Цикл трикарбоновых кислот. Цикл трикарбоновых кислот (цикл лимонной кислоты, цикл Кребса) – аэробный метаболический цикл, в котором ацетил–КоА (ключевой метаболит обмена углеводов, белков, жиров) окисляется до СО2 с образованием атомов водорода, кото рые используются в дыхательной цепи митохондрий для получения АТФ в процессе окислительного фосфорилирования. Ферментативные реакции цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) представлены на рисунке.
1. Образование цитрата (лимонной кислоты) происходит при взаимодействии ацетил КоА с оксалоацетатом и идет при участии цитратсинтазы.
2.Превращение цитрата в изоцитрат катализируется ферментом аконитазой и состоит из двух этапов. Вначале происходит дегидратация лимонной кислоты с образованием цис аконитовой кислоты, а потом к цисаконитовой кислоте вновь присоединяется молекула во ды с образованием уже изолимонной кислоты.
1. Образование цитрата (лимонной кислоты) происходит при взаимодействии ацетил КоА с оксалоацетатом и идет при участии цитратсинтазы.
2.Превращение цитрата в изоцитрат катализируется ферментом аконитазой и состоит из двух этапов. Вначале происходит дегидратация лимонной кислоты с образованием цис аконитовой кислоты, а потом к цисаконитовой кислоте вновь присоединяется молекула во ды с образованием уже изолимонной кислоты.
Важнейшим источником ацетилКоА является ре акция окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты, которая катализиру ется мультиферментным пируватдегидрогеназным комплексом, который включает включает 3 фермента (Е1 пируватдегидрогеназа; Е2 – дигидролипоилацетилтрансфераза; Е3 дигидролипоилдегидрогеназа) и использует 5 коферментов. Суммарная реакция:
Первый фермент (пируватдегидрогеназа) катализирует декарбоксилирование пирувата с образованием СО2 и гидроксиэтильного производного тиаминдифосфата (ТДФ). Второй фермент (дигидролипоилацетилтрансфераза) переносит гидроксиэтильную группу от ТДФ сначала на окисленную форму липоевой кислоты, а далее на КоА с образованием ацетил КоА. Третий фермент (ФАДсодержащая дигидролипоилдегидрогеназа) катализирует окисле ние восстановленной формы липоевой кислоты с образованием ФАДН2, от которого атомы водорода переносятся на НАД с образованием в конечном итоге НАДН2, который и окисля ется в дыхательной цепи митохондрий с выделением 3х молекул АТФ.
Первый фермент (пируватдегидрогеназа) катализирует декарбоксилирование пирувата с образованием СО2 и гидроксиэтильного производного тиаминдифосфата (ТДФ). Второй фермент (дигидролипоилацетилтрансфераза) переносит гидроксиэтильную группу от ТДФ сначала на окисленную форму липоевой кислоты, а далее на КоА с образованием ацетил КоА. Третий фермент (ФАДсодержащая дигидролипоилдегидрогеназа) катализирует окисле ние восстановленной формы липоевой кислоты с образованием ФАДН2, от которого атомы водорода переносятся на НАД с образованием в конечном итоге НАДН2, который и окисля ется в дыхательной цепи митохондрий с выделением 3х молекул АТФ.
Стадии катаболизма биомолекул. При расщеплении биомолекул в организме выделяют 3 стадии, которые являются общими для катаболизма различных биомолекул.
В первойстадии все сложные биомолекулы (полимеры) расщепляются до простых компо нентов (мономеров): 1) полисахариды расщепляются до моносахаридов; 2) липиды (триа цилглицеролы) – до жирных кислот и глицерина; 3) белки – до аминокислот; 4) нуклеиновые кислоты – до мононуклеотидов. Реакции этой стадии катализируются гидролазами желудка, и кишечника. На этой стадии высвобождается около 1% химической энергии, которая рассеива ется в виде тепла.
