых звеньев . В частности, для витамина
К2 рекомендовано название «мена-хинон-6», где цифра 6 указывает число изопреновых
звеньев в боковой цепи.
Витамин K1(филлохинон) впервые был изолирован из люцерны. Это производное 2-метил1,4-нафтохинона, содержащего в 3-м положении фитильный радикал, имеющий 20 атомов
углерода:
Витамин К2 открыт в растениях и в организме животных и содержит в боковой цепи от 6 до 9
изопреновых единиц.
Витамин K1представляет собой светло-желтую жидкость, неустойчивую при нагревании в
щелочной среде и при облучении, а витамин К2 – желтые кристаллы; он также неустойчив.
Оба препарата нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях:
бензоле, хлороформе, ацетоне, гексане и др.
Помимо витаминов K1и К2, некоторые производные нафтохинона обладают витаминными
свойствами и высокой антигеморрагической активностью. Так, синтетический аналог
39
витамина К, лишенный боковой цепи в положении 3, называют витамином К3 (менадион,
или 2-метил-1,4-нафто-хинон); фактически он является провитамином. Поскольку витамин
К3 нерастворим в воде, на его основе были синтезированы десятки растворимых в воде
производных, одно из которых нашло широкое применение в медицинской практике – это
синтезированная А . В . Палладиным натриевая соль бисульфитного производного витамина
К3 – викасол :
Витамин К является антигеморрагическим фактором, определенным образом связанным со
свертыванием крови: он существенно удлиняет его период. Поэтому при авитаминозе К
возникают самопроизвольные паренхиматозные и капиллярные кровотечения (носовые
кровотечения, внутренние кровоизлияния). Кроме того, любые поражения сосудов (включая
хирургические операции) при авитаминозе К могут привести к обильным кровотечениям. У
человека авитаминоз К встречается реже, чем другие авитаминозы. Объясняется это двумя
обстоятельствами: во-первых, смешанная пища довольна богата витамином К (витамины
группы К синтезируются в зеленых растениях и некоторыми микроорганизмами); во-вторых,
синтезируемого кишечной микрофлорой количества витамина К вполне достаточно для
предотвращения авитаминоза. Авитаминоз обычно развивается при нарушении процесса
всасывания жиров в кишечнике. У детей грудного возраста часто возникают обильные
подкожные кровотечения и кровоизлияния; они наблюдаются и при так называемом
геморрагическом диатезе, являющемся следствием недостаточности свертывания крови у
матери.
Биологическая роль. Витамин К принимает участие в синтезе протромбина в печени,
вероятнее всего, через ферментную систему. Получены доказательства, что витамин К
необходим как стимулятор биосинтеза в печени минимум 4 белков-ферментов, участвующих
в сложном процессе свертывания крови: факторов II, VII, IX, X. В частности, имеются
данные, что в молекуле указанных факторов обязательно присутствуют остатки
карбоксиглутаминовой кислоты; в молекуле активного протромбина таких остатков
оказалось 10. Протромбин, являясь протеолитическим ферментом, расщепляет
специфические пептидные связи растворимого белка крови фибриногена с образованием
нерастворимого фибрина (см. главу 17). Показано, что γ-карбоксилирование остатков
глутаминовой кислоты в молекуле белков, в частности протромбина, протекает
посттрансляционно при участии γ-глутамилкарбоксилазы, требующей наличия витамина К;
источником СО2 является НСО3–. В этой реакции витамин К выполняет, по-видимому,
кофакторную функцию.
Реакция постсинтетического карбоксилирования γ-карбоксильной группы глутамата играет,
кроме того, важную роль в связывании ионов Са2+ молекулой белка, поскольку при этом
образуются дополнительные отрицательно заряженные ионы карбоксильных групп. Следует
указать, что биотин не участвует в этой реакции карбоксилирования.
Одним из мощных антивитаминов К является природное вещество дикумарол (дикумарин).
Введение его вызывает резкое снижение в крови протромбина и ряда других белковых
факторов свертывания крови и соответственно вызывает кровотечения. Аналогичным
свойством в качестве антикоагулянта обладает синтетический аналог витамина К варфарин,
который действует как конкурентный ингибитор тромбообразования.
Способность дикумарола и варфарина снижать свертываемость крови в дальнейшем стали
широко использовать для лечения болезней человека, характеризующихся повышенной
свертываемостью крови. В частности, при коронарных тромбозах, тромбофлебитах оба эти
препарата способствуют разжижению сгустка крови, оказывая эффективное лечебное
действие. В случае возникновения кровотечения после введения дикумарола или варфарина
больным назначают препараты витамина К.
Распространение в природе и суточная потребность. Наиболее богаты витамином К
растения, в частности зеленые листья каштана, крапивы, люцерны. К растительным
продуктам, богатым витамином К, относятся капуста, шпинат, тыква, зеленые томаты,
40
арахисовое масло, ягоды рябины и т.д. В животных продуктах, кроме печени свиньи, он
почти нигде не содержится. Суточная потребность в витамине К для человека точно не
установлена, поскольку он синтезируется микроорганизмами кишечника; считается
достаточным количество около 1 мг.
Витамины группы Е
В начале 20-х годов Г. Эванс показал, что в смешанной пище содержится вещество, которое
абсолютно необходимо для нормального размножения животных. Так, у крыс, содержащихся
на синтетической диете, включающей молоко, препараты железа и дрожжи (в качестве
источника витаминов группы В), развивалось бесплодие. Добавление к такой диете листьев
салата полностью излечивало животных от бесплодия. Активное вещество, предохраняющее
от бесплодия, было выделено из масла пшеничных зародышей и хлопкового масла и названо
витамином Е, или токоферолом (от греч. tokos – потомство, phero – несу). Вкоре был
осуществлен и химический синтез. В настоящее время известно пять природных соединений,
обладающих биологической активностью витамина Е. Все они выделены в чистом виде из
растительных масел или получены синтетическим путем и обозначаются соответственно α-,
β-, γ-, δ-токоферолы и 8-метилтоко-триенол.
С химической точки зрения токоферолы представляют собой производные 2-метил-2(4', 8',
12'-триметилтридецил)-хроман-6-ола, или токола.
Различные токоферолы отличаются друг от друга числом и расположением метальных групп
в бензольном кольце. Они представляют собой бесцветные маслянистые жидкости, хорошо
растворимые в жирах (маслах) и жирорастворителях, весьма устойчивые к нагреванию, но
быстро разрушающиеся под действием УФ-излучений.
Изменения в организме человека при авитаминозе Е изучены недостаточно, поскольку с
растительными маслами человек получает достаточное количество витамина Е.
Недостаточность его отмечена в некоторых тропических странах, где основным источником
пищи являются углеводы, тогда как жиры употребляются в незначительных количествах.
Препараты витамина Е нашли применение в медицинской практике. Они иногда
предотвращают самопроизвольные (или привычные) аборты у женщин. У
экспериментальных животных, в частности крыс, недостаточность витамина Е вызывает
нарушение эмбриогенеза и дегенеративные изменения репродуктивных органов, что
приводит к стерильности. У самок в большей степени поражается плацента, чем яичники;
процесс оплодотворения яйца не нарушен, но очень скоро плод рассасывается. У самцов
происходит атрофия половых желез, приводящая к полной или частичной стерильности. К
специфическим проявлениям недостаточности витамина Е относятся также мышечная
дистрофия, жировая инфильтрация печени, дегенерация спинного мозга. Следствием
дегенеративных и дистрофических изменений мышц является резкое ограничение
подвижности животных; в мышцах резко снижается количество миозина, гликогена, калия,
магния, фосфора и креатина и, наоборот, повышается содержание липидов и хлорида натрия.
Биологическая роль. Существуют прямая связь между витамином Е и тканевым дыханием
и обратная связь между этим витамином и степенью окисления липидов. Известно, что
токоферолы выполняют в организме две главные метаболические функции. Во-первых, они
являются наиболее активными и, возможно, главными природными жирорастворимыми
антиоксидантами: разрушают наиболее реактивные формы кислорода и соответственно
предохраняют от окисления полиненасыщенные жирные кислоты. Во-вторых, токоферолы
играют специфическую, пока еще не полностью раскрытую роль в обмене селена. Селен, как
известно, является интегральной
частью
глутатионпероксидазы
–
фермента,
обеспечивающего защиту мембран от разрушающего действия пероксидных радикалов.
41
Биологическая роль витамина Е сводится, таким образом, к предотвращению аутоокисления
липидов биомембран и возможному снижению потребности в глутатионпероксидазе,
необходимой для разрушения образующихся в клетке перекисей. Участие токоферолов в
механизме транспорта электронов и протонов, как и в регуляции процесса транскрипции
генов, и их роль в метаболизме убихинонов пока недостаточны выяснены.
Распространение в природе и суточная потребность. Витамины группы Е относятся к
весьма распространенным в природе соединениям. Важнейшими источниками витамина Е
для человека являются растительные масла (подсолнечное, хлопковое, соевое, кукурузное и
др.), а также салат, капуста и семена злаков; из продуктов животного происхождения
витамин Е содержится в мясе, сливочном масле, яичном желтке и др. Витамин Е
откладывается в организме во многих тканях (мышцы, поджелудочная железа, жировая
ткань), поэтому развитие авитаминоза или гиповитаминоза Е почти не наблюдается, даже
если этот витамин не поступает с пищей в течение нескольких месяцев. Подобным же
образом можно объяснить трудности определения суточной потребности в витамине Е,
которая по приблизительным подсчетам составляет около 5 мг.
ВИТАМИНЫ, РАСТВОРИМЫЕ В ВОДЕ
Условно можно считать, что отличительной особенностью витаминов, растворимых в воде,
является участие большинства из них в построении молекул коферментов (см. табл. 7.1),
представляющих собой низкомолекулярные органические вещества небелковой природы,
называемые также простетическими группами и принимающие вместе с белковым
компонентом (апоферментом) непосредственное участие в каталитических реакциях.
Коферментная роль с достоверностью доказана для следующих витаминов и
витаминоподобных веществ: B1, В2, В6, В12, РР, биотина, фолиевой, парааминобензойной,
пантотеновой и липоевой кислот, а также жирорастворимых коэнзима Q и
пирролохинолинохинона (PQQ). Почти все они в организме человека и животных не
синтезируются, поэтому недостаточное содержание или полное отсутствие этих витаминов в
пище приводит к существенным нарушениям процессов обмена веществ и развитию
соответствующего клинического синдрома, характерного для данного гипо- или
авитаминоза.
Витамин B1
Витамин В1 (тиамин; антиневритный), как отмечалось, был первым кристаллическим
витамином, выделенным К. Функом в 1912 г. Позже был осуществлен его химический
синтез. Наряду с аминогруппой витамин B1 содержит атомы серы, поэтому он был назван
тиамином. В химической структуре его содержатся два кольца – пиримидиновое и
тиазоловое, соединенных метиленовой связью. Обе кольцевые системы синтезируются
отдельно в виде фосфорилированных форм, затем объединяются через четвертичный атом
азота.
Тиамин хорошо растворим в воде. Водные растворы тиамина в кислой среде выдерживают
нагревание до высоких температур без снижения биологической активности. В нейтральной
и особенно в щелочной среде витамин B1, наоборот, быстро разрушается при нагревании.
Этим объясняется частичное или даже полное разрушение тиамина при кулинарной
обработке пищи, например выпечке теста с добавлением гидрокарбоната натрия или
карбоната аммония. При окислении тиамина образуется тио-хром, дающий синюю
флюоресценцию при УФ-облучении. На этом свойстве тиамина основано его количественное
определение.
Витамин B1легко всасывается в кишечнике, но не накапливается в тканях и не обладает
токсическими свойствами. Избыток пищевого тиамина быстро выводится с мочой. В
42
превращении витамина B1в его активную форму – тиаминпирофосфат (ТПФ), называемый
также тиамин-дифосфатом (ТДФ), участвует специфический АТФ-зависимый фермент
тиаминпирофосфокиназа, содержащаяся главным образом в печени и ткани мозга. Опытами
с меченным 32Р АТФ доказан перенос на тиамин целиком пирофосфатной группы в
присутствии фермента.
Если витамин B1поступает с пищей в виде ТПФ, то пирофосфатная группа отщепляется от
него под действием кишечных пирофосфатаз.
При отсутствии или недостаточности тиамина развивается тяжелое заболевание – бери-бери,
широко распространенное в ряде стран Азии и Индокитая, где основным продуктом питания
является рис. Следует отметить, что недостаточность витамина B1встречается и в
европейских странах, где она известна как симптом Вернике, проявляющийся в виде
энцефалопатии, или синдром Вейса с преимущественным поражением сердечно-сосудистой
системы. Специфические симптомы связаны с преимущественными нарушениями
деятельности и сердечно-сосудистой, и нервной систем, а также пищеварительного тракта. В
настоящее время пересматривается точка зрения, что бери-бери у человека является
следствием недостаточности только витамина В1. Более вероятно, что это заболевание
представляет собой комбинированный авитаминоз или полиавитаминоз, при котором
организм испытывает недостаток также в рибофлавине, пиридоксине, витаминах РР, С и др.
На животных и добровольцах получен экспериментальный авитаминоз Bl. В зависимости от
преобладания тех или иных симптомов различают ряд клинических типов недостаточности,
в частности полиневритную (сухую) форму бери-бери, при которой на первый план
выступают нарушения в периферической нервной системе. При так называемой отечной
форме бери-бери преимущественно поражается сердечно-сосудистая система, хотя
отмечаются также явления полиневрита. Наконец, выделяют остро протекающую
кардиальную форму болезни, называемую пернициозной, которая приводит к летальному
исходу в результате развития острой сердечной недостаточности. В связи с внедрением в
медицинскую практику кристаллического препарата тиамина летальность резко сократилась
и наметились рациональные пути лечения и профилактики этого заболевания.
К наиболее ранним симптомам авитаминоза В1 относятся нарушения моторной и
секреторной функций пищеварительного тракта: потеря аппетита, замедление перистальтики
(атония) кишечника, а также изменения психики, заключающиеся в потере памяти на
недавние события, склонности к галлюцинациям; отмечаются изменения деятельности
сердечно-сосудистой системы: одышка, сердцебиение, боли в области сердца. При
дальнейшем развитии авитаминоза выявляются симптомы поражения периферической
нервной системы (дегенеративные изменения нервных окончаний и проводящих пучков),
выражающиеся в расстройстве чувствительности, ощущении покалывания, онемения и болей
по ходу нервов. Эти поражения завершаются контрактурами, атрофией и параличами
нижних, а затем и верхних конечностей. В этот же период развиваются явления сердечной
недостаточности (учащение ритма, сверлящие боли в области сердца). Биохимические
нарушения при авитаминозе В1 проявляются развитием отрицательного азотистого баланса,
выделением в повышенных количествах с мочой аминокислот и креатина, накоплением в
крови и тканях α-кетокислот, а также пентозосахаров. Содержание тиамина и ТПФ в
сердечной мышце и печени у больных бери-бери в 5-6 раз ниже нормы.
Биологическая роль. Экспериментально доказано, что витамин B1в форме ТПФ является
составной часть минимум 5 ферментов, участвующих в промежуточном обмене веществ.
ТПФ входит в состав двух сложных ферментных систем – пируват - и α - кетоглутарат
дегидрогеназных комплексов, катализирующих окислительное декарбоксилирование
пировиноградной и α-кетоглутаровой кислот. В составе транскетолазы ТПФ участвует в
переносе гликоальдегидного радикала от кетосахаров на альдосахара (см. главу 10). ТПФ
является коферментом пируватдекар-боксилазы клеток дрожжей (при алкогольной
ферментации) и дегидро-геназы γ-оксикетоглутаровой кислоты.
43
Приведенными примерами, вероятнее всего, не ограничиваются биологические функции
тиамина. В частности, ТПФ участвует в окислительном декарбоксилировании глиоксиловой
кислоты и α-кетокислот, образующихся при распаде аминокислот с разветвленной боковой
цепью; в растениях ТПФ является эссенциальным кофактором при синтезе валина и лейцина
в составе фермента ацетолактатсинтетазы.
