WWW.PDF.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Разные материалы
 

Pages:   || 2 |

«А.А.Вшивков ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИЗНИ Учебное пособие Екатеринбург ПРЕДИСЛОВИЕ Основной задачей современного естествознания является познание живой природы и бесконечного многообразия ...»

-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский государственный университет им. А.М.Горького

А.А.Вшивков

ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИЗНИ

Учебное пособие

Екатеринбург

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основной задачей современного естествознания является познание живой

природы и бесконечного многообразия ее форм. Выполнение этой задачи

невозможно без тесного взаимодействия естественных наук – физики, химии, биологии. Подтверждением этого является тот факт, что с внедрением физических методов исследования в химию стало возможным определение химического строения сложнейших химических соединений. С внедрением методов физики и химии биология из описательной науки превратилась в точную, способную описать жизненные процессы на молекулярном уровне.

Поэтому появление в Государственном образовательном стандарте подготовки бакалавров по направлению 020100 «Химия» дисциплины «Химические основы жизни» является своевременным и актуальным. В настоящее время трудно представить себе химика занимающегося вопросами синтеза и исследования свойств биологически активных соединений не обладающего знаниями о молекулярных процессах, лежащих в основе жизни.

Курс «Химические основы жизни» имеет своей целью формирование у студентов правильного представления об основных химических компонентах клетки, молекулярных основах ферментативного катализа, метаболизма, современном состоянии вопросов взаимосвязи структуры и свойств важнейших типов биомолекул с их биологической функцией.

Кроме того, изучение данной дисциплины должно подготовить студентов для дальнейшего самостоятельного изучения молекулярных основ жизни – вопросов наследственности, иммунитета, нейроэндокринной регуляции и фоторецепции, современных концепций о происхождении и сущности жизни. Для того чтобы исследователю познать окружающий мир надо познать те процессы, которые происходят внутри человека.

Успешное освоение дисциплины «Химические основы жизни» невозможно без знаний полученных на предыдущих этапах обучения, без знаний фундаментальных курсов «Неорганическая химия», «Аналитическая химия», «Физическая химия», «Органическая химия», «Коллоидная химия», «Химия высокомолекулярных соединений».

Перед автором настоящего пособия стояли две главные цели: во-первых, дать общую информацию о современном состоянии биохимии; во-вторых, показать значение химических основ жизни для естественной физикохимической базы химии, биологических наук и медицины в аспекте функционирования клеточных структур, биомембран, объяснения действия биологически активных веществ, научной основы очистки воды и атмосферы.

Вся информация, содержащаяся в настоящем пособии, изложена в семи частях, которые включают в себя 16 глав.

Основному материалу книги предшествует Предисловие, а завершается пособие Заключением.

Предисловие освещает цель и задачи дисциплины «Химические основы жизни».

Часть 1 – «Основные положения биоэнергетики» (главы 1–3) – содержит сведения об особенности термодинамики биохимических процессов, о ферментативном катализе, о анаболизме и катаболизме как составных частях метаболизма.

В части 2 – «Структура белков и клеточных мембран» (главы 4 и 5) – рассматриваются вопросы строения и функционирования основной группы биомолекул – аминокислот, белков и построенных на их основе клеточных мембран.

Часть 3 – «Катаболизм» (главы 6–8) —дает представления о переваривании и всасывании пищевых молекул, механизме транспорта, хранения и мобилизации пищевых молекул, получении энергии из пищи.

Часть 4 – «Анаболизм» (главы 9 и 10) посвящена рассмотрению механизмов биосинтеза глюкозы и жиров.

Часть 5 – «Метаболизм аминокислот» (глава 11 и 12) содержит сведения о катаболизме и анаболизме аминокислот.

Часть 6 – «Фотосинтез» (главы 13 и 14) посвящена химическим процессам, происходящим при фотосинтезе.