Во второй стадии мономеры, образовавшиеся в первой стадии, внутриклеточно подвергают ся превращениям с выделением энергии (2030%). Основные реакции катаболизма:
1) для моносахаридов – гликолиз, конечным метаболитом которого является пировиноград ная кислота, которая далее подвергается окислительному декарбоксилированию и превраща ется в активную форму уксусной кислоты – ацетилКоА;
В первойстадии все сложные биомолекулы (полимеры) расщепляются до простых компо нентов (мономеров): 1) полисахариды расщепляются до моносахаридов; 2) липиды (триа цилглицеролы) – до жирных кислот и глицерина; 3) белки – до аминокислот; 4) нуклеиновые кислоты – до мононуклеотидов. Реакции этой стадии катализируются гидролазами желудка, и кишечника. На этой стадии высвобождается около 1% химической энергии, которая рассеива ется в виде тепла.
Во второй стадии мономеры, образовавшиеся в первой стадии, внутриклеточно подвергают ся превращениям с выделением энергии (2030%). Основные реакции катаболизма:
1) для моносахаридов – гликолиз, конечным метаболитом которого является пировиноград ная кислота, которая далее подвергается окислительному декарбоксилированию и превраща ется в активную форму уксусной кислоты – ацетилКоА;
Обмен веществ. Обмен веществ (или метаболизм) это совокупность биохимических ре акций превращения химических соединений, которые происходят в живых организмах.
Обмен веществ состоит из нескольких последовательных стадий:
1. Поступление биополимеров (белков, липидов, углеводов), витаминов, минеральных элементов, воды в организм в составе продуктов питания.
2. Превращение этих веществ в пищеварительном тракте в более простые соединения (мономеры: аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты, глицерин), которые всасываются эпителием слизистой оболочки желудка и кишечника.
3. Транспорт молекул кровью и лимфой, поступление через мембраны в клетки.
4. Внутриклеточный метаболизм биомолекул.
5. Выделение (экскреция) из организма конечных продуктов обмена веществ (СО2, NH3, мочевины, воды, продуктов конъюгации)
Обмен веществ состоит из нескольких последовательных стадий:
1. Поступление биополимеров (белков, липидов, углеводов), витаминов, минеральных элементов, воды в организм в составе продуктов питания.
2. Превращение этих веществ в пищеварительном тракте в более простые соединения (мономеры: аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты, глицерин), которые всасываются эпителием слизистой оболочки желудка и кишечника.
3. Транспорт молекул кровью и лимфой, поступление через мембраны в клетки.
4. Внутриклеточный метаболизм биомолекул.
5. Выделение (экскреция) из организма конечных продуктов обмена веществ (СО2, NH3, мочевины, воды, продуктов конъюгации)
Мутации – это изменения наследственных свойств вследствие количест венных и качественных изменений в генотипе организма. По характеру изменений в структуре генетического аппарата организма мутации делят на:
1)геномные мутации – изменения количества полного набора хромосом или отдельных хромосом в диплоидном наборе;
2)хромосомные мутации – связаны со структурными изменениями отдельных хромосом;
3)генные (точковые) мутации – связаны с нарушением последовательности азотистых оснований, которые составляют первичную структуру ДНК.
1)геномные мутации – изменения количества полного набора хромосом или отдельных хромосом в диплоидном наборе;
2)хромосомные мутации – связаны со структурными изменениями отдельных хромосом;
3)генные (точковые) мутации – связаны с нарушением последовательности азотистых оснований, которые составляют первичную структуру ДНК.
Нематричный синтез полипептидов - синтез некоторых низкомолекулярных полипептидов может осуществляться не только без участия нуклеиновых кислот, но также и без участия рибосом. Таким образом синтезируются антибиотики грамицидин S, тироцидин, циклический пептид антибиотика микобациллина.
Физиологически активные соединения (токсины, лекарственные препараты и т.д.) влияют на передачу генетической информации путем разных молекулярных изменений.
1.Механизм действия интерферона.
Синтез интерферона стимулируется вирусами, которые проникают в клетки организма человека. В свою очередь интерфероны индуцируют синтез протеинкиназ, которые фосфорилируют факторы инициации трансляции еIF2, что ингибирует биосинтез белка вирусов.
2.Механизм действия стрептомицина.
Стрептомицин ингибирует инициацию трансляции за счет противодействия связывания с рибосомой формилметионилтРНК.
3.Механизм действия тетрациклина.