Распространение в природе и суточная потребность. Витамин В1 широко распространен в
природе. Основное количество его человек получает с растительной пищей. Много витамина
B1содержится в дрожжах, пшеничном хлебе из муки грубого помола, оболочке и зародышах
семян хлебных злаков, сое, фасоли, горохе, меньше – в картофеле, моркови, капусте. Из
продуктов животного происхождения наиболее богаты витамином B1печень, почки, мозг.
Некоторые бактерии, населяющие кишечник животных, способны синтезировать
достаточное количество тиамина: например, количества витамина В1, синтезированного
микрофлорой кишечника коров, оказывается вполне достаточно для покрытия потребностей
организма. Рекомендуемые Институтом питания РАМН нормы суточного потребления
тиамина для отдельных групп населения составляют от 1,2 до 2,2 мг.
Витамин В2
Витамин В2 (рибофлавин) впервые был выделен из молока и ряда других пищевых
продуктов. В зависимости от источника получения витамин В2 называли по-разному, хотя по
существу это было одно и то же соединение: лактофлавин (из молока), гепатофлавин (из
печени), овофлавин (из белка яиц), вердофлавин (из растений). Химический синтез витамина
В2 был осуществлен в 1935 г. Р. Куном. Растворы витамина В2 имеют оранжево-желтую
окраску и характеризуются желто-зеленой флюоресценцией.
В основе молекулы рибофлавина лежит гетероциклическое соединение изоаллоксазин
(сочетание бензольного, пиразинового и пиримидинового колец), к которому в положении 9
присоединен пятиатомный спирт риби-тол. Химическое название «рибофлавин» отражает
наличие рибитола и желтой окраски препарата , рациональное название его 6,7-диметил-9-Dрибитилизоаллоксазин.
Рибофлавин хорошо растворим в воде, устойчив в кислых растворах, но легко разрушается в
нейтральных и щелочных растворах. Он весьма чувствителен к видимому и УФ-излучению и
сравнительно легко подвергается обратимому восстановлению, присоединяя водород по
месту двойных связей и превращаясь в бесцветную лейкоформу. Это свойство рибофлавина
легко окисляться и восстанавливаться лежит в основе его биологического действия в
клеточном метаболизме.
Клинические проявления недостаточности рибофлавина лучше всего изучены на
экспериментальных животных. Помимо остановки роста, выпадения волос (алопеция),
характерных для большинства авитаминозов, специфичными для авитаминоза В2 являются
воспалительные процессы слизистой оболочки языка (глоссит), губ, особенно у углов рта,
эпителия кожи и др. Наиболее характерны кератиты, воспалительные процессы и усиленная
васкуляризация роговой оболочки, катаракта (помутнение хрусталика). При авитаминозе В 2
у людей развиваются общая мышечная слабость и слабость сердечной мышцы.
Согласно данным К. Яги, существует прямая связь между степенью недостаточности
рибофлавина у животных и накоплением в крови продуктов перекисного окисления липидов
(ПОЛ), развитием атеросклероза и катаракты. Эти нарушения, по мнению автора, указывают
на важную роль флавопротеинов в молекулярных механизмах синтеза и распада продуктов
ПОЛ.
44
Биологическая роль. Рибофлавин входит в состав флавиновых кофер-ментов, в частности
ФМН и ФАД , являющихся в свою очередь просте-тическими группами ферментов ряда
других сложных белков – флаво-протеинов. Некоторые флавопротеины в дополнение к ФМН
или ФАД содержат еще прочно связанные неорганические ионы, в частности железо или
молибден, наделенные способностью катализировать транспорт электронов. Различают 2
типа химических реакций, катализируемых этими ферментами. К первому относятся
реакции, в которых фермент осуществляет прямое окисление с участием кислорода, т.е.
дегидрирование (отщепление электронов и протонов) исходного субстрата или
промежуточного метаболита. К ферментам этой группы относятся оксидазы L- и Dаминокислот, глициноксидаза, альдегидоксидаза, ксантиноксидаза и др. Вторая группа
реакций, катализируемых флавопротеинами, характеризуется переносом электронов и
протонов не от исходного субстрата, а от восстановленных пиридиновых коферментов.
Ферменты этой группы играют главную роль в биологическом окислении. В каталитическом
цикле изоаллоксазиновый остаток ФАД или ФМН подвергается обратимому восстановлению
с присоединением электронов и атомов водорода к N1 и N10. ФМН и ФАД прочно
связываются с белковым компонентом, иногда даже ковалентно, как, например, в молекуле
сукцинатдегидрогеназы.
ФМН синтезируется в организме животных из свободного рибофлавина и АТФ при участии
специфического фермента рибофлавинкиназы
Образование ФАД в тканях также протекает при участии специфического АТФ-зависимого
фермента ФМН-аденилилтрансферазы. Исходным веществом для синтеза является ФМН
Распространение в природе и суточная потребность. Рибофлавин достаточно широко
распространен в природе. Он содержится почти во всех животных тканях и растениях;
сравнительно высокие концентрации его обнаружены в дрожжах. Из пищевых продуктов
рибофлавином богаты хлеб (из муки грубого помола), семена злаков, яйца, молоко, мясо,
свежие овощи и др.; в молоке он содержится в свободном состоянии, а в печени и почках
животных прочно связан с белками в составе ФАД и ФМН. Из организма человека и
животных рибофлавин выделяется с мочой в свободном виде. Суточная потребность
взрослого человека в рибофлавине составляет 1,7 мг, в пожилом возрасте и при тяжелой
физической работе эта потребность возрастает.
Витамин РР
Витамин РР (никотиновая кислота, никотинамид, ниацин) получил также название
антипеллагрического витамина (от итал. preventive pellagra – предотвращающий пеллагру),
поскольку его отсутствие является причиной заболевания, называемого пеллагрой.
Никотиновая кислота известна давно, однако только в 1937 г. она была выделена К.
Эльвегеймом из экстракта печени и было показано, что введение никотиновой кислоты (или
ее амида – никотинамида) либо препаратов печени предохраняет от развития или излечивает
от пеллагры. В 1904 г. А. Гарден и У. Юнг установили, что для превращения глюкозы в
этанол в бесклеточном экстракте дрожжей необходимо присутствие легкодиализируемого
кофактора, названного козимазой. Химический состав аналогичного кофактора из
эритроцитов млекопитающих был расшифрован в 1934 г. О. Варбугом и У. Кристианом; он
оказался производным амида никотиновой кислоты.
Никотиновая кислота представляет собой соединение пиридинового ряда, содержащее
карбоксильную группу (никотинамид отличается наличием амидной группы).
Витамин РР малорастворим в воде (примерно 1%), но хорошо растворим в водных растворах
щелочей. Никотиновая кислота кристаллизуется в виде белых игл.
45
Наиболее характерными признаками авитаминоза РР, т.е. пеллагры (от итал. pelle agra –
шершавая кожа), являются поражения кожи (дерматиты), пищеварительного тракта (диарея)
и нарушения нервной деятельности (деменция).
Дерматиты чаще всего симметричны и поражают те участки кожи, которые подвержены
влиянию прямых солнечных лучей: тыльную поверхность кистей рук, шею, лицо; кожа
становится красной, затем коричневой и шершавой. Поражения кишечника выражаются в
развитии анорексии, тошнотой, болями в области живота, поносами. Диарея приводит к
обезвоживанию организма. Слизистая оболочка толстой кишки сначала воспаляется, затем
изъязвляется. Специфичными для пеллагры являются стоматиты, гингивиты, поражения
языка со вздутием и трещинами. Поражения мозга проявляются головными болями,
головокружением, повышенной раздражимостью, депрессией и другими симптомами,
включая психозы, психоневрозы, галлюцинации и др. Симптомы пеллагры особенно резко
выражены у больных с недостаточным белковым питанием. Установлено, что это
объясняется недостатком триптофана, который является предшественником никотинамида,
частично синтезируемого в тканях человека и животных, а также недостатком ряда других
витаминов (пиридоксина; см. главу 12).
Биологическая роль. Витамин РР входит в состав НАД или НАДФ, являющихся
коферментами большого числа обратимо действующих в окислительно-восстановительных
реакциях дегидрогеназ (формулы ко-ферментов приведены в главе 9).
Показано, что ряд дегидрогеназ использует только НАД и НАДФ (соответственно
малатдегидрогеназа и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа), другие могут катализировать
окислительно-восстановительные реакции в присутствии любого из них (например,
глутаматдегидрогеназа; см. главу 12). В процессе биологического окисления НАД и НАДФ
выполняют роль промежуточных переносчиков электронов и протонов между окисляемым
субстратом и флавиновыми ферментами (молекулярные механизмы участия пиридиновых
нуклеотидов в этом процессе подробно рассматриваются в главе 9).
Распространение в природе и суточная потребность. Никотиновая кислота также
относится к витаминам, широко распространенным в растительных и животных организмах.
Для человека основными источниками никотиновой кислоты и ее амида являются рис, хлеб,
картофель, мясо, печень, почки, морковь и другие продукты.
Витамин В6
Витамин В6 (пиридоксин, антидерматитный) как самостоятельный независимый пищевой
фактор был открыт П. Дьерди в 1934 г. в результате того, что в отличие от известных к тому
времени водорастворимых витаминов B1, B2и РР он устранял особую форму дерматита
конечностей у крыс, названного акродинией. Впервые витамин В6 был выделен в 1938 г. из
дрожжей и печени, а вскоре был синтезирован химически. Он оказался производным 3оксипиридина, в частности 2-метил-3-окси-4,5-диоксиме-тилпиридином. Термином
«витамин В6», по рекомендациям Международной комиссии по номенклатуре биологической
химии, обозначают все три производных 3-оксипиридина, обладающих одинаковой
витаминной активностью: пиридоксин (пиридоксол), пиридоксаль и пиридоксамин:
Как видно, производные 3-оксипиридина отличаются друг от друга природой замещающей
группы в положении 4 пиридинового ядра. Витамин В6 хорошо растворим в воде и этаноле.
Водные растворы весьма устойчивы по отношению к кислотам и щелочам, однако они
чувствительны к влиянию света в нейтральной зоне рН среды.
46
Недостаточность витамина В6 наиболее подробно изучена на крысах, у которых самым
характерным признаком является акродиния, или специфический дерматит с
преимущественным поражением кожи лапок, хвоста, носа и ушей. Отмечаются повышенное
шелушение кожи, выпадение шерсти, изъязвление кожи конечностей, заканчивающееся
гангреной пальцев. Эти явления не поддаются лечению витамином РР, но быстро проходят
при введении пиридоксина. При более глубоком авитаминозе В6 у собак, свиней, крыс и кур
отмечаются эпилептиформные припадки с дегенеративными изменениями в ЦНС.
У человека недостаточность витамина В6 встречается реже, хотя некоторые
пеллагроподобные дерматиты, не поддающиеся лечению никотиновой кислотой, легко
проходят при введении пиридоксина. У детей грудного возраста описаны дерматиты,
поражения нервной системы (включая эпилептиформные припадки), обусловленные
недостаточным содержанием пиридоксина в искусственной пище. Недостаточность
пиридоксина часто наблюдается у больных туберкулезом, которым с лечебной целью вводят
изоникотинилгидразид (изониазид), оказавшийся, как и дезокси-пиридоксин, антагонистом
витамина В6.
Из биохимических нарушений при недостаточности витамина В6 следует отметить
гомоцистинурию и цистатионинурию, а также нарушения обмена триптофана,
выражающиеся в повышении экскреции с мочой ксантуреновой кислоты и снижении
количества экскретируемой кинуреновой кислоты (см. главу 12).
Биологическая роль. Оказалось, что, хотя все три производных 3-окси-пиридина наделены
витаминными свойствами, коферментные функции выполняют только фосфорилированные
производные пиридоксаля и пи-ридоксамина.
Фосфорилирование пиридоксаля и пиридоксамина является ферментативной реакцией,
протекающей при участии специфических киназ. Синтез пиридоксальфосфата, например,
катализирует пиридоксалькиназа, которая наиболее активна в ткани мозга. Эту реакцию
можно представить следующим уравнением:
Доказано, что в животных тканях происходят взаимопревращения пиридоксальфосфата и
пиридоксаминфосфата, в частности в реакциях трансаминирования и декарбоксилирования
аминокислот (см. главу 12).
Следует отметить, что в выяснение биологической роли витамина В6 и пиридоксальфосфата
в азотистом обмене существенный вклад внесли А.Е. Браунштейн, С.Р. Мардашев, Э. Снелл,
Д. Мецлер, А. Майстер и др. Известно более 20 пиридоксалевых ферментов,
катализирующих ключевые реакции азотистого метаболизма во всех живых организмах. Так
доказано, что пиридоксальфосфат является простетической группой аминотранс-фераз,
катализирующих обратимый перенос аминогруппы (NH2-группы) от аминокислот на αкетокислоту, и декарбоксилаз аминокислот, осуществляющих необратимое отщепление СО2
от карбоксильной группы аминокислот с образованием биогенных аминов. Установлена
кофер-ментная роль пиридоксальфосфата в ферментативных реакциях неокислительного
дезаминирования серина и треонина, окисления триптофана, кинуренина, превращения
серосодержащих аминокислот, взаимопревращения серина и глицина (см. главу 12), а также
в синтезе δ-аминолевулиновой кислоты, являющейся предшественником молекулы гема
гемоглобина, и др.
Пиридоксин относится к витаминам, коферментная роль которых изучена наиболее
подробно. В последние годы число вновь открытых пиридокса-левых ферментов быстро
увеличивалось. Так, для действия гликогенфос-форилазы существенной оказалась
47
фосфорильная, а не альдегидная группа пиридоксальфосфата. Вследствие широкого участия
пиридоксальфосфата в процессах обмена при недостаточности витамина В6 отмечаются
разнообразные нарушения метаболизма аминокислот.
Распространение в природе и суточная потребность. Витамин В6 широко распространен в
продуктах растительного и животного происхождения. Основными источниками витамина
В6 для человека служат хлеб, горох, фасоль, картофель, мясо, почки, печень и др. Во многих
продуктах животного происхождения пиридоксин химически связан с белком, но в
пищеварительном тракте под действием ферментов он легко освобождается. Суточная
потребность в пиридоксине для человека точно не установлена, поскольку он синтезируется
микрофлорой кишечника в количествах, частично покрывающих потребности в нем
организма. Косвенные расчеты показывают, что взрослый человек должен получать в сутки
около 2 мг витамина В6.
Суточная потребность для взрослого человека составляет 18 мг.
Биотин (витамин Н)
В 1916 г. в опытах на животных было показано токсичное действие сырого яичного белка;
употребление печени или дрожжей снимало этот эффект. Фактор, предотвращающий
развитие токсикоза, был назван витамином Н. Позже было установлено, что в дрожжевом
экстракте печени и желтке куриного яйца содержится пищевой фактор, отличный от всех
других известных к этому времени витаминов. Этот фактор стимулирует рост дрожжей и
азотфиксирующих бактерий Rhizobium, в связи с чем он и получил название «биотин» (от
греч. bios – жизнь), или коэнзим R. В 1940 г. было установлено, что все три названия
(биотин, витамин Н и коэнзим R) относятся к одному и тому же химически
индивидуальному соединению. Выделенное из сырого яичного белка вещество оказалось
гликопротеином – белком основного характера, названным авидином; этот белок обладает
высоким сродством связывания с биотином с образованием нерастворимого в воде
комплекса. Комплекс не подвергается расщеплению в пищеварительном тракте, поэтому
биотин не всасывается, хотя и содержится в пищевых продуктах.
Биотин был впервые выделен в 1935 г. из яичного желтка. Молекула биотина является
циклическим производным мочевины, а боковая цепь представлена валериановой кислотой.
Карбонильная группа биотина связывается амидной связью с ε-амино-группой лизина,
образуя ε-N-биотиниллизин (биоцитин), обладающий биологической активностью.
Природные сложные белки, содержащие биотин, при попадании в организм подвергаются
протеолизу с освобождением свободного биоцитина; последний подвергается гидролизу под
действием биоцитиназы печени и сыворотки крови с образованием биотина и лизина.