И, наконец, в части 7 «Хранение и переработка информации» (главы 15 и

16) рассматривается строение нуклеиновых кислот, репликация ДНК, транскрипция РНК и трансляция белка.

В Заключении подчеркивается о том, что существуют различные пути проявления взаимосвязи в процессах обмена веществ: наличие общих предшественников и промежуточных метаболитов, сходное энергетическое обеспечение, общие конечные пути окисления и образование похожих конечных продуктов, а также общие пути регуляции этих процессов.

После каждой главы приводятся вопросы для самоконтроля, работа над которыми способствует более качественному усвоению студентами материала дисциплины. Эту же цель преследуют и ответы, которые приведены в конце книги.

Завершается пособие списком рекомендованной литературы.

Для наглядности и полноты изложения автор снабдил учебное пособие большим количеством формул, рисунков, схем и таблиц, частично разработанных им самим, а частично заимствованных из других источников, но переработанных и упрощенных.

При создании пособия автор – профессор кафедры органической химии Уральского государственного университета им. А.М. Горького использовал свой многолетний опыт преподавания учебных курсов «Органическая химия», «Материаловедение», «Стереохимия органических соединений», «Косметическая химия», «Прикладная химия», «История и методология химии».

Автор будет благодарен читателям за любые замечания и предложения, которые послужат основой для совершенствования учебного пособия.

Замечания и предложения можно присылать по электронной почте alexvshivkov@mail.ru.

Часть 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ БИОЭНЕРГЕТИКИ Биоэнергетика- раздел биохимии, задачей которого является изучение механизмов и закономерностей преобразования энергии в живых организмах.

–  –  –

Жизнь – сложнейший химический процесс, включающий множество реакций. Эти реакции называют метаболическими или обобщенно метаболизмом.

Рассмотрение любой биохимической реакции основано на представлении об энергии и может быть охарактеризовано с использованием основных законов химической термодинамики.

Применительно к биологическим системам 1 закон термодинамики можно сформулировать следующим образом:

в живой природе при осуществлении различных биохимических процессов общее количество энергии остается постоянным.

Для того чтобы понять, сможет ли эта реакция сколько-нибудь заметно протекать и в какой мере она будет уравновешена обратной реакций, недостаточно записать ее в виде химического уравнения, необходимо иметь сведения о происходящих в этой реакции изменениях химической энергии.

Что подразумевается под изменением энергии молекул, участвующих в химических реакциях? В каждой из реагирующих молекул заключено некоторое количество энергии, определяемое ее структурой. Эта энергия представляется как теплосодержание или энтальпия молекулы. Когда структура молекулы меняется в ходе химической реакции, изменение ее энергии описывается как изменение энтальпии H. Оно может быть отрицательным (теплота теряется молекулами и рассеивается, увеличивая температуру окружающей среды) или положительным (теплота поглощается из окружающей среды, которая при этом охлаждается). Знак изменения энтальпии не определяет жестко направление процесса, а лишь показывает, что этот фактор либо способствует ему, либо препятствует. Пойдет ли данная реакция зависит не только от изменения энтальпии, но также и от изменения энтропии S химической системы.

Энтропия определяется как степень неупорядоченности. Чем легче происходит любое движение молекулы (колебание, вращение), чем в большей степени молекулы рассеяны в пространстве, чем больше изменяется число молекул в результате реакции, тем больше совокупная неупорядоченность, тем больше энтропия.

Таким образом, при решении вопроса пойдет ли химическая реакция необходимо учитывать как H, так и S. Если -H и +S то реакция пойдет, при +H и -S реакция не пойдет, если же изменение энтальпии и энтропии имеют одинаковые знаки, то их влияние противоположно, и вопрос решается сравнением их величин.

Сравнение изменений энтальпии и энтропии, которые могут быть союзниками или противниками, при оценке возможности протекания реакции крайне неудобно, поскольку они имеют различную размерность. Кроме того, в биологических системах затруднительно или невозможно прямое измерение энтропии.