Тетрациклин связывается с 30S субъединицей рибосомы, что ингибирует связывание с ней разных аминоацилтРНК.
1.Механизм действия интерферона.
Синтез интерферона стимулируется вирусами, которые проникают в клетки организма человека. В свою очередь интерфероны индуцируют синтез протеинкиназ, которые фосфорилируют факторы инициации трансляции еIF2, что ингибирует биосинтез белка вирусов.
2.Механизм действия стрептомицина.
Стрептомицин ингибирует инициацию трансляции за счет противодействия связывания с рибосомой формилметионилтРНК.
3.Механизм действия тетрациклина.
Тетрациклин связывается с 30S субъединицей рибосомы, что ингибирует связывание с ней разных аминоацилтРНК.
Контроль экспрессии генов у эукариотов значительно сложнее. Кроме механизмов близких к существующим у прокариотов, в контроле генной экспрессии в эукариотических клетках принимают участие такие специфические молекулярные процессы, которые реализуют регуляторное воздействие на разных уровнях генной экспрессии:
1)на уровне структурной организации генома – регуляция осуществляется за счет генных перестроек (рекомбинации генов), а также за счет амплификации генов;
2)на уровне транскрипции – регуляторными механизмами является влияние сигналов усиления и ослабления транскрипции, соответственно энхансеров и атенюаторов;
3)на уровне трансляции – основным механизмом является ковалентная модифи кация белковых факторов трансляции путем их обратимого фосфорилирования
– дефосфорилирования.
1)на уровне структурной организации генома – регуляция осуществляется за счет генных перестроек (рекомбинации генов), а также за счет амплификации генов;
2)на уровне транскрипции – регуляторными механизмами является влияние сигналов усиления и ослабления транскрипции, соответственно энхансеров и атенюаторов;
3)на уровне трансляции – основным механизмом является ковалентная модифи кация белковых факторов трансляции путем их обратимого фосфорилирования
– дефосфорилирования.
Современная теория регуляции экспрессии генов у прокариотов была предложена в 1961 году французскими исследователями Ф.Жакобо и Ж.Мано. На основании изучения транскрипции у E. Сoli, они предложили теорию оперона. Оперон – это комплекс генетических элементов, которые отвечают за координированный синтез функционально связанных ферментных белков. В состав оперона входит: 1) структурные гены, 2) контрольные сайты, к которым
принадлежат промотор и оператор. Регуляторный ген продуцирует регуляторные белкирепрессоры. Возможны два варианта регуляции:
1)репрессия, 2)индукция.
принадлежат промотор и оператор. Регуляторный ген продуцирует регуляторные белкирепрессоры. Возможны два варианта регуляции:
1)репрессия, 2)индукция.
После трансляции белки претерпевают изменения, которые могут состоять в:
1)модификацтии N и Сконцов полипептидов, что состоит в отщеплении N концевых формилметионина (у прокариотов) и метионина (у эукариотов); ацетилировании N и Сконцов;
2)модификации гидроксильных, аминных и карбоксильных групп в боковых радикалах пептидов путем их фосфорилирования, карбоксилирования, метилирования, ацетилирования;
3)присоединении к пептидам простетических групп – гема, углеводов, кофер ментов;
4)химической модификации ковалентной основы аминокислотных остатков,
примером могут служить превращение в составе фактора инициации эукариотов еЕF2 остатка гистидина в остаток нетипичной аминокислоты дифталамида;
5)частичном гидролизе полипептида;
6)преобретение вторичной, третичной и четвертичной структуры.
1)модификацтии N и Сконцов полипептидов, что состоит в отщеплении N концевых формилметионина (у прокариотов) и метионина (у эукариотов); ацетилировании N и Сконцов;
2)модификации гидроксильных, аминных и карбоксильных групп в боковых радикалах пептидов путем их фосфорилирования, карбоксилирования, метилирования, ацетилирования;
3)присоединении к пептидам простетических групп – гема, углеводов, кофер ментов;
4)химической модификации ковалентной основы аминокислотных остатков,
примером могут служить превращение в составе фактора инициации эукариотов еЕF2 остатка гистидина в остаток нетипичной аминокислоты дифталамида;
5)частичном гидролизе полипептида;
6)преобретение вторичной, третичной и четвертичной структуры.
Различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры.
Первичная структура – это последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Первичная структура белка кодируется на генетическом уровне, остальные структуры образуются произвольно при взаимодействии между собой остатков аминокислот. Изменение хотя бы одной аминокислоты в аминокислотной последовательности белка может вызвать изменения структруры белка и его физикохимических свойств, а это может привести к возникновению болезни (например: замена ГЛУ в 6положеннии bцепи на ВАЛ вызывает снижение растворимости гемоглобина и возникновение серповидноклеточной анемии).
Сенджер разработал динитрофторбензольный метод определения первичной структуры белков и впервые определил последовательность аминокислот в молекуле инсулина (Нобелевская премия 1958г.). Позже Эдман разработал более совершенный метод определения первичной структуры белка основанный на использовании фенилтиоизоцианата (ФИТЦ). Эти методы позволяют анализировать структуру белка с его Nконца. В настоящее время первичную структуру белков можно очень быстро определять массспектрометрически не прибегая к хими ческой модификации белковой молекулы.
Первичная структура – это последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Первичная структура белка кодируется на генетическом уровне, остальные структуры образуются произвольно при взаимодействии между собой остатков аминокислот. Изменение хотя бы одной аминокислоты в аминокислотной последовательности белка может вызвать изменения структруры белка и его физикохимических свойств, а это может привести к возникновению болезни (например: замена ГЛУ в 6положеннии bцепи на ВАЛ вызывает снижение растворимости гемоглобина и возникновение серповидноклеточной анемии).
Сенджер разработал динитрофторбензольный метод определения первичной структуры белков и впервые определил последовательность аминокислот в молекуле инсулина (Нобелевская премия 1958г.). Позже Эдман разработал более совершенный метод определения первичной структуры белка основанный на использовании фенилтиоизоцианата (ФИТЦ). Эти методы позволяют анализировать структуру белка с его Nконца. В настоящее время первичную структуру белков можно очень быстро определять массспектрометрически не прибегая к хими ческой модификации белковой молекулы.
1. По структуре белки делят на простые и сложные.
Простые белки состоят только из аминокислот. В состав сложных белков входит небелковый компонент, название которого включается в название сложного белка. Это нуклеопротеины, липопротеины, гликопротеины, металопротеины, фосфопротеины, хромопротеины (окрашенные белки), дикомпонентные ферменты.
2. По физико – химическим свойствам:
а) фибрилярные белки. Имеют упорядоченную, регулярную структуру (повторяемость в пространстве одинаковых участков молекулы). Они образуют огромной величины и молекулярной массы агрегаты (фибриллы). Например, коллаген, масса которого составляет около 30% от общего количества тканевых белков. Коллаген основной белок межклеточного пространства, хрящей, сухожилий, костей, зубов (в пищевом отношении это неполноценный белок, поскольку содержит мало незаменимых аминокислот). Коллаген отличается высоким содержанием глицина (35%), аланина (11%), пролина и оксипролина (21%). Белок имеет трехцепочечную спиральну структуру, обладает большой механической прочностью (у тропо коллагена – прочность такая же как и у стальной проволоки).
Простые белки состоят только из аминокислот. В состав сложных белков входит небелковый компонент, название которого включается в название сложного белка. Это нуклеопротеины, липопротеины, гликопротеины, металопротеины, фосфопротеины, хромопротеины (окрашенные белки), дикомпонентные ферменты.
2. По физико – химическим свойствам:
а) фибрилярные белки. Имеют упорядоченную, регулярную структуру (повторяемость в пространстве одинаковых участков молекулы). Они образуют огромной величины и молекулярной массы агрегаты (фибриллы). Например, коллаген, масса которого составляет около 30% от общего количества тканевых белков. Коллаген основной белок межклеточного пространства, хрящей, сухожилий, костей, зубов (в пищевом отношении это неполноценный белок, поскольку содержит мало незаменимых аминокислот). Коллаген отличается высоким содержанием глицина (35%), аланина (11%), пролина и оксипролина (21%). Белок имеет трехцепочечную спиральну структуру, обладает большой механической прочностью (у тропо коллагена – прочность такая же как и у стальной проволоки).