Клинические проявления недостаточности биотина у человека изучены недостаточно. Это
объясняется тем, что бактерии кишечника обладают способностью синтезировать биотин в
необходимых количествах. Недостаточность его проявляется в случае употребления
большого количества сырого яичного белка или приема сульфаниламидных препаратов и
антибиотиков, подавляющих рост бактерий в кишечнике. У человека при недостаточности
биотина отмечаются воспалительные процессы кожи (дерматиты), сопровождающиеся
усиленной деятельностью сальных желез, выпадением волос, поражением ногтей, часто
отмечаются боли в мышцах, усталость, сонливость, депрессия, а также анорексия и анемия.
Все эти явления обычно проходят через несколько дней после ежедневного введения
биотина. У крыс недостаточность биотина, вызванная введением с пищей сырого яичного
белка, вызывает явления острого дерматита, облысение и параличи.
Биологическая роль. Биотин подробно изучен благодаря работам Ф. Линена. Известные к
настоящему времени биотиновые ферменты (т.е. ферменты, содержащие в качестве
кофермента биотин) катализируют два типа реакций:
48
1) реакции карбоксилирования (с участием СО2 или НСО3–), сопряженные с распадом АТФ
RH + HC03– + ATO<=> R-COOH +AflO+H3P04;
2) реакции транскарбоксилирования (протекающие без участия АТФ), при которых
субстраты обмениваются карбоксильной группой
R1-COOH + R2H <=> R1H + R2-COOH.
Получены доказательства двустадийного механизма этих реакций с образованием
промежуточного комплекса (карбоксибиотинилфермент).
К реакциям первого типа относятся, например, ацетил-КоА- и пируват-карбоксилазные
реакции:
C H 3– C O – S - K o A + CO2+ АТФ <=> H O O C – C H 2– C O – K o A + АДФ + Pi.
Пируваткарбоксилаза является высокоспецифичным ферментом, катализирующим
уникальную реакцию усвоения СО2 в организме животных. Сущность реакции сводится к
пополнению запасов оксалоацетата (щаве-левоуксусная кислота) в лимоннокислом цикле
(так называемые «анаплеро-тические», «пополняющие» реакции), т.е. его синтезу из СО2 и
пирувата:
Пируват + CO2+ АТФ + H2O —> Оксалоацетат + АДФ + Pi+ 2H+
Реакция протекает в две стадии: на первой стадии, связанной с затратой энергии, СО 2
подвергается активированию, т.е. ковалентному связыванию с биотином в активном центре
фермента (Е-биотин):
На второй стадии СО2 из комплекса переносится на пируват с образованием оксалоацетата и
освобождением фермента:
Примером второго типа реакций является метилмалонил-оксалоаце-тат-транскарбоксилазная
реакция, катализирующая обратимое превращение пировиноградной и щавелевоуксусной
кислот:
Реакции карбоксилирования и транскарбоксилирования имеют важное значение в организме
при синтезе высших жирных кислот, белков, пури-новых нуклеотидов (соответственно
нуклеиновых кислот) и др.
Распространение в природе и суточная потребность. Биотин содержится почти во всех
продуктах животного и растительного происхождения, главным образом в связанной форме.
Богаты этим витамином печень, почки, молоко, желток яйца. В растительных продуктах
(картофель, лук, томат, шпинат) биотин находится как в свободном, гак и в связанном
состоянии. Для человека и животных важным источником является биотин, синтезируемый
микрофлорой кишечника. Суточная потребность взрослого человека в биотине
приблизительно 0,25 мг.
Фолиевая кислота
Фолиевая (птероилглутаминовая) кислота (фолацин) в зависимости от вида животных или
штамма бактерий, нуждающихся для нормального роста в присутствии этого пищевого
фактора, называлась по-разному: фактор роста L. casei; витамин М, необходимый для
нормального кроветворения у обезьян; витамин Вс, фактор роста цыплят (индекс «с» от англ.
chicken – цыпленок). В 1941 г. фолиевая кислота была выделена из зеленых листьев
растений, в связи с чем и получила свое окончательное название (от лат. folium – лист). Еще
до установления химического строения фолиевой кислоты было показано, что для роста
некоторых бактерий необходимо присутствие в питательной среде парааминобензойной
49
кислоты. Добавление структурных аналогов ее, в частности сульфаниламидных препаратов,
наоборот, оказывало тормозящее действие на рост бактерий. В настоящее время
установлено, что это ростстимулирующее действие парааминобен-зойной кислоты
обусловлено включением ее в состав более сложно построенной молекулы фолиевой
кислоты.
Фолиевая кислота состоит из трех структурных единиц: остатка 2-амино-4-окси-6метилптеридина (I), парааминобензойной (II) и L-глута-миновой (III) кислот.
Фолиевая кислота ограниченно растворима в воде, но хорошо растворима в разбавленных
растворах спирта; имеет характерные спектры поглощения в УФ-области спектра.
Недостаточность фолиевой кислоты трудно вызвать даже у животных без предварительного
подавления в кишечнике роста микроорганизмов, которые синтезируют ее в необходимых
количествах; авитаминоз обычно вызывают введением антибиотиков и скармливанием
животным пищи, лишенной фолиевой кислоты. У обязьян фо-лиевая недостаточность
сопровождается развитием специфической анемии; у крыс сначала развивается лейкопения, а
затем анемия. У человека наблюдается клиническая картина макроцитарной анемии, очень
похожая на проявления пернициозной анемии – следствия недостаточности витамина В12,
хотя нарушения нервной системы отсутствуют. Иногда отмечается диарея. Имеются
доказательства, что при недостаточности фолиевой кислоты нарушается процесс биосинтеза
ДНК в клетках костного мозга, в которых в норме осуществляется эритропоэз. Как следствие
этого в периферической крови появляются молодые клетки – мегалобласты – с относительно
меньшим содержанием ДНК.
Биологическая роль. Коферментные функции фолиевой кислоты связаны не со свободной
формой витамина, а с восстановленным его птеридиновым производным. Восстановление
сводится к разрыву двух двойных связей и присоединению четырех водородных атомов в
положениях 5, 6, 7 и 8 с образованием тетрагидрофолиевой кислоты (ТГФК). Оно протекает
в 2 стадии в животных тканях при участии специфических ферментов, содержащих
восстановленный НАДФ. Сначала при действии фолатредук-тазы образуется
дигидрофолиевая кислота (ДГФК), которая при участии второго фермента –
дигидрофолатредуктазы – восстанавливается в ТГФК
Доказано, что коферментные функции ТГФК непосредственно связаны с переносом
одноуглеродных групп, первичными источниками которых в организме являются βуглеродный атом серина, α-углеродный атом глицина, углерод метальных групп метионина,
холина, 2-й углеродный атом индольного кольца триптофана, 2-й углеродный атом
имидазольного кольца гистидина, а также формальдегид, муравьиная кислота и метанол. К
настоящему времени открыто шесть одноуглеродных групп, включающихся в разнообразные
биохимические превращения в составе ТГФК: формильная (—СНО), метильная (—СН3),
метиленовая (—СН2—), метенильная (—СН=), оксиметильная (—СН2ОН) и формими-новая
(—CH=NH). Выяснено, что присоединение этих фрагментов к ТГФК является
ферментативной реакцией ковалентного связывания их с 5-м или 10-м атомом азота (или с
обоими атомами вместе). В качестве примера приводим отдельные функциональные группы
в активных участках ТГФК:
Имеются данные, что производные ТГФК участвуют в переносе одно-углеродных
фрагментов при биосинтезе метионина и тимина (перенос метильной группы), серина
(перенос оксиметильной группы), образовании пуриновых нуклеотидов (перенос
формильной группы) и т.д. (см. главы 12 и 13). Перечисленные вещества играют
исключительно важную, ключевую, роль в биосинтезе белков и нуклеиновых кислот,
поэтому становятся понятными те глубокие нарушения обмена, которые наблюдаются при
недостаточности фолиевой кислоты.
50
В медицинской практике (в частности, в онкологии) нашли применение некоторые
синтетические аналоги (антагонисты) фолиевой кислоты. Так, 4-аминоптерин используется в
качестве препарата, тормозящего синтез нуклеиновых кислот, и рекомендуется в качестве
лечебного препарата при опухолевых поражениях, в частности при острых и хронических
формах лейкозов у детей и взрослых.
Распространение в природе и суточная потребность. Вещества, обладающие активностью
фолиевой кислоты, широко распространены в природе. Богатыми источниками их являются
зеленые листья растений и дрожжи. Эти вещества содержатся также в печени, почках, мясе и
других продуктах. Многие микроорганизмы кишечника животных и человека синтезируют
фолиевую кислоту в количествах, достаточных для удовлетворения потребностей организма
в этом витамине. Суточная потребность в свободной фолиевой кислоте для взрослого
человека составляет 1-2 мг.
Витамин В12
Витамин В12 (кобаламин; антианемический витамин) выделен из печени в кристаллическом
виде в 1948 г. Задолго до этого было известно, что в печени животных содержится особое
вещество, регулирующее процесс кроветворения и оказывающее лечебный эффект при
пернициозной (злокачественной) анемии у людей. Однако только в 1955 г. Д. Ходжкин
расшифровала его структуру, включая трехмерную пространственную конфигурацию,
главным образом при помощи физических методов исследования (рентгенографическая
кристаллография). На основании этих данных, а также результатов изучения химического
состава для витамина В12 было предложено следующее строение:
В молекуле витамина В12 центральный атом кобальта соединен с атомами азота четырех
восстановленных пиррольных колец, образующих порфириноподобное корриновое ядро, и с
атомом азота 5,6-диметил-бензимидазола . Кобальтсодержащая часть молекулы витамина
представляет собой планарную (плоскостную) фигуру; по отношению к ней
перпендикулярно
расположен
нуклеотидный
лиганд,
который,
помимо
5,6диметилбензимидазола, содержит рибозу и остаток фосфата у 3-го атома углерода. Вся
структура получила название «кобаламин». Были получены производные витамина В12,
содержащие ОН-группу (оксикобаламин), хлор (хлоркобаламин), Н2О (аквакобаламин) и
азотистую кислоту (нитрито-кобаламин). Из природных источников были выделены, кроме
того, аналоги В12, которые вместо 5,6-диметилбензимидазола содержали 5-оксибензимидазол, или аденин, 2-метиладенин, гипоксантин и метилгипок-сантин. Все они
обладали меньшей биологической активностью, чем ко-баламин. Обычно витамин В12
выделяют из микробной массы или животных тканей, используя растворы, содержащие ионы
цианида, которые выполняют роль 6-го лиганда кобальта. Однако цианокобаламин
метаболически неактивен. В состав В12-коферментов вместо CN входит остаток 5дезоксиаденозина или метильная группа.
У человека и животных недостаток витамина В12 приводит к развитию злокачественной
макроцитарной, мегалобластической анемии. Помимо изменений кроветворной функции, для
51
авитаминоза В12 специфичны также нарушения деятельности нервной системы и резкое
снижение кислотности желудочного сока. Оказалось, что для активного процесса всасывания
витамина В12 в тонкой кишке обязательным условием является наличие в желудочном соке
особого белка – гастромукопротеина, получившего название внутреннего фактора Касла,
который специфически связывает витамин В12 в особый сложный комплекс. Точная роль
этого фактора во всасывании В12 не выяснена. Предполагают, что в связанном с этим
фактором комплексе витамин В12 поступает в клетки слизистой оболочки подвздошной
кишки, затем медленно переходит в кровь портальной системы, а внутренний фактор
подвергается гидролизу (распаду). Следует указать, что В12 поступает в кровь портальной
системы не в свободном состоянии, а в комплексе с двумя белками, получившими название
транскобаламинов I и II, один из которых выполняет функцию депо В12 (I), поскольку он
более прочно связывается с витамином В12. Поэтому нарушение синтеза внутреннего
фактора в слизистой оболочке желудка приводит к развитию авитаминоза В12 даже при
наличии в пище достаточного количества кобаламина. В подобных случаях витамин с
лечебной целью обычно вводят парентерально или с пищей, но в сочетании с
нейтрализованным желудочным соком, в котором содержится внутренний фактор.
Подобный метод лечения эффективен при пернициозной анемии. Это указывает на
существование определенной связи между развитием злокачественной анемии у человека и
нарушением функций желудка. Можно, вероятно, утверждать, что пернициозная анемия,
хотя и является следствием авитаминоза В12, но развивается на фоне органических
поражений желудка, приводящих к нарушению синтеза в клетках слизистой оболочки
желудка внутреннего фактора Касла, или после тотального удаления желудка хирургическим
путем.
Витамин В12 используется в клинике для лечения не только перни-циозной анемии, но и
других ее форм – мегалобластических анемий с неврологическими нарушениями, которые
обычно не поддаются лечению другими витаминами, в частности фолиевой кислотой.
Биологическая роль. Выявлены ферментные системы, в составе которых в качестве
простетической группы участвуют не свободный витамин В12, а так называемые В12коферменты, или кобамидные коферменты. Последние отличаются тем, что содержат 2 типа
лигандов: метильную группу и 5'-дезоксиаденозин. Соответственно различают
метилкобаламин СН3-В12 и дезоксиаденозилкобаламин. Превращение свободного витамина
В12 в В12-коферменты, протекающее в несколько этапов, осуществляется в организме при
участии специфических ферментов в присутствии в качестве кофакторов ФАД,
восстановленного НАД, АТФ и глутатиона. В частности, при образовании 5дезоксикобаламинового кофермента АТФ подвергается необычному распаду с отщеплением
три-фосфатного остатка по аналогии еще с одной единственной реакцией синтеза 5аденозилметионина из метионина и АТФ (см. главу 12). Впервые В12-коферменты были
выделены Г. Баркером и сотр. в 1958 г. из микроорганизмов, позже было доказано их
существование в тканях животных.
Химические реакции, в которых витамин В12 принимает участие как кофермент, условно
делят на 2 группы в соответствии с его химической природой. К первой группе относятся
реакции трансметилирования, в которых метилкобаламин выполняет роль промежуточного
переносчика метильной группы (реакции синтеза метионина и ацетата).
Синтез метионина требует, помимо гомоцистеина, наличия N5-метил-ТГФК и
восстановленного ФАД Фермент, катализирующий эту реакцию, был открыт в печени
человека и ряда животных, а также у микроорганизмов. Получены доказательства, что
механизм реакции включает перенос метильной группы N5-СН3-ТГФК на активный центр
фермента с образованием метил-В12-фермента и последующий перенос этой группы на
гомоцистеин. Блокирование этой реакции, наблюдаемое при авитаминозе В12, приводит к
накоплению N5-СН3-ТГФК и соответственно выключению из сферы химических реакций
еще одного важного кофермента.
52
Вторая группа реакций при участии В12-коферментов заключается во внутримолекулярном
переносе водорода в реакциях изомеризации.
Видно, что протон водорода движется (перемещается) между двумя соседними атомами
углерода и не обменивается с протонами воды. Предполагают, что сначала водород от
субстрата переносится на 5-дезокси-кобаламин, а затем обратно на субстрат, меняя
местоположение. Например, глутаматмутазная реакция (взаимопревращения глутаминовой и
β-метиласпарагиновой кислот), метилмалонилмутазная реакция (обратимое превращение
метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА), глицерол- и диол-дегидратазные реакции,
ферментативные реакции восстановления рибо-нуклеотидов до дезоксирибонуклеотидов и
др. В организме человека из указанных процессов открыта только реакция изомеризации
метил-малонил-КоА в сукцинил-КоА.
Следует подчеркнуть, что реакция изомеризации метилмалонил-КоА требует наличия 5'дезоксиаденозилкобаламина в качестве кофермента, в то время как реакция метилирования
(см. ранее) нуждается в метилкобала-мине. Этими обстоятельствами могут быть объяснены
некоторые биохимические симптомы недостаточности витамина В12, в частности метилмалонилацидурия и гомоцистинурия. Кроме того, описаны болезни, обусловленные
наследственными дефектами синтеза только дезоксиаденозил-кобаламина или обоих В12коферментов; в этих случаях даже 1000-кратная доза витамина В12 не оказывала лечебного
эффекта. В настоящее время высказывается предположение о более широком участии В12коферментов в ферментативных реакциях трансметилирования, дезаминирования (например,
этаноламиддезаминазная реакция) и др. Предстоит, однако, приложить немало усилий,
чтобы выяснить молекулярные механизмы действия витамина В12 на процесс кроветворения.