Проблема решается благодаря предложенному Гиббсом понятию свободная энергия, которая объединяет оба рассмотренных понятия – энтальпию и энтропию.

Изменение свободной энергии G описывается уравнением G = H -TS (где T – абсолютная температура) и представляет собой максимальное значение энергии, которое доступно для совершения полезной работы (мышечное сокращение, химический синтез в клетках, преодоление осмотических или электрических сил) за счет химической реакции. Величину G выражают в джоулях (Дж) на моль.

Применительно к биохимическим процессам, используя 2 закон термодинамики, можно сформулировать общее правило: биохимическая реакция протекает в условиях, когда свободная энергия продуктов меньше, чем исходных веществ, т.е. G0.

На практике используют стандартное изменение свободной энергии G0 реакции, протекающей в следующих стандартных условиях: концентрация компонентов реакции 1 моль/л, температура 298 0K, давлении 101,325 кПа и pH среды 7,0.

Значение имеет не только знак изменения свободной энергии, но и ее величина. В зависимости от величины изменения свободной энергии биохимические реакции могут быть обратимыми и необратимыми. При незначительном изменении свободной энергии реакции могут быть обратимыми, причем их направление зависит от небольших изменений концентраций метаболитов (участников биохимических реакций). Если изменения свободной энергии значительны, то метаболические реакции идут в одном направлении и протекают до полного завершения.

Основные биохимические реакции обычно включают не одну, а много последовательно протекающих реакций, объединенных в так называемые метаболические пути. Общим свойством метаболических путей является их необратимость. Это не означает, что все реакции метаболического пути необратимы. По меньшей мере, одна реакция не протекает в обратном направлении.

А Б В Г продукты В приведенном метаболическом пути одиночной стрелкой помечена необратимая реакция с большим значением G.

Метаболический путь, в котором все реакции обратимы А Б В Г продукты имеет существенный недостаток – он подчиняется закону действующих масс.

Если концентрация А возрастает (вы позавтракали), равновесие сдвигается вправо и возрастает концентрация конечных продуктов. Напротив при уменьшении концентрации А (вы испытываете голод) некоторые продукты будут превращаться в исходные вещества. Если речь идет о биосинтезе ДНК генов или белков, то становится понятным неприемлемость этого варианта.

При интенсивной работе мышц полисахарид гликоген в серии химических реакций превращается в молочную кислоту, а при последующем отдыхе он вновь синтезируется из молочной кислоты, причем не в результате простого обращения реакции, а иным путем, т.е. прямая и обратная реакции не совпадают.

А В Г Б молочная кислота гликоген Ж Е Д Рис. 1.1 Необратимость прямой и обратной реакции На основании вышесказанного можно сформулировать общий биохимический принцип. Всякий раз, когда суммарный химический процесс, характерный для данного метаболического пути, должен быть физиологически обратимым, прямая и обратная траектории не совпадают полностью и обязательно содержат хотя бы пару различающихся по своей природе необратимых реакций..

Несовпадение прямой и обратной реакции позволяет контролировать метаболизм. Чтобы независимо управлять обоими процессами (см. схему 1.1) т.е. включать один и выключать другой, они должны различаться. Иначе их можно включать и выключать только одновременно. Как правило необратимые реакции метаболизма (реакции А БиД Е) являются местом приложения регуляторных механизмов.

Как говорилось выше для протекания химической реакции необходимо уменьшение свободной энергии. Однако это не означает, что реакция пойдет с ощутимой скоростью. Так, например, реакция взаимодействия сахара с кислородом C12H22O11 + 12O2 12CO2 +11H2O очень выгодна, однако сахар устойчив в сахарнице. Попадая же в наш организм, он быстро окисляется. Поэтому важно не только понижение свободной энергии, но и преодоление энергетического барьера, определяемого энергией активации, а это происходит с помощью ферментативного катализа.