Положительный эффект при лечении пернициозной анемии полусырой печенью обусловлен,
как стало известно, наличием витамина В12, хотя следует указать, что большего лечебного
эффекта можно добиться при одновременном введении внутреннего фактора слизистой
оболочки желудка.
Распространение в природе и суточная потребность. Витамин В12 является единственным
витамином, синтез которого осуществляется исключительно микроорганизмами; ни
растения, ни ткани животных этой способностью не наделены. Основные источники
витамина В12 для человека – мясо, говяжья печень, почки, рыба, молоко, яйца. Главным
местом накопления витамина В12 в организме человека является печень, в которой
содержится до нескольких миллиграммов витамина. В печень он поступает с животной
пищей, в частности с мясом, или синтезируется микрофлорой кишечника при условии
доставки с пищей кобальта. Суточная потребность в витамине В12 для взрослого человека
составляет около 3 мкг (0,003 мг).
Пантотеновая кислота (витамин В3)
Пантотеновая кислота в качестве витамина была открыта в 1933 г. Р. Уильямсом и соавт. в
составе «биоса» – группы веществ природного происхождения, стимулирующих рост
дрожжей. Он оказался чрезвычайно широко распространенным во всех живых объектах
(микроорганизмы, растения, ткани животных), в связи с чем было предложено название
«пантотеновая кислота» (от греч. pantoten – повсюду). В 1938 г. эти же авторы выделили ее
из дрожжей и печени в высокоочищенном состоянии в форме кристаллической кальциевой
соли, а в 1940 г. была расшифрована ее структура, подтвержденная химическим синтезом.
Пантотеновая кислота является комплексным соединением β-аланина и 2,4-диокси-3,3диметилмасляной кислоты.
53
Пантотеновая кислота представляет собой вязкую светло-желтую жидкость, хорошо
растворимую в воде; она малоустойчива и легко гидро-лизуется по месту пептидной связи
под действием слабых кислот и щелочей.
При недостаточности или отсутствии пантотеновой кислоты у человека и животных
развиваются дерматиты, поражения слизистых оболочек, дистрофические изменения желез
внутренней секреции (в частности, надпочечников) и нервной системы (невриты, параличи),
изменения в сердце и почках, депигментация волос, шерсти, прекращение роста, потеря
аппетита, истощение, алопеция. Все это многообразие клинических проявлений
пантотеновой недостаточности свидетельствует об исключительно важной биологической
роли ее в метаболизме.
Биологическая роль. Пантотеновая кислота входит в состав кофер-мента А, или коэнзима А
(КоА). Название «коэнзим А» (кофермент ацилирования) связано с тем, что это соединение
участвует в ферментативных реакциях, катализирующих как активирование, так и перенос
ацетильного радикала СН3СО; позже оказалось, что КоА активирует и переносит также
другие кислотные остатки (ацилы). В результате образования ацил-КоА происходит
активация карбоновой кислоты, которая поднимается на более высокий энергетический
уровень, создающий выгодные термодинамические предпосылки для ее использования в
реакциях, протекающих с потреблением энергии.
Строение КоА расшифровал Ф. Линен. В основе структуры лежит остаток 3'-фосфоаденозин5'-дифосфата (отличается от АТФ наличием у 3'-гидроксила фосфатной группы),
соединенный с остатком пантотеновой кислоты, карбонильная группа которой в свою
очередь связана с остатком β-меркаптоэтиламина (тиоэтиламина).
Реакционноспособным участком молекулы КоА в биохимических реакциях является SHгруппа, поэтому принято сокращенное обозначение КоА в виде SH-KoA. О важнейшем
значении КоА в обмене веществ (как будет показано далее – см. главы 9–11)
свидетельствуют обязательное непосредственное участие его в основных биохимических
процессах, окисление и биосинтез высших жирных кислот, окислительное
декарбоксилирование α-кетокислот (пируват, α-кетоглутарат), биосинтез нейтральных
жиров, фосфолипидов, стероидных гормонов, гема гемоглобина, ацетилхолина, гиппуровой
кислоты и др.
Распространение в природе и суточная потребность. Уже отмечалось широкое,
повсеместное распространение пантотеновой кислоты в природе. Основными пищевыми
источниками ее для человека являются печень, яичный желток, дрожжи и зеленые части
растений. Пантотеновая кислота синтезируется, кроме того, микрофлорой кишечника.
Суточная потребность в пантотеновой кислоте для взрослого человека составляет 3–5 мг.
Витамин С
Витамин С (аскорбиновая кислота; антискорбутный витамин) получил название
антискорбутного, антицинготного фактора, предохраняющего от развития цинги – болезни,
принимавшей в средние века характер эпидемии. Причину болезни долго не могли
распознать, и только в 1907–1912 гг. были получены неоспоримые экспериментальные
54
доказательства (на морских свинках, также подверженных, подобно людям, заболеванию
цингой) прямой зависимости между развитием цинги и недостаточностью или отсутствием в
пище витамина С.
По химической структуре аскорбиновая кислота представляет собой лактон кислоты со
структурой, близкой структуре L-глюкозы; окончательно строение витамина С было
установлено после синтеза его из L-ксилозы. Аскорбиновая кислота относится к сильным
кислотам; кислый характер ее обусловлен наличием двух обратимо диссоциирующих енольных гидроксилов у 2-го и 3-го углеродных атомов.
Аскорбиновая кислота содержит два асимметричных атома углерода в 4-м и 5-м положениях,
что позволяет образовать четыре оптических изомера. Природные изомеры, обладающие
витаминной активностью, относятся к L-ряду. Аскорбиновая кислота хорошо растворима в
воде, хуже – в этаноле и почти нерастворима в других органических растворителях. Из
представленных структурных формул видно, что наиболее важным химическим свойством
аскорбиновой
кислоты
является
ее
способность
обратимо
окисляться
в
дегидроаскорбиновую кислоту, образуя окислительно-восстановительную систему,
связанную с отщеплением и присоединением электронов и протонов. Окисление может быть
вызвано различными факторами, в частности кислородом воздуха, метиленовым синим,
перекисью водорода и др. Этот процесс, как правило, не сопровождается снижением
витаминной активности. Дегидроаскорбиновая кислота легко восстанавливается цистеином,
глутатионом, сероводородом. В слабощелочной (и даже в нейтральной) среде происходит
гидролиз лактонового кольца, и эта кислота превращается в дикетогулоновую кислоту,
лишенную биологической активности. Поэтому при кулинарной обработке пищи в
присутствии окислителей часть витамина С разрушается. Аскорбиновая кислота оказалась
необходимым пищевым фактором для человека, обезьян, морских свинок и некоторых птиц
и рыб. Все другие животные не нуждаются в пищевом витамине С, поскольку он легко
синтезируется в печени из глюкозы. Как оказалось, ткани витамин-С-чувствительных
животных и человека лишены одного-единственного фермента, катализирующего
последнюю (6-ю) стадию образования аскорбиновой кислоты из глюкозы, а именно
гулонолактоноксидазы, превращающего L-гулонолактон в L-аскорбиновую кислоту.
Наиболее характерным признаком недостаточности витамина С является потеря организмом
способности депонировать межклеточные «цементирующие» вещества, что вызывает
поражение сосудистых стенок и опорных тканей. У морских свинок, например, некоторые
специализированные, высокодифференцированные клетки (фибробласты, остеобласты,
одонтобласты) теряют способность синтезировать коллаген в кости и дентине зуба.
Нарушено, кроме того, образование гликопротеингликанов, отмечены геморрагические
явления и специфические изменения костной и хрящевой тканей.
У человека при недостаточности витамина С также отмечаются снижение массы тела, общая
слабость, одышка, боли в сердце, сердцебиение. При цинге в первую очередь поражается
кровеносная система: сосуды становятся хрупкими и проницаемыми, что служит причиной
мелких точечных кровоизлияний под кожу – так называемых петехий; часто отмечаются
кровоизлияния и кровотечения во внутренних органах и слизистых оболочках. Для цинги
характерна также кровоточивость десен; дегенеративные изменения со стороны
одонтобластов и остеобластов приводят к развитию кариеса, расшатыванию, разламыванию,
55
а затем и выпадению зубов. У больных цингой наблюдаются, кроме того, отек нижних
конечностей и боли при ходьбе.
Биологическая роль. Витамин С, вероятнее всего, участвует в окислительновосстановительных процессах, хотя до сих пор не выделены ферментные системы, в состав
простетических групп которых он входит. Предполагают, что витамин С участвует в
реакциях гидроксилирования пролина и лизина при синтезе коллагена, синтезе гормонов
коры надпочечников (кортикостероидов), аминокислоты триптофана и, возможно, в других
реакциях гидроксилирования. Имеются доказательства необходимости участия витамина С в
окислительном распаде тирозина и гемоглобина в тканях.
Распространение в природе и суточная потребность. Витамин С относится к широко
распространенным в природе витаминам. Наиболее важными источниками его для человека
служат продукты растительного происхождения (овощи и фрукты). Много витамина С в
перце, салате, капусте, хрене, укропе, ягодах рябины, черной смородины и особенно в
цитрусовых (лимон). Картофель также относится к основным повседневным источникам
витамина С, хотя содержит его значительно меньше. Из непищевых источников богаты
витамином С шиповник, хвоя, листья черной смородины, экстракты из которых могут
полностью удовлетворить потребности организма. Суточная потребность в витамине С для
человека составляет 75 мг. Рекомендованные рядом ученых (в том числе Л. Полингом) более
высокие суточные дозы аскорбиновой кислоты (1 г) для человека, вероятнее всего,
недостаточно обоснованны.
Витамин Р
Витамин Р (рутин, цитрин; витамин проницаемости) выделен в 1936 г. А. Сент-Дьердьи из
кожуры лимона. Под термином «витамин Р», повышающим резистентность капилляров (от
лат. permeability – проницаемость), объединяется группа веществ со сходной биологической
активностью: катехины, халконы, дигидрохалконы, флавины, флавононы, изофлавоны, флавонолы и др. Все они обладают Р-витаминной активностью, и в основе их
структуры лежит дифенилпропановый углеродный «скелет» хромона или флавона. Этим
объясняется их общее название «биофла-воноиды». Приводим структуру рутина,
выделенного из листьев гречихи:
При недостаточности биофлавоноидов или отсутствии их в пище у людей и морских свинок
повышается проницаемость кровеносных сосудов, сопровождающаяся кровоизлияниями и
кровотечениями; у людей отмечаются кроме того, общая слабость, быстрая утомляемость и
боли в конечностях.
Биологическая роль. Биофлавоноиды стабилизируют основное вещество соединительной
ткани путем ингибирования гиалуронидазы, что подтверждается данными о положительном
влиянии Р-витаминных препаратов, как и аскорбиновой кислоты, в профилактике и лечении
цинги, ревматизма, ожогов и др. Эти данные указывают на тесную функциональную связь
витаминов С и Р в окислительно-восстановительных процессах организма, образующих
единую систему. Об этом косвенно свидетельствует лечебный эффект, оказываемый
комплексом витамина С и биофлавоноидов, названный аскорутином.
Основными источниками витамина Р для взрослого человека являются те же растительные
продукты питания (в частности, овощи и фрукты), в которых содержится много витамина С.
Витаминная промышленность выпускает ряд препаратов с Р-витаминной активностью:
чайные катехины, рутин, кверцетин, гесперидин, нарингил и др. Суточная потребность в
витамине Р не установлена.
КОФЕРМEНТЫ (от лат. со- - приставка, означающая совместность, и ферменты)
(коэнзимы), орг. прир. соед., необходимые для осуществления каталитич. действия
56
ферментов. Эти в-ва, в отличие от белкового компонента фермента (апофермента), имеют
сравнительно небольшую мол. массу и, как правило, термостабильны. Иногда под
коферментами подразумевают любые низкомол. в-ва, участие к-рых необходимо для
проявления каталитич. действия фермента, в т. ч. и ионы, напр. К+, Mg2+ и Мn2+ .
Располагаются коферменты в активном центре фермента и вместе с субстратом и функц.
группами активного центра образуют активир. комплекс. Коферменты должны обладать по
крайней мере двумя функциональными участками или группировками, ответственными за
специфич. связывание с апоферментом и субстратом. Часто коферменты прочно связаны с
апоферментом - образуют с ним трудно диссоциирующие или недиссоциирующие
комплексы либо соединены с полипептидной цепью ковалентной связью (такие коферменты
наз. простетич. группой). В этом случае коферменты обычно остаются в составе фермента на
всех стадиях каталитич. р-ции. Примеры таких коферментов - флавиновые коферменты (см.
Рибофлавин) и пиридоксаль-5'-фосфат (см. Витамин В6). Легко диссоциирующие
коферменты-обычно коферменты-переносчики, действие к-рых связано с переходом от
одной
молекулы
фермента
к
другой. Нек-рые коферменты,
напр. НАД
(никотинамидадениндинуклеотид; см. Ниацин), в зависимости от каталитич. р-ций, в к-рых
они участвуют, могут функционировать как простетич. группа или покидать активный центр
фермента. Известны десятки орг. соед., выполняющих ф-ции коферментов. Эти в-ва, как
-связей и (или) гетероатомы. Многие
коферменты включают в качестве структурного компонента остаток молекулы витамина (т.
наз. коферментные формы витаминов). Различают две группы коферментов. Относящиеся к
первой группе коферменты участвуют в р-циях, в к-рых превращ. субстрата катализируется
одним ферментом. При этом кофермент может регенерироваться после каждого каталитич.
акта в составе фермента, катализирующего превращ. субстрата, или как косубстрат. В
последнем случае регенерация кофермента осуществляется др. ферментом в сопряженной рции (в таких р-циях противопоставление кофермента и субстрата носит условный характер).
Коферменты второй группы участвуют в активации и переносе молекул субстрата (или их
частей) от одного фермента к другому. В этом случае первоначально субстрат реагирует с
коферментом в активном центре фермента с образованием достаточно устойчивого соед., крое может в неизменном виде переноситься в клетке к др. ферменту, в активном центре крого осуществляются каталитич. превращ. субстрата и одноврем. регенерация кофермента.
Образование комплекса апофермента с коферментом - один из способов регуляции
активности фермента в организме (см. Регуляторы ферментов). Ниже рассмотрены
важнейшие коферменты. Никотинамидные коферменты - коферментная форма витамина
ниацина. К этой группе коферментов, универсальных по распространению (они найдены
буквально во всех живых клетках) и биол. роли, относятся НАД (ф-ла I; R=Н) и
никотинамидадениндинуклеотидфосфат, или НАДФ [I; R=РО(ОН)2], а также
восстановленные (по пиридиновому кольцу) формы этих соед. (соотв. НАДН и НАДФН).
наиб. важная биохим. ф-ция этих коферментов - их участие в переносе электронов и
водорода
от
окисляющихся
субстратов
57
к кислороду в клеточном дыхании. При участии НАД или НАДФ, связанных прочно или
легко диссоциирующих, ферменты дегидрогеназы (напр., алкогольдегидрогеназа,
глутаматдегидрогеназа) катализируют обратимое превращ. спиртов, гидроксикислот и некрых аминокислот в соответствующие альдегиды, кетоны или кетокислоты. Флавиновые
коферменты-коферментная форма витамина рибофлавина. Среди оксидоредуктаз
дыхательной цепи, участвующих в переносе электронов и водорода, большое значение
имеют
флавопротеиды-ферменты,
содержащие
в
качестве
простетич.
групп
флавинмононуклеотид (ФМН; IIа) и флавинадениндинуклеотид (ФАД; IIб). В нек-рых
ферментах (напр., в сукцинатдегидрогеназе) ковалентная связь ФАД с апоферментом
образована пирофосфатной группой кофермента и атомом N имадазольного кольца
гистидина. Восстановление флавиновых коферментов осуществляется через ряд промежут.
стадий,
включающих
образование
радикалов.
Главная ф-ция флавиновых коферментов-перенос электронов (водорода) в окислит.восстановит. цепи от НАДН и янтарной к-ты к цитохромам. Флавопротеиды катализируют
также многочисл. р-ции, механизм к-рых включает стадию одноэлектронного переноса;
окисление восстановл. формы амида липоевой к-ты, синтез кобамидного кофермента из АТФ
и витамина В12, окисление глюкозы и др. Глутатион (III)-коферменты нек-рых ферментов,
-гидроксикислоты, изомеризацию
производных малеиновой к-ты в производные фумаровой к-ты (малеинат - циc-транс-кетокислот
(фенилпируваттаутомераза).
Коферменты, содержащие порфириновыи макроцикл. Эти коферменты в составе нек-рых
ферментов (напр., цитохромы а, б и с, цитохром-с-оксидазы) участвуют в клеточном
дыхании. Аденозинтрифосфорная кислота (см. Аденозинфосфорные кислоты) - кофермент
ферментов, катализирующих перенос гл. обр. фосфатных и пирофосфатных групп (напр.,
фосфотрансфераз) на разл. субстраты у всех живых организмов. Известны также случаи
переноса 5'-дезоксиаденозильного остатка от АТФ с отщеплением трифосфата. Кофермент А
58
(КоASH, КоА; IV) - коферментная форма витамина пантотеновой кислоты. Ферменты,
содержащие этот кофермент, катализируют р-ции, играющие важную роль в цикле
трикарбоновых к-т. Этот цикл начинается с биосинтеза ацетилкофермента A [KoASC(O)CH3]
в результате переноса ацетильной группы на KoASH с пировиноградной к-ты (фермент пируватдегидрогеназа), а затем образования лимонной к-ты путем переноса ацетильной
группы
с
KoASC(O)CH3 на ацетилщавелевую к-ту (фермент-цитрат-синтаза). Кофермент А - также
кофермент ферментов, участвующих в глиоксилатном цикле, окислении и синтезе жирных кт, биосинтезе стероидов, каротиноидов, изопреноидов, нейтральных липидов и др. Во всех
случаях KoASH действует как промежут. акцептор и переносчик разл. кислотных остатков,
к-рые подвергаются в составе ацил - КоА тем или иным превращениям или передаются в
неизменном виде на определенные метаболиты. Во всех случаях KoASH связан с ацильными
остатками тиоэфирной связью. Тетрагидрофолиевая кислота (FH4; V) - коферментная форма
витамина фолацина. Является коферментом ферментов, катализирующих перенос
одноуглеродных групп [СН3, СН2, СН, СНО, СН(=NH)] в биосинтезе пуринов, пиримидинов
и нек-рых аминокислот. FH4 - кофермент ключевых ферментов в биосинтезе гетероцикла
тимидина (напр., тимидилатсинтетазы) - структурного фрагмента молекул ДНК.
Пиридоксаль-5'-фосфат (VI) коферментная форма витамина В6. Входит в состав мн.
ферментов
-аминокислот, в т. ч. их рацемизацию, переаминирование, декарбоксилирование
-атомов
углерода. Осн. стадия в механизме этих р-ций образование основания Шиффа в результате
-аминогруппы
к-ты и карбонильной группы кофермента (см., напр., Аспартатаминотрансфераза,
Изомeразы). Тиаминдифосфат (тиаминпирофосфат, кокарбоксилаза, ТДФ; VII) коферментная форма витамина тиамина. Коферменты мн. ферментов, катализирующих
-кетокислот
и кетоз, в т. ч. декарбоксилирование (фермент пируватдекарбоксилаза) и окислит.
декарбоксилирование пировиноградной к-ты (в последнем случае с участием липоевой к-ты),
-гидроксикетонов и дикетонов под влиянием фосфо- и
транскетолаз. Реакц. центр ТДФ - атом С в положении 2 тиазолиевого кольца (обозначен
звездочкой), к-рый легко образует карбанион в результате элиминирования Н+. Механизм
каталитич. р-ции обычно включает образование ковалентной связи в результате взаимод.
субстрата (или его фрагмента) с этим карбанионом. Биотин (VIII) - кофермент ферментов,
катализирующих перенос группы СО2 в обратимых р-циях карбоксилирования. Молекула
биотина связана с апоферментом пептидной связью, образованной его карбоксильной
группой
-аминогруппой лизина в апоферменте (биотиниллизиновый остаток наз.
биоцитином). Переносимая группа СО2 обратимо связывается с атомом в положении 1'
биотина. Один из важных ферментов, в к-ром биотин выполняет ф-ции кофермента, пируваткарбоксилаза. Она катализирует АТФ - зависимую р-цию образования
щавелевоуксусной к-ты из пировиноградной и HCO-3. Кобамидные коферменты
(кобаламиновые коферменты, ф-лы см. в ст. Витамин В12). К этой группе относятся два
кофермента - метилкобаламин и 5' - дезоксиаденозилкобаламин. Первый участвует в составе
ферментов, катализирующих перенос групп СН3, напр. при синтезе метионина из
гомоцистеина. Биол. роль второго кофермента состоит в участии в составе ферментов в
каталитич. превращениях диолов в альдегиды (пропандиолдегидратаза), алканоламинов в
альдегиды (этаноламин - аммиак-лиаза) и рибонуклеотидов в дезоксирибонуклeотиды
(рибонуклеотидредуктаза), метилмалонил-кофермент А в сукцинил-кофермент А
(метилмалонил-СоА-мутаза). Важная особенность этих коферментов-гомолиз связи Со—С в
каталитич. р-циях. Нек-рые коферменты, напр. аденозинтрифосфорная к-та, 5'-дезоксиаденозилкобаламин
(кобамамид),
тиаминдифосфат
(кокарбоксилаза),
флавинадениндинуклеотид (флавинат), применяют как лек. ср-ва; многие коферменты59
лиганды
в
аффинной
хроматографии.
Вопросы для самоконтроля:
1. Витамины. Классификация витаминов.
2. Жирорастворимые витамины и их биохимическая функция.
3. Водорастворимые витамины и их биохимическая функция.
4. Общая характеристика коферментов. Химическая природа и механизм действия.
Рекомендуемая литература:
1. Коферменты, под ред. В. А. Яковлева, М., 1973;
2. Диксон М., Уэбб Э., Ферменты, пер. с англ., т. 1-3, М., 1982;
3. Дюга Г., Пенни К., Биоорганическая химия, пер. с англ., М., 1983, с. 398 486;
4. Ленинджер А.. Основы биохимии, пер. с англ., т. 1. М., 1985, с. 275-301;
5. Общая органическая химия, пер. с англ., т. 10, М., 1986, с. 580-648.
6. Березовский В. М., Химия витаминов, 2 изд., М., 1973;
7. Витамины, под ред. М. И. Смирнова, М., 1974; Спи ричев В. Б., Б ара ш пев Ю. И.,
8. Врожденные нарушения обмена витаминов, М., 1977;
9. The Vitamins. Chemistry, physiology, pathology, methods, 2 ed., v. 1-7, N. Y., 1967-72. В.Б.
Спиричев.
Лекция № 12-13. Нуклеиновые кислоты
Цель: ознакомиться с химическим составом нуклеиновых кислот, дать характеристику
азотистых оснований, углеводов в составе нуклеиновых кислот, ознакомиться с двумя
типами нуклеиновых кислот – ДНК, РНК.
Основные вопросы:
1. Химический состав нуклеиновых кислот
2. Характеристика азотистых оснований
3. Углеводы в составе нуклеиновых кислот
4. Типы нуклеиновых кислот
Краткое содержание:
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ (полинуклеотиды), биополимеры, осуществляющие
хранение и передачу генетич. инфор-мации во всех живых организмах, а также участвующие
в биосинтезе белков.
Первичная структура нуклеиновых кислот представляет собой последовательность остатков
нуклеотидов. Последние в молекуле нуклеиновых кислот образуют неразветвленные цепи. В
зависимости от природы углеводного остатка в нуклеотиде (D-дезоксирибозы или D-рибозы)
нуклеиновые кислоты подразделяют соотв. на дезоксирйбонуклеи-новые (ДНК) и
рибонуклеиновые (РНК) к-ты. В молекуле ДНК гетероциклы, входящие в остаток
нуклеотида, представлены двумя пуриновыми основаниями - адeнином (А) и гуанином (G), и
двумя пиримидиновыми основаниями -тими-ком (Т) и цитозином (С); РНК вместо Т
содержит урацил (U). Кроме того, в нуклеиновых кислотах в небольших кол-вах
обнаруживаются модифицированные (в осн. метилированные) остатки нуклеозидов- т. наз.
минорные нуклеозиды, к-рыми особенно богаты транспортные рибонуклеиновые кислоты
(тРНК). Отдельные нуклеотидные остатки связаны между собой в полинуклеотидных цепях
3'-5'-фосфодиэфирными связями (см. ф-лу). Стандартная запись нуклеотидной
последовательности осуществляется в направлении от 5'-конца к 3'-концу (каждый
нуклеотид обозначают буквой, присвоенной основанию, к-рое он содержит; напр.,
последовательность приведенного участка ДНК записывается как ACGT).
60
Св-ва ДНК и РНК различны. Так, РНК легко расщепляется щелочами до мононуклеотидов
(благодаря наличию группы 2'-ОН), в то время как полинуклеотидные цепи ДНК в тех же
условиях стабильны. Это структурное различие определяет и меньшую устойчивость к
воздействию к-т N-гликозидных связей (связь между гетероциклом и остатком рибозы) в
ДНК по сравнению с РНК.
Дсзоксирибонуклепновые кислоты. Нуклеотидный состав ДНК подчиняется ряду правил
(т.наз. п р а в и л а Ч а р г а ф-ф а), важнейшее среди к-рых-одинаковое содержание А и Т, G
и С у любой клеточной ДНК. Нуклеотидный состав РНК подобным правилам не
подчиняется.
Пространствю структура ДНК описывается как комплекс двух полинуклеотидных
антипараллельных цепей (рис. 1), закрученных относительно общей оси, так что углеводфосфатные цепи составляют периферию молекулы, а азотсодержащие гетероциклы
направлены внутрь (д в о й н а я с п и р а л ь У о т с о н а-К р и к а). Антипараллельность
полинуклеотидных цепей выражается в том, что на одном и том же конце спирали одна
полинуклеотидиая цепь содержит (незамещенную или замещенную) группу 5'-ОН, а другая
3'-ОН. Фундам. св-во двойной спирали ДНК состоит в том, что ее цепи комплементарны
друг другу (см. Комплемен-тарностъ)вследствие того, что напротив А одной цепи всегда
находится Т другой цепи, а напротив G всегда находится С. Комплементарное спаривание А
с Т и G с С осуществляется посредством водородных связей. Классич. двойная спираль
Уотсона-Крика получила назв. В-формы ДНК. Она-правозакрученная, плоскости
гетероциклич. оснований перпендикулярны оси спирали, а число пар остатков нуклеотидов
на один виток спирали равно примерно 10; расстояние между витками 3,4 нм. При
изменении ионной силы и состава р-рителя двойная спираль изменяет свою форму и даже
может превращ. в левозакрученную спираль (т.наз. Z-форму), к-рая содержит в одном витке
ок. 12 остатков нуклеотидов. При дегидратации В-формы образуется А-форма ДНКправозакрученная двойная спираль, содержащая в одном витке ок. 11 остатков нуклеотидов,
плоскости гетероциклич. оснований повернуты примерно на 20° относительно
перпендикуляра к оси спирали. Двойная спираль ДНК способна денатурировать (напр., при
повышении т-ры) с полным расхождением комплементарных цепей, к-рые сохраняют
способность к ассоциации с восстановлением (рекатурацией) двойной спирали при
61
возвращении к исходным условиям. Подробно изучены также кон-формации фрагментов
ДНК.
Рис. 1. Двойная спираль ДНК (стрелками показано направление полинуклеотидной цепи).
Установлено, чго молекула ДНК в клетке представляет собой совокупность генов,
регуляторных участков (последовательностей, связывающихся с регуляторными белками и
управляющих уровнем экспрессии генов), районов, участвующих в организации генов в
хромосомах, а также последовательностей, ф-ции к-рых еще не известны.
У прокариот (бактерии и синезеленые водоросли) ДНК организована в виде компактного
образования-н у к л е о и-д а, к-рый содержит всю хромосомную ДНК клетки длиной в неск.
миллионов пар нуклеотидов (м.п.н.). Кроме того, у мн. прокариог и эукариот (все организмы,
за исключением прокариот) обнаружены ьнехромосомные ДНК (т. наз. плаз-миды)размером
от неск. тысяч пар нуклеотидов (т.п.н.) до неск. десятков т.п.н. (м.п.н. и т.п.н.-принятые
единицы длины двухцепочечной молекулы нуклеиновых кислот)Мн. ДНК образуют кольцевые структуры. В том случае, если обе полинуклеотидные цепи
ДНК ковалентно непрерывны, ДНК может находиться в сверхспирализованной
(сверхскрученной) форме (рис. 2). В клетках сверхспирализация осуществляется ферментами
ДНК-гиразами (топоизомеразами II).
Хромосомные ДНК эукариот локализованы в клеточном ядре, где вместе с гистонами и
негистоновыми белками образуют хроматин -ну-клеопротеид, из к-рого организованы
хромосомы. Размеры ДНК в отдельных эукариотич. хромосомах колеблются в широких
пределах-от 103 до 105 т.п.н.
Геномы мн. вирусов бактерий (бактериофагов), животных и в более редких случаях растений
представлены ДНК. Такие клеточные органеллы, как митохондрии и хлоропласты, имеют
также свою собственную ДНК размером от неск. десятков до неск. сотен т.п.н.
Биосинтез ДНК осуществляется в результате репликации-точного самокопирования
(самовоспроизведения) путем синтеза новой молекулы ДНК на исходной ("материнской"), края играет роль матрицы. Этот процесс осуществляется под действием фермента ДНКполимеразы. Матрицей для синтеза ДНК может служить также однотяжевая
(одноцепочечная) РНК, комплементарное копирование к-рой осуществляет фермент
обратная транскриптаза.
Рибонуклеиновые кислоты. РНК, как правило, построены из одной полинуклеотидной
цепи, характерный элемент вторичной структуры к-рой - "шпильки", перемежающиеся
однотяжевыми участками (рис. 3). Шпилька - двутяжевая спиральная структура,
образующаяся в результате комплементарного спаривания оснований (А с U и G с С).
Шпильки и соединяющие их одно-тяжевые участки РНК укладываются в компактную
третичную структуру. Для тРНК вторичная структура имеет характерную форму, к-рую наз.
"клеверным листом". Известны редкие примеры целиком двухспиральных молекул РНК.
Двухспиральные гибридные комплексы (ДНК и РНК) м.б. искусственно получены из
комплементарных однотя-жевых ДНК и РНК. Функциональноактивные РНК имеют размер
от 70-150 до неск. тысяч нуклеотидных остатков. Биосинтез РНК (транскрипция)обычно
62
происходит в результате комплементарного копирования ДНК-матрицы, к-рое осуществляет
фермент РНК-полимераза.
Известно неск. типов РНК. Рибосомные рибонуклеиновые кислоты, связываясь с
рибосомными белками, образуют рибосомы, в к-рых осуществляется синтез белка.
Матричные рибонуклеиновые кислоты служат матрицами для синтеза белков (трансляции).
тРНК осуществляют связывание соответствующей аминокислоты и ее перенос к рибосомам.
Обнаружены т.наз. малые ядерные РНК, участвующие в превращ. первичных продуктов
транскрипции в функционирующие молекулы; т.наз. антисмысловые РНК участвуют в
регуляции биосинтеза белка и репликации плазмидных ДНК. В виде РНК представлены
геномы мн. вирусов (РНК-содержащие вирусы), в к-рых матрицами для синтеза РНК служат
вирусные РНК. Нек-рые РНК обладают ферментативной активностью, катализируя
расщепление и образование фосфодиэфирных связей в своих собственных или др. молекулах
РНК.
Вопросы для самоконтроля:
1. Химический состав нуклеиновых кислот
2. Характеристика азотистых оснований
3. Углеводы в составе нуклеиновых кислот
4. Типы нуклеиновых кислот
Рекомендуемая литература:
1.
Шабарова 3. А., Богданов А. А., Химия нуклеиновых кислот и их компонентов, М.,
1978;
2.
Страйер Л., Биохимия, пер. с англ., т. 3, М., 1985; Уотсон Дж., Туз Дж., Курц Д.,
Рекомбинантные ДНК, пер. с англ., М., 1986;
3.
Зенгер В., Принципы структурной организации нуклеиновых кислот, пер. с англ., М.,
1987;
4.
Овчинников Ю.А., Биоорганическая химия, М., 1987, с. 295-397. А. А. Богданов, 3. А.
Шабарова.
Лекция № 14-15. Гормоны
.
Цель: ознакомиться со строением гормонов, номенклатурой и классификацией гормонов.
Основные вопросы:
1. Номенклатура и классификация гормонов
2. Стероидные гормоны: строение, свойства и функции
3. Пептидные и прочие гормоны: строение, свойства и функции
Краткое содержание:
ГОРМОНЫ животных (от греч. hormao-привожу в движение, побуждаю), в-ва,
вырабатываемые специализиров. клетками и железами внутр. секреции и регулирующие
обмен в-в отдельных органов и всего организма в целом. Для всех гормонов характерна
большая специфичность действия и высокая биол. активность.
Химическое строение. Известно более 40 гормонов человека и животных (см. табл.). По хим.
строению их делят на три группы: производные аминокислот, стероидные и пептидные.
Гормоны первой группы (напр., адреналин, тироксин)по структуре близки к тирозину и
триптофану (см. Аминокислоты). Стероидные гормоны, содержащие в своей основе
структуру циклопентанпергидрофенантренового кольца, по числу углеродных атомов делят
на три семейства: гормоны коры надпочечников и прогестерон (С21-стероиды) - производные
прегнана (ф-ла I), мужские половые гормоны (С19-стероиды) - производные андростана (II, R
63
= СН3) и женские половые гормоны (С18-стероиды)- производные эстрона(И,R Н).
Пептидные гормоны условно делят на четыре подгруппы: пептиды (вазопрессин, окситоцин
и др.), полипептиды (адренокортикотропин, глюкагон, инсулин, калъцитопин и др.), простые
белки (напр., плацентарный лактоген, пролактин, соматотропин)и гликопротеины
(лютеинизирующий гормон, фолликулостимулирующий гормон и др.). Последние состоят из
двух субъединиц, причем субъединицы во всех гликопротеинных гормонах имеют очень
сходное строение, тогда как строение субъединиц характерно для каждого гормона этой
подгруппы и определяет специфику его действия.
Изучается взаимосвязь между структурой и ф-цией пеп-тидных гормонов. Для этого при
помощи фрагментации молекулы выявляют аминокислотные звенья, к-рые определяют биол.
активность гормонов, путем хим. модификаций молекул гормонов устанавливают роль разл.
функц. групп.
Механизм действия. Стероидные гормоны, проникнув в клетку, связываются с
цитоплазматич. рецепторами, образовавшийся комплекс транспортируется в ядро, где он
связывается с белками хроматина и регулирует транскрипцию определенных генов. Гормоны
щитовидной железы также действуют непосредственно на ядро, но, в отличие от
стероидных, после проникания в клетку сразу связываются с ядерными рецепторами. Все
остальные гормоны взаимод. с рецепторами, находящимися на клеточной пов-сти. Действие
подавляющего большинства этих гормонов опосредовано изменением в клетке концентрации
циклич. 3',5'-аденозинмонофосфата (ц-АМФ). Связывание гормонов с-рецептором,
находящимся на клеточной пов-сти, вызывает активацию фермента аденилатциклазы,
катализирующего превращение АТФ в ц-АМФ; последний взаимод. с регуляторной
субъединицей фермента протеинкиназы и вызывает ее отщепление от каталитич.
субъединицы.
Освободившаяся
субъединица
протеинкиназы
катализирует
фосфорилирование ряда белков, в результате чего изменяются конформация нёк-рых
структурных белков и активность мн. ферментов. Для нек-рых пептидных гормонов (напр.,
инсулина, пролактина, соматотропина) механизм действия еще не расшифрован, но,
повидимому, они также взаимод. с рецепторами, находящимися на клеточной пов-сти,
вызывая образование посредников.
Получение. Небелковые гормоны, пептидные гормоны небольшой мол. массы и активные
фрагменты нек-рых полипептидных гормонов синтезируют. Полипептидные и белковые
гормоны получают гл. обр. экстрагированием из желез убойного скота и послед. очисткой.
Разработаны способы получения нек-рых пептидных гормонов (напр., инсулина и
соматотропина) с использованием генной инженерии. Метод основан на выделении гена
соответствующего гормона и включении его в геном бактериальных клеток, приобретающих
т. обр. способность к синтезу данного гормона. В результате размножения образуются
большие массы бактерий, активно синтезирующих гормоны.
Применение. Наиб. широко гормоны используют при эндокринных заболеваниях, связанных
с недостатком или отсутствием в организме эндогенного гормона (напр., инсулин при
сахарном диабете). Гормоны применяют также для усиления или подавления ф-ции той или
иной эндокринной железы. Так, гормоны передней доли гипофиза стимулируют
соответствующие периферич. железы (напр., адренокортикотропин-кору надпочечников,
тиреотропин-щитовидную железу), а гормоны периферич. желез подавляют секрецию
64
гипофизарных гормонов (напр., кортикостероиды подавляют секрецию адренокортикотропина). Важные области применения гормонов-акушерство и гинекология. Так,
хорионический гонадотропин используют для лечения бесплодия, окситоцин-для усиления
родовой деятельности, пролактин-для стимуляции секреции молока. Стероидные половые
гормоны применяют при разл. видах дисфункции половой системы, в кач-ве
противозачаточных ср-в и при лечении нек-рых форм рака (женские половые гормоны при
раке предстательной железы, мужские-при раке молочной железы). Важная роль
принадлежит гормонам и в лечении мн. неэндокринных заболеваний; в первую очередь это
относится к гормонам коры надпочечников, к-рые применяются при воспалит. процессах,
аллергич. заболеваниях, нефрите, рев-матоидном артрите и др. Мужские стероидные
половые гормоны и их синтетич. аналоги -анаболические вещества.
НОМЕНКЛАТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРМОНОВ
Химическая природа почти всех известных гормонов выяснена в деталях (включая
первичную структуру белковых и пептидных гормонов), однако до настоящего времени не
разработаны общие принципы их номенклатуры. Химические наименования многих
гормонов точно отражают их химическую структуру и очень громоздкие. Поэтому чаще
применяются тривиальные названия гормонов. Принятая номенклатура указывает на
источник гормона (например, инсулин – от лат. insula – островок) или отражает его функцию
(например, пролактин, вазопрессин). Для некоторых гормонов гипофиза (например,
лютеинизирующего и фолликулостимулирующего), а также для всех гипоталамических
гормонов разработаны новые рабочие названия.
Аналогичное положение существует и в отношении классификации гормонов. Гормоны
классифицируют в зависимости от места их природного синтеза, в соответствии с которым
различают гормоны гипоталамуса, гипофиза, щитовидной железы, надпочечников,
поджелудочной железы, половых желез, зобной железы и др. Однако подобная
анатомическая классификация недостаточно совершенна, поскольку некоторые гормоны или
синтезируются не в тех железах внутренней секреции, из которых они секретируются в кровь
(например, гормоны задней доли гипофиза, вазопрессин и окситоцин синтезируются в
гипоталамусе, откуда переносятся в заднюю долю гипофиза), или синтезируются и в других
железах (например, частичный синтез половых гормонов осуществляется в коре
надпочечников, синтез простагландинов происходит не только в предстательной железе, но и
в других органах) и т.д. С учетом этих обстоятельств были предприняты попытки создания
современной классификации гормонов, основанной на их химической природе. В
соответствии с этой классификацией различают три группы истинных гормонов: 1)
пептидные и белковые гормоны, 2) гормоны – производные аминокислот и 3) гормоны
стероидной природы. Четвертую группу составляют эйкозаноиды – гормоноподоб-ные
вещества, оказывающие местное действие.
Пептидные и белковые гормоны включают от 3 до 250 и более аминокислотных остатков.
Это гормоны гипоталамуса и гипофиза (тироли-берин, соматолиберин, соматостатин, гормон
роста, кортикотропин, тире-отропин и др. – см. далее), а также гормоны поджелудочной
железы (инсулин, глюкагон). Гормоны – производные аминокислот в основном
представлены производными аминокислоты тирозина. Это низкомолекулярные соединения
адреналин и норадреналин, синтезирующиеся в мозговом веществе надпочечников, и
гормоны щитовидной железы (тироксин и его производные). Гормоны 1-й и 2-й групп
хорошо растворимы в воде.
Гормоны стероидной природы представлены жирорастворимыми гормонами коркового
вещества надпочечников (кортикостероиды), половыми гормонами (эстрогены и андрогены),
а также гормональной формой витамина D.
Эйкозаноиды, являющиеся производными полиненасыщенной жирной кислоты
(арахидоновой), представлены тремя подклассами соединений: простагландины,
тромбоксаны и лейкотриены. Эти нерастворимые в воде и нестабильные соединения
оказывают свое действие на клетки, находящиеся вблизи их места синтеза.
65
Далее будут рассмотрены химическое строение, функции и пути биосинтеза и распада
основных классов гормонов, подразделяющихся на отдельные группы в соответствии с
классификацией, в основе которой лежит химическая природа гормонов.
ГОРМОНЫ ГИПОТАЛАМУСА
Гипоталамус служит местом непосредственного взаимодействия высших отделов ЦНС и
эндокринной системы. Природа связей, существующих между ЦНС и эндокринной
системой, стала проясняться в последние десятилетия, когда из гипоталамуса были выделены
первые гуморальные факторы, оказавшиеся гормональными веществами с чрезвычайно
высокой биологической активностью. Потребовалось немало труда и экспериментального
мастерства, чтобы доказать, что эти вещества образуются в нервных клетках гипоталамуса,
откуда по системе портальных капилляров достигают гипофиза и регулируют секрецию
гипофизарных гормонов, точнее их освобождение (возможно, и биосинтез). Эти вещества
получили сначала наименование нейрогормонов, а затем рилизинг-факторов (от англ. release
– освобождать), или либеринов. Вещества с противоположным действием, т.е. угнетающие
освобождение (и, возможно, биосинтез) гипофизар-ных гормонов, стали называть
ингибирующими факторами, или статинами. Таким образом, гормонам гипоталамуса
принадлежит ключевая роль в физиологической системе гормональной регуляции
многосторонних биологических функций отдельных органов, тканей и целостного
организма.
К настоящему времени в гипоталамусе открыто 7 стимуляторов (либе-рины) и 3 ингибитора
(статины) секреции гормонов гипофиза, а именно: кортиколиберин, тиролиберин,
люлиберин,
фоллилиберин,
соматолиберин,
пролактолиберин,
меланолиберин,
соматостатин, пролактостатин и меланостатин (табл. 8.1). В чистом виде выделено 5
гормонов, для которых установлена первичная структура, подтвержденная химическим
синтезом.
Большие трудности при получении гормонов гипоталамуса в чистом виде объясняются
чрезвычайно низким содержанием их в исходной ткани. Так, для выделения всего 1 мг
тиролиберина потребовалось переработать 7 т гипоталамусов, полученных от 5 млн овец.
Следует отметить, что не все гормоны гипоталамуса, по-видимому, строго специфичны в
отношении одного какого-либо гипофизарного гормона. В частности, для тиролиберина
показана способность освобождать, помимо тиротропина, также пролактин, а для
люлиберина, помимо лютеи-низирующего гормона,– также фолликулостимулирующий
гормон.
1
Гипоталамические гормоны не имеют твердо установленных наименований. Рекомендуется
в первой части названия гормона гипофиза добавлять окончание «либерин»; например,
«тиролиберин» означает гормон гипоталамуса, стимулирующий освобождение (и, возможно,
синтез) тиротропина - соответствующего гормона гипофиза. Аналогичным образом образуют
названия факторов гипоталамуса, ингибирующих освобождение (и, возможно, синтез) тропных гормонов гипофиза,- добавляют окончание «статин». Например, «соматостатин»
означает гипоталамический пептид, ингибирующий освобождение (или синтез) гормона
роста гипофиза - соматотропина.
Установлено, что по химическому строению все гормоны гипоталамуса являются
низкомолекулярными пептидами, так называемыми олигопепти-дами необычного строения,
хотя точный аминокислотный состав и первичная структура выяснены не для всех.
Приводим полученные к настоящему времени данные о химической природе шести из
известных 10 гормонов гипоталамуса.
ГОРМОНЫ ГИПОФИЗА
В гипофизе синтезируется ряд биологически активных гормонов белковой и пептидной
природы, оказывающих стимулирующий эффект на различные физиологические и
биохимические процессы в тканях-мишенях (табл. 8.2). В зависимости от места синтеза
различают гормоны передней, задней и промежуточной долей гипофиза. В передней доле
вырабатываются в основном белковые и полипептидные гормоны, называемые тропными
66
гормонами, или тропинами, вследствие их стимулирующего действия на ряд других
эндокринных желез. В частности, гормон, стимулирующий секрецию гормонов щитовидной
железы, получил название «тиротропин».
В последние годы из ткани мозга животных было выделено более 50 пептидов, получивших
название нейропептидов и определяющих поведенческие реакции. Показано, что эти
вещества влияют на некоторые формы поведения, процессы обучения и запоминания,
регулируют сон и снимают, подобно морфину, боль. Так, выделенный β-эндорфин (31
аминокислотный остаток с выясненной последовательностью) оказался почти в 30 раз
активнее морфина в качестве обезболивающего средства. Ряд других пептидов оказывает
снотворное действие, а 16-членный пептид, вызывающий у крыс страх темноты, был назван
скотофобином. Выделен полипептид амелетин, который, наоборот, отучает крыс бояться
резкого звука электрического звонка. Работы в этом направлении интенсивно ведутся во
многих лабораториях. Вполне возможно, что скоро будут выделены и соответственно
синтезированы искусственно для каждой формы поведения соответствующие нейропептиды,
включая пептиды памяти.
Далее приводятся данные о структуре и функциях важнейших гормонов гипофиза и других
желез внутренней секреции, имеющих белковую и пептидную природу.
Вазопрессин и окситоцин
Гормоны вазопрессин и окситоцин синтезируются рибосомальным путем, причем
одновременно в гипоталамусе синтезируются 3 белка: нейрофизин I, II и III, функция
которых заключается в нековалентном связывании окситоцина и вазопрессина и транспорте
этих гормонов в нейросекреторные гранулы гипоталамуса. Далее в виде комплексов
нейрофизин–гор-мон они мигрируют вдоль аксона и достигают задней доли гипофиза, где
откладываются про запас; после диссоциации комплекса свободный гормон секретируется в
кровь. Нейрофизины также выделены в чистом виде, и выяснена первичная структура двух
из них (92 из 97 аминокислотных остатков соответственно); это богатые цистеином белки,
содержащие по семь дисульфидных связей.
Химическое строение обоих гормонов было расшифровано классическими работами В. дю
Виньо и сотр., впервые выделивших эти гормоны из задней доли гипофиза и осуществивших
их химический синтез. Оба гормона представляют собой нонапептиды следующего
строения:
Вазопрессин отличается от окситоцина двумя аминокислотами: он содержит в положении 3
от N-конца фенилаланин вместо изолейцина и в положении 8 – аргинин вместо лейцина.
Указанная последовательность 9 аминокислот характерна для вазопрессина человека,
обезьяны, лошади, крупного рогатого скота, овцы и собаки. В молекуле вазопрессина из
гипофиза свиньи вместо аргинина в положении 8 содержится лизин, отсюда название
«лизин-вазопрессин». У всех позвоночных, за исключением млекопитающих,
идентифицирован, кроме того, вазотоцин. Этот гормон, состоящий из кольца с S—S
мостиком окситоцина и боковой цепью вазопрессина, был синтезирован химически В. дю
Виньо задолго до выделения природного гормона. Высказано предположение, что эволюционно все нейрогипофизарные гормоны произошли от одного общего предшественника, а
именно аргинин-вазотоцина, из которого путем одиночных мутаций триплетов генов
образовались модифицированные гормоны.
Основной биологический эффект окситоцина у млекопитающих связан со стимуляцией
сокращения гладких мышц матки при родах и мышечных волокон вокруг альвеол молочных
67
желез, что вызывает секрецию молока. Вазопрессин стимулирует сокращение гладких
мышечных волокон сосудов, оказывая сильное вазопрессорное действие, однако основная
роль его в организме сводится к регуляции водного обмена, откуда его второе название
антидиуретического гормона. В небольших концентрациях (0,2 нг на 1 кг массы тела)
вазопрессин оказывает мощное антидиуретическое действие – стимулирует обратный ток
воды через мембраны почечных канальцев. В норме он контролирует осмотическое давление
плазмы крови и водный баланс организма человека. При патологии, в частности атрофии
задней доли гипофиза, развивается несахарный диабет – заболевание, характеризующееся
выделением чрезвычайно больших количеств жидкости с мочой. При этом нарушен
обратный процесс всасывания воды в канальцах почек.
Относительно механизма действия нейрогипофизарных гормонов известно, что
гормональные эффекты, в частности вазопрессина, реализуются
через аденилатциклазную систему (см. далее). Однако конкретный механизм действия
вазопрессина на транспорт воды в почках пока остается неясным.
Меланоцитстимулирующие гормоны (МСГ, меланотропины)
Меланотропины синтезируются и секретируются в кровь промежуточной долей гипофиза.
Выделены и расшифрованы первичные структуры двух типов гормонов – α- и βмеланоцитстимулирующие гормоны (α-МСГ и β-МСГ). Оказалось, чо у всех обследованных
животных α-МСГ состоит из 13 остатков аминокислот, расположенных в одинаковой
последовательности:
СН3-СО-NH-Сер–Тир–Сер–Мет–Глу–Гис–Фен–Арг–Трп–Гли–Лиз–
–Про–Вал-СО-NН2
В α-МСГ N-концевой серин ацетилирован, а С-концевая аминокислота представлена
валинамидом.
Состав и структура β-МСГ оказались более сложными. У большинства животных молекула
β-МСГ состоит из 18 остатков аминокислот; кроме того, имеются видовые различия,
касающиеся природы аминокислоты в положениях 2, 6 и 16 полипептидной цепи гормона. βМСГ, выделенный из промежуточной доли гипофиза человека, оказался 22-членным
пептидом, удлиненным на 4 аминокислотных остатка с N-конца:
Н-Ала–Глу–Лиз–Лиз–Асп–Глу–Гли–Про–Тир–Aрг–Мет–Глу–Гис–Фен–
–Арг–Трп–Гли–
Сер–Про–Про–Лиз–Асп-ОН
Физиологическая роль меланотропинов заключается в стимулировании меланиногенеза у
млекопитающих и увеличении количества пигментных клеток (меланоцитов) в кожных
покровах земноводных. Возможно также влияние МСГ на окраску меха и секреторную
функцию сальных желез у животных.
Адренокортикотропный гормон (АКТГ, кортикотропин)
Еще в 1926 г. было установлено, что гипофиз оказывает стимулирующее влияние на
надпочечники, повышая секрецию гормонов коркового вещества. Накопленные к
настоящему времени данные свидетельствуют, что этим свойством наделен АКТГ,
вырабатываемый базофильными клетками аденогипофиза. АКТГ, помимо основного
действия – стимуляции синтеза и секреции гормонов коры надпочечников, обладает
жиромобилизующей и меланоцитстимулирующей активностью.
Молекула АКТГ у всех видов животных содержит 39 аминокислотных остатков. Первичная
структура АКТГ свиньи и овцы была расшифрована еще в 1954–1955 гг. Приводим
уточненное строение АКТГ человека:
Н-Сер–Тир–Сер–Мет–Глу–Гис–Фен–Арг–Трп–Гли–Лиз–Про–Вал–Гли–
–Лиз–Лиз–Aрг–Aрг–Про–Вал–Лиз–Вал–Тир–Про–Асп–Ала–Гли–Глу–
–Асп–Глн–Сер–Ала–Глу–Ала–Фен–Про–Лей–Глу–Фен-ОН
Различия в структуре АКТГ овцы, свиньи и быка касаются только природы 31-го и 33-го
остатков аминокислот, однако все они наделены почти одинаковой биологической
активностью, как и АКТГ гипофиза человека. В молекуле АКТГ, как и других белковых
гормонов, хотя и не открыты активные центры наподобие активных центров ферментов,
68
однако предполагается наличие двух активных участков пептидной цепи, один из которых
ответствен за связывание с соответствующим рецептором, другой – за гормональный
эффект.
Данные о механизме действия АКТГ на синтез стероидных гормонов свидетельствуют о
существенной роли аденилатциклазной системы. Предполагают, что АКТГ вступает во
взаимодействие со специфическими рецепторами на внешней поверхности клеточной
мембраны (рецепторы представлены белками в комплексе с другими молекулами, в
частности с сиаловой кислотой). Сигнал затем передается на фермент аденилатцикла-зу,
расположенную на внутренней поверхности клеточной мембраны, которая катализирует
распад АТФ и образование цАМФ. Последний активирует протеинкиназу, которая в свою
очередь с участием АТФ осуществляет фосфорилирование холинэстеразы, превращающей
эфиры холестерина в свободный холестерин, который поступает в митохондрии
надпочечников, где содержатся все ферменты, катализирующие превращение холестерина в
кортикостероиды.
Соматотропный гормон (СТГ, гормон роста, соматотропин)
Гормон роста был открыт в экстрактах передней доли гипофиза еще в 1921 г., однако в
химически чистом виде получен только в 1956–1957 гг. СТГ синтезируется в ацидофильных
клетках передней доли гипофиза; концентрация его в гипофизе составляет 5–15 мг на 1 г
ткани, что в 1000 раз превышает концентрацию других гормонов гипофиза. К настоящему
времени полностью выяснена первичная структура белковой молекулы СТГ человека, быка и
овцы. СТГ человека состоит из 191 аминокислоты и содержит две дисульфидные связи; N- и
С-концевые аминокислоты представлены фенилаланином.
СТГ обладает широким спектром биологического действия. Он влияет на все клетки
организма, определяя интенсивность обмена углеводов, белков, липидов и минеральных
веществ. Он усиливает биосинтез белка, ДНК, РНК и гликогена и в то же время способствует
мобилизации жиров из депо и распаду высших жирных кислот и глюкозы в тканях. Помимо
активации процессов ассимиляции, сопровождающихся увеличением размеров тела, ростом
скелета, СТГ координирует и регулирует скорость протекания обменных процессов. Кроме
того, СТГ человека и приматов (но не других животных) обладает измеримой лактогенной
активностью. Предполагают, что многие биологические эффекты этого гормона
осуществляются через особый белковый фактор, образующийся в печени под влиянием
гормона. Этот фактор был назван сульфирующим или тимидиловым, поскольку он
стимулирует включение сульфата в хрящи, тимидина – в ДНК, уридина – в РНК и пролина –
в коллаген. По своей природе этот фактор оказался пептидом с мол. массой 8000. Учитывая
его биологическую роль, ему дали наименование «соматомедин», т.е. медиатор действия
СТГ в организме.
СТГ регулирует процессы роста и развития всего организма, что подтверждается
клиническими наблюдениями. Так, при гипофизарной карликовости (патология, известная в
литературе как пангипопитуитаризм; связана с врожденным недоразвитием гипофиза)
отмечается пропорциональное недоразвитие всего тела, в том числе скелета, хотя
существенных отклонений в развитии психической деятельности не наблюдается. У
взрослого человека также развивается ряд нарушений, связанных с гипо- или гиперфункцией
гипофиза. Известно заболевание акромегалия (от греч. akros – конечность, megas – большой),
характеризующееся непропорционально интенсивным ростом отдельных частей тела,
например рук, ног, подбородка, надбровных дуг, носа, языка, и разрастанием внутренних
органов. Болезнь вызвана, по-видимому, опухолевым поражением передней доли гипофиза.
Лактотропный гормон (пролактин, лютеотропный гормон)
Пролактин считается одним из наиболее «древних» гормонов гипофиза, поскольку его
удается обнаружить в гипофизе низших наземных животных, у которых отсутствуют
молочные железы, а также получить лактогенный эффект у млекопитающих. Помимо
основного действия (стимуляция развития молочных желез и лактации), пролактин имеет
важное биологическое значение – стимулирует рост внутренних органов, секрецию желтого
69
тела (отсюда его второе название «лютеотропный гормон»), оказывает рено-тропное,
эритропоэтическое и гипергликемическое действие и др. Избыток пролактина,
образующийся обычно при наличии опухолей из секретирую-щих пролактин клеток,
приводит к прекращению менструаций (аменорея) и увеличению молочных желез у женщин
и к импотенции – у мужчин.
Расшифрована структура пролактина из гипофиза овцы, быка и человека. Это крупный
белок, представленный одной полипептидной цепью с тремя дисульфидными связями,
состоящий из 199 аминокислотных остатков. Видовые отличия в последовательности
аминокислот касаются по существу 2–3 аминокислотных остатков. Раньше оспаривалось
мнение о секреции лактотропина в гипофизе человека, поскольку предполагали, что его
функцию якобы выполняет соматотропин. В настоящее время получены убедительные
доказательства существования пролактина человека, хотя в гипофизе его содержится
значительно меньше, чем гормона роста. В крови женщин уровень пролактина резко
повышается перед родами: до 0,2 нг/л против 0,01 нг/л в норме.
Гонадотропные гормоны (гонадотррпины)
К гонадотропинам относятся фолликулостимулирующий гормон (ФСГ, фоллитропин) и
лютеинизирующий гормон (ЛГ, лютропин), или гормон, стимулирующий интерстициальные
клетки . Оба гормона синтезируются в передней доле гипофиза и являются, как и
тиротропин, сложными белками – гликопротеинами с мол. массой 25000. Они регулируют
стероидо- и гаметогенез в половых железах. Фоллитропин вызывает созревание фолликулов
в яичниках у самок и сперматогенез – у самцов. Лютропин у самок стимулирует секрецию
эстрогенов и прогестерона, как и разрыв фолликулов с образованием желтого тела, а у
самцов – секрецию тестостерона и развитие интерстициальной ткани. Биосинтез
гонадотропинов, как было отмечено, регулируется гипоталамическим гормоном
гонадолиберином.
Химическая структура молекулы лютропина расшифрована полностью. Лютропин состоит
из двух α- и β-субъединиц. Структура α-субъединиц гормона у большинства животных
совпадает. Так, у овцы она содержит 96 аминокислотных остатков и 2 углеводных радикала.
У человека α-субъеди-ница гормона укорочена на 7 аминокислотных остатков с N-конца и
отличается природой 22 аминокислот. Расшифрована также последовательность
аминокислот в β-субъединицах лютропина свиньи и человека. α- и β-Субъ-единицы в
отдельности лишены биологической активности (по аналогии с большинством субъединиц
ферментов). Только их комплекс, образование которого, вероятнее всего, предопределено
первичной структурой их, приводит к формированию биологически активной
макромолекулярной структуры за счет гидрофобных взаимодействий.
ГОРМОНЫ ПАРАЩИТОВИДНЫХ ЖЕЛЕЗ (ПАРАТГОРМОНЫ)
Есть противопоказания. Посоветуйтесь с врачом.
К гормонам белковой природы относится также паратиреоидный гормон (паратгормон),
точнее, группа паратгормонов, различающихся последовательностью аминокислот. Они
синтезируются паращитовидными железами. Еще в 1909 г. было показано, что удаление
паращитовидных желез вызывает у животных тетанические судороги на фоне резкого
падения концентрации кальция в плазме крови; введение солей кальция предотвращало
гибель животных. Однако только в 1925 г. из паращитовидных желез был выделен активный
экстракт, вызывающий гормональный эффект – повышение содержания кальция в крови.
Чистый гормон был получен в 1970 г. из паращитовидных желез крупного рогатого скота;
тогда же была определена его первичная структура. Выяснено, что паратгормон
синтезируется в виде предшественника (115 аминокислотных остатков) пропарат-гормона,
однако первичным продуктом гена оказался препропарат-гормон, содержащий
дополнительно сигнальную последовательность из 25 аминокислотных остатков. Молекула
паратгормона быка содержит 84 аминокислотных остатка и состоит из одной полипептидной
цепи.
70
Выяснено, что паратгормон участвует в регуляции концентрации катионов кальция и
связанных с ними анионов фосфорной кислоты в крови. Как известно, концентрация кальция
в сыворотке крови относится к химическим константам, суточные колебания ее не
превышают 3–5% (в норме 2,2– 2,6 ммоль/л). Биологически активной формой считается
ионизированный кальций, концентрация его колеблется в пределах 1,1–1,3 ммоль/л. Ионы
кальция оказались эссенциальными факторами, не заменимыми другими катионами для ряда
жизненно важных физиологических процессов: мышечное сокращение, нервно-мышечное
возбуждение, свертывание крови, проницаемость клеточных мембран, активность ряда
ферментов и т.д. Поэтому любые измененния этих процессов, обусловленные длительным
недостатком кальция в пище или нарушением его всасывания в кишечнике, приводят к
усилению синтеза паратгормона, который способствует вымыванию солей кальция (в виде
цитратов и фосфатов) из костной ткани и соответственно к деструкции минеральных и
органических компонентов костей.
Другой орган-мишень паратгормона – это почка. Паратгормон уменьшает реабсорбцию
фосфата в дистальных канальцах почки и повышает канальце-вую реабсорбцию кальция.
Следует указать, что в регуляции концентрации Са2+ во внеклеточной жидкости основную
роль играют три гормона: паратгормон, кальцитонин, синтезируемый в щитовидной железе
(см. далее), и кальцитриол [1,25(ОН)2-D3] – производное D3(см. главу 7). Все три гормона
регулируют уровень Са2+, но механизмы их действия различны. Так, главная роль
кальцитрио-ла заключается в стимулировании всасывания Са2+ и фосфата в кишечнике,
причем против концентрационного градиента, в то время как паратгормон способствует
выходу их из костной ткани в кровь, всасыванию кальция в почках и выделению фосфатов с
мочой. Менее изучена роль кальцитонина в регуляции гомеостаза Са2+ в организме. Следует
отметить также, что кальцитриол по механизму действия на клеточном уровне аналогичен
действию стероидных гормонов (см. ниже).
Считается доказанным, что физиологическое влияние паратгормона на клетки почек и
костной ткани реализуется через систему аденилатциклаза-цАМФ
ГОРМОНЫ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ
Вопросы для самоконтроля:
1. Номенклатура и классификация гормонов
2. Стероидные гормоны: строение, свойства и функции
3. Пептидные и прочие гормоны: строение, свойства и функции
Рекомендуемая литература:
1. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии..-М.: Высшая школа, 1969.
2. Строев Е.А. Биологическая химия, 1986
3. Березов Т.Т. и др. Биологическая химия. М.: Медицина, 1990
71
Методические указания
для проведения практических занятий.
Выполнение практических занятий способствует укреплению знаний по
химическим основам жизни, развивает у студента самостоятельность и
прививает навыки проведения эксперимента. Для того чтобы работа в
лаборатории проходила успешно, необходимо предварительно изучить
теоретический материал по учебникам, записям лекций и пособиям по
химическим практикумам. Этим вырабатывается сознательное отношение к
выполнению техники эксперимента, сама работа будет осмыслена, а,
следовательно, и понята.
Работающим в лаборатории химии необходимо неукоснительно
соблюдать правила техники безопасности и правила работы с химической
посудой и приборами.
Нужно научиться пользоваться химическими
реактивами, химическим оборудованием, которые перечислены в руководствах
для работ по химическому практикуму. Указания не должны сковывать
инициативу и лишать самостоятельность, а наоборот, выполнение указаний
ускоряет работу, предупреждает возможную порчу приборов, посуды и
реактивов.
Успех экспериментальной работы зависит не только от правильности
выбора методов работы, последовательности выполнения измерений,
взвешиваний, но и от правильной систематической записи результатов.
К выполнению лабораторной работы допускаются студенты,
получившие допуск после проверки преподавателем теоретических знаний по
теме, знания методики выполнения лабораторных работ и подготовившие
лабораторный журнал к ведению записей по теме. После выполнения
лабораторной работы студент должен навести порядок на своем рабочем месте
и сдать его дежурному или лаборанту. После оформления результатов в
лабораторном журнале студент должен сдать отчет преподавателю.
Задания к лабораторным работам, контрольные вопросы и задачи по теме
приведены в учебнике
Филиппович Ю.Б. и др. Практикум по общей биохимии. М.: ВШ, 1986
72
№
1
План практических занятий
по курсу «Биохимия».
Наименование тем
Кол-во
часов
2
3
Руковод
ство
4
1.
Качественные реакции на аминокислоты и белки
Биуретовая, нингидриновая, ксантопротеиновая
реакции, реакция на серосодержащие
аминокислоты, реакция на триптофан.
2
/ 1 / Филиппович
Ю.Б. и др.
Практикум по
общей биохимии.
М.: ВШ, 1986
Стр 63-64,217-221
2.
Свойства белков
Осаждение белков солями щелочных и
щелочноземельных
металлов
(сульфатом
аммония, сульфатом магния). Денатурация
белков при температуре.
Качественные пробы на присутствие ферментов
Открытие амилазы в слюне,
альдегидгидрогеназы в сыром молоке,
пероксидазы в сыром картофеле.
Специфичность действия ферментов на примере
амилазы слюны.
Качественные реакции на моносахариды
Реакция с α-нафтолом, тимолом, реакция
Селиванова, реакция с мочевиной на фруктозу,
реакция Ниландера, фелингова реакция, реакция
с анилином, реакция с β-нафтолом и серной
кислотой.
Изучение
восстанавливающих
свойств
дисахаридов
1.Реакция крахмала с йодом
2. Проверка восстанавливающих свойств
крахмала
Качественные реакции на жиры
Образование масляного пятна. Омыление жира.
Проба на непредельные жирные кислоты.
Эмульгирование жирных масел.
Витамины
Качественное определение жирорастворимых
витаминов готовых препаратах и некоторых
биологических объектах
2
/1/
Стр 83-84
4
/1/
Работа № 15,
Стр 129-131
2
/1/
Работа № 9,
Стр 217-223
2
/1/
Работа № 12, 13
Стр 223
2
/1/
Стр 258-259
1
/1/
Стр 192-197
3.
4.
5.
6.
7.
15ч
73
Цель практических занятий занятий и вопросы для самоконтроля.
№
Наименование тем
Цель занятия
Вопросы для
самоконтроля
1
1.
2
Качественные реакции на
аминокислоты и белки
Биуретовая, нингидриновая,
ксантопротеиновая реакции,
реакция на серосодержащие
аминокислоты, реакция на
триптофан.
2.
Свойства белков
Осаждение белков солями
щелочных
и
щелочноземельных
металлов
(сульфатом
аммония,
сульфатом
магния).
Денатурация
белков при температуре.
3.
4.
3
Изучить на примере
качественных реакций
состав,
свойства,
белков,
аминокислотный
состав,
научиться
писать
уравнения
синтеза белков по
названиям
аминокислотных
остатков
4
1.
Элементарный
химический
состав белков
2.
Аминокислотн
ый состав
белков
3.
Пространствен
ные структуры
белков
4. Номенклатура и
классификация
белков
Освоить
методы 1.В
чём
осаждения
белков, заключанется метод
критерии
чистоты осаждения
выделенных белковых 2.Какими
молекул
реактивами можно
осадить белок не
вызвав денатурацию
3.Что
такое
изоэлектрическая
точка
4.принципы
хроматографичекого
метода анализа
Качественные пробы на
Освоить на основе 1. Состав и
присутствие ферментов
экспериментальных
строение
Открытие амилазы в слюне, методов
свойства, ферментов
альдегидгидрогеназы в
состав
ферментов, 2.Механизм
сыром молоке, пероксидазы специфичность
их ферментативного
в сыром картофеле.
действия
катализа
Специфичность действия
3.Номенклатура
ферментов на примере
ферментов
амилазы слюны.
Качественные реакции на Освоить на основе 1. Общая
моносахариды
экспериментальных
характеристика
Реакция
с
α-нафтолом, методов
свойства, класса углеводов
тимолом,
реакция состав моносахаридов 2. Строение и
Селиванова,
реакция
с
свойства
74
5.
6.
7.
мочевиной на фруктозу,
реакция
Ниландера,
фелингова реакция, реакция
с анилином, реакция с βнафтолом
и
серной
кислотой.
Изучение
восстанавливающих свойств
дисахаридов
1.Реакция крахмала с йодом
2.
Проверка
восстанавливающих свойств
крахмала
Качественные реакции на
жиры
Образование
масляного
пятна. Омыление жира.
Проба на непредельные
жирные
кислоты.
Эмульгирование
жирных
масел.
Витамины
Качественное определение
жирорастворимых
витаминов
готовых
препаратах и некоторых
биологических объектах
моносахаридов,
дисахаридов и
полисахаридов
Освоить на основе
экспериментальных
методов
свойства,
состав дисахаридов
1.Написать
структуры основных
физиологически
активных
дисахаридов
2. чем отличаются
восстановливающие
дисахариды
от
невосстанавливающи
х
Освоить на основе 1.
Общая
экспериментальных
характеристика
методов
свойства, класса липидов
состав липидов
2.
Номенклатура
липидов
3. Свойства липидов
Освоить на основе
экспериментальных
методов
свойства,
состав,
структуру
витаминов
1. Витамины.
Классификация
витаминов.
2.Жирорастворимые
витамины и их
биохимическая
функция.
3. Водорастворимые
витамины и их
биохимическая
функция.
4. Общая
характеристика
коферментов.
Химическая
природа
и
механизм
действия.
ЛИТЕРАТУРА:
Филиппович Ю.Б. и др. Практикум по общей биохимии. М.: ВШ, 1986
75
Методические рекомендации по СРСП.
Самостоятельная работа под руководством преподавателя (СРСП)
предполагает работу в аудитории, которая включает выполнение контрольных
заданий, выявляющих понимание теоретических основ заданной темы;
методики выполнения лабораторных опытов по теме; оформление результатов
лабораторных опытов в лабораторном журнале; решение задач; сдачу отчетов
по лабораторным работам и коллоквиумов по основным разделам курса.
Данная форма учебного занятия направлена на закрепление знаний студента.
СРСП выполняет функции консультирования и контроля.
№
1
1.
Планы СРСП к практическим занятиям
Тема
Задание
Форма
аудиторного.занятия
Контроля
2
3
4
Белки
Ответить на вопросы Письменная
и решить задачи по контрольная
индивидуальным
работа.
карточкам.
Устный
опрос.
2.
Ферменты
Ответить на вопросы
и решить задачи по
индивидуальным
карточкам.
3.
Липиды и углеводы
Ответить на вопросы
и решить задачи по
индивидуальным
карточкам.
4.
Коферменты,
витамины и
некоторые другие
биологические
активные соединения
ИТОГО
Колво ч.
5
2
Письменная
контрольная
работа.
Устный
опрос.
1
Письменная
контрольная
работа.
Устный
опрос.
Конспект.
Ответить на вопросы Письменная
и решить задачи по контрольная
индивидуальным
работа.
карточкам.
Устный
опрос.
Беседа.
2
2
7 ч.
76
Планы СРСП к лекциям
№
Тема
аудиторного.занятия
2
Введение. Химический
состав организмов.
Задание
2.
Белки
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
3.
Ферменты
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
4.
Липиды и углеводы
5.
Коферменты, витамины и
некоторые другие
биологические активные
соединения
6.
7.
1
1.
Форма
Контроля
4
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Беседа.
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Беседа.
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Кол-во
ч.
5
0,5
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
Представить конспект
СРС 1.
Сдать коллоквиум №1.
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Беседа.
Констпект.
Тесты.
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Беседа.
1
Нуклеиновые кислоты
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Беседа.
2
Гормоны
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
Представить конспект
СРС 2.
Сдать коллоквиум №2.
Письменная
контрольная
работа.
Устный опрос.
Беседа.
Конспект.
Тесты.
1
ИТОГО
3
Ответить на вопросы и
решить
задачи
по
индивидуальным
карточкам.
1
1,5
1
8 ч.
77
Методические рекомендации по СРС.
Самостоятельная работа студента (СРС) – ведущий вид деятельности,
который позволяет выработать у студента способности к самообразованию и
саморазвитию,
навыки
свободного
критического
мышления.
СРС
подразумевает внеаудиторную работу, которая должна быть направлена на
предварительную подготовку к лекциям, самостоятельное изучение учебного
материала в условиях библиотеки, компьютерного класса, через Интернет,
подготовку к лабораторным занятиям, коллоквиумам, самостоятельное
составление конспектов по темам СРС (вопросы указаны в Плане СРС),
составление отчетов по лабораторным занятиям, разбор задач по химии и пр.
СРС должны быть сданы в полном объеме в соответствии с темами , сроками
и формами , указанными преподавателем.
План организации СРС
по курсу «Химичексие основы жизни»
№ Тема
Цель и содержание РекоБаллы
Задания
мендуемая
литература
осн./доп.
1. 1. Природные
Подготовиться к
1-4
5
пептиды.
лекциям по теме.
Доказательство
Законспектировать
пептидной теории
вопросы СРС по
строения белка.
теме (см.УМКД).
Основные
Подготовиться
к
функции белков в практическим
организме
занятиям №1-4.
2. Изозимы.
Подготовить
Мультиэнзимные
отчеты по ним.
комплексы.
Подготовиться
к
Субстратная
коллоквиуму №1.
константа и
константа
Михаэлиса.
3. Решение
заданий из
учебного пособия:
.
Ю.Б. Филиппович
и др., Упражнения
и задачи по
биологической
химии, М., Пр.,
1976г.:
Форма
отчета
Срок
Конспект
1-7
Контр.
недели
Работа.
Решение
инд-ных
задач.
Выполне
ние
лаб.работ
№1-4.
Коллокви
ум №1.
78
2. 1. Роль витаминов
в
питании
человека.
Соотношение
витаминов
и
коферментов.
2. Свойства РНК
высших
организмов.
Вирусные
и
фаговые
РНК.
Причины
обособления
гормонов
в
процессе
эволюции живой
материи.
3.
Решение
заданий
из
учебного пособия:
Ю.Б. Филиппович
и др., Упражнения
и
задачи
по
биологической
химии, М., Пр.,
1976г.:
3
1. Роль белковиммуноглобулинов
в организме
2. Яды растений и
животных;
их
биологическая
роль
и
физиологическое
действие
3. Из истории
открытия
витаминов
4. Из истории
открытия
гормонов.
5. Из истории
открытия
ферментов.
Подготовиться
к 2,3,4
лекциям по теме.
Законспектировать
вопросы СРС по
темам (см.УМКД).
Подготовиться
к
практическим
занятиям №5-7.
Подготовить
отчеты по ним.
Подготовиться
к
коллоквиуму №2.
5
Конспект 8-14
Ответ по недели
индивид.
заданиям.
Выполне
ние
лаб.работ
№5-7.
Коллокви
ум №2.
Подготовитьрефера 2,5,6,7
т Текст доклада (810страниц) должен
быть набран на ПК
в
текстовом
редакторе, размер
символа
14,
межстрочный
интервал 1
5
Устная
защита
работы
15
неделя
79
6.
Белки
–
хромопротеиды и
гемопротеиды.
7.
Белки
–
липрпротеиды
и
фосфопротеиды.
8. Ферменты –
оксидоредуктазы и
трансферазы
9. Ферменты –
гидролазы и лиазы
10. Ферменты –
изомеразы
и
лигазы
ИТОГО
15
45ч.
Литература:
1. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии. М.:ВШ, 1969
2. Строев Е.А. Биологическая химия. 1986
3. Березов Т.Т. и др. Биологическая химия. М.: Медицина, 1990
Темы и основные вопросы коллоквиумов
по курсу «Химичексие основы жизни»
Коллоквиум 1. Введение, химический состав организмов. Разделы
биологической химии: статическая, динамическая. Современные методы
биохимических исследований. Белки. Молекулярная масса белков.
Аминокислотный состав белков. качественной и количественной определение
аминокислот в белковых молекул. Доказательство пептидной теории строения
белка. Номенклатура и классификация белков. Основные функции белков в
организме. Ферменты. Строение ферментов, понятие о субстратном и
аллостерическом центрах. Механизмы действия ферментов. Конкурентное и
неконкурентное торможение. Номенклатура ферментов. Липиды и углеводы.
Классификация липидов. Локализация липидов в клетке. Моносахариды,
дисахариды, полисахариды; их строение и свойства.
Коллоквиум 2 Коферменты, витамины и некоторые другие биологически
активные
соединения.
Соотношение
витаминов
и
коферментов.
Жирорастворимые витамина и их биологическая роль. Водорастворимые
витамины и их биохимическая функция. Химическая природа и механизм
действия некоторых коферментов. Нуклеиновые кислоты. Химический состав
нуклеиновых кислот. Два типа нуклеиновых кислот – ДНК, РНК.
Сравнительная характеристика видов РНК. Гормоны. Номенклатура и
классификация гормонов. Стероидные гормоны, пептидные гормоны, прочие
гормоны: строение, свойства, функции. Применение гормонов.
80
Список литературы:
Основная.
1.
Филиппович Ю.Б. Основы биохимии. М.:ВШ, 1969
2. Строев Е.А. Биологическая химия. 1986
3. Березов Т.Т. и др. Биологическая химия. М.: Медицина, 1990
4. Филиппович Ю.Б. и др. Практикум по общей биохимии. М.: ВШ
5. Шапиро А.Г. Практикум по биологической химии. Минск, 1972
6. Филиппович Ю.Б. и др. Упражнения и задачи по биологической химии, М.,
Пр., 1976г
7. Ленинджер К. Биохимия. М.:Мир, 1976
8. Сеитов З.С. Биохимия, Алматы, 2000
Дополнительная.
1. Добрынина В.И. Биологическая химия. М.: Медицина, 1976
2. Кретович В.Л. Биохимия растений. М.:ВШ, 1980
4. Биохимия и физиология с/х растений, под. Ред. Третьякова Н.Н., М., 2000
5. Васильев А.Н. Биологическая химия.
6. Сорвачёв К.Ф. Биологическая химия. М., Пр., 1971г
7. Биохимия под ред.В.В. Меньшикова, М.:ФкиС, 1986.
81
Контрольно-измерительные средства.
ВОПРОСЫ ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ ТЕСТОВ.
1. Цели и задачи дисциплины «Химические основы жизни»
2. Химический состав организмов
3. Биологическая роль s- элементов и их применение в медицине.
4. Биологическая роль p- элементов и их применение в медицине
5. Биологическая роль d-элементов и их применение в медицине
6. Элементарный химический состав белков
7. Аминокислотный состав белков
8. Пространственные структуры белков
9. Номенклатура и классификация белков
10.Свойства белков
11.Состав ферментов
12.строение ферментов
13.Механизм ферментативного катализа
14.Номенклатура ферментов
15.Общая характеристика класса липидов
16.Общая характеристика класса углеводов
17.Строение и свойства моносахаридов
18.Строение и свойства дисахаридов
19.Строение и свойства полисахаридов
20.Витамины. Классификация витаминов.
21.Жирорастворимые витамины и их биохимическая функция.
22.Витамины группы А
23.Витамины группы В
24.Витамины группы С
25.Витамины группы D
26.Витамины группы Q
27.Витамины группы Е
28.Водорастворимые витамины и их биохимическая функция.
29.Общая характеристика коферментов.
30.Химическая природа и механизм действия коферментов.
31.Химический состав нуклеиновых кислот
32.Характеристика азотистых оснований
33.Углеводы в составе нуклеиновых кислот
34.Типы нуклеиновых кислот
35.Номенклатура и классификация гормонов
36.Стероидные гормоны: строение, свойства и функции
37.Пептидные и прочие гормоны: строение, свойства и функции
82
83