Вопросы для самоконтроля к главе 1

1. Представьте себе мужчину весом 70 кг, питание которого позволяет удовлетворить его энергетические затраты - 10 000 кДж в день. Допустим, что свободная энергия, которую он получает с пищей, используется для образования АТР из АDР и Рi с эффективностью 50%. В клетке Go превращения АDР + Рi приблизительно равно 55 кДж·моль-1. Вычислите, cколько весит АТР, синтезируемый этим человеком за один день (количество выразить в граммах динатриевой соли АТР с молекулярной массой 551).

2.Чем различаются понятия свободной химической энергии, определенной в стандартных и физиологических условиях? Рассчитайте изменение свободной энергии в физиологических условиях при гидролизе ATP до ADP и фосфата при концентрации участников равной 1 мМ.

3. Диссоциация фосфорной кислоты описывается тремя pKa: 2,2; 7,2; 12,3.

а) какая из ионных форм доминирует при pH 4, pH 9 и pH 14?

б) вычислите pH водного раствора эквимолярной смеси NaH2PO4 и Na2HPO4 Глава 2. ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ Химические реакции в биологических системах протекают только в присутствии катализаторов. Роль таких катализаторов выполняют специфические белки, называемые ферментами (от лат.fermentum-закваска) или энзимами (от греч.en zyme - в дрожжах).

Реакция S P (рис.2.1) сопровождается уменьшением свободной энергии, иначе она бы вообще не произошла. В переходном состоянии S‡ молекула обладает большей свободной энергией, чем в исходном S, поэтому положительное изменение свободной энергии при превращении S S‡ называется энергией активации для данной реакции. Энергетический горб служит барьером на пути химической реакции. Без него энергетический профиль отражал бы непрерывное падение свободной энергии на пути S к P, и все вещества, способные вступать в реакции, сразу бы в них вступили.

Действие же ферментов сводятся к ускорению химических реакций путем понижения энергии активации.

S Обычная реакция

–  –  –

Ферменты обладают уникальными свойствами. Во-первых, это самые эффективные из всех известных катализаторов: в присутствии ферментов большинство реакций в клетке протекает примерно в миллион раз быстрее, чем в их отсутствие. Во-вторых, большинство ферментов отличаются специфичностью действия, и практически каждая реакция катализируется специальным ферментом. В-третьих, - и это самое замечательное свойство действие большинства ферментов регулируется, т.е. они способны переходить из состояния с низкой активностью в состояние с высокой активностью и обратно. Такие механизмы регуляции представляют собой сложную систему, с помощью которой организм контролирует все свои функции.

Традиционно все названия ферментов отражают их функцию и в простейшем случае фермент именуют или по субстрату, или по реакции, добавляя окончание "аза", например, декарбоксилаза, гидролаза. Некоторые ферменты получили традиционные названия, не связанные с их функцией, например трипсин, пепсин, лизоцим.

Современная номенклатура и классификация ферментов основана на типах реакций, которые они катализируют. Все ферменты разделены на шесть классов (табл.1.1) и закодированы четырьмя цифрами, где первая цифра обозначает класс, вторая цифра - подкласс, третья - возможный кофермент, четвертая - субстрат реакции.

На примере глицеральдегид-3фосфатдегидрогеназы КФ 1.2.1.12 надо прочитать так:

КФ - Комиссия по ферментам (была создана при IUPAC в 70-е годы XX в.);

1 - фермент относится к классу 1 (оксиредуктазы);

2 – донором электронов для фермента служит альдегидная группа субстрата;

1 – акцептором электронов является NADP+;

12 – химическая природа субстрата (в соответствии с официальной номенклатурой ферментов 1992 IUBMB) Таблица 2.1 Основные классы и подклассы ферментов

–  –  –

Высокая биологическая активность ферментов в первую очередь определяется характерными свойствами образующих их белков. Ферментативной активностью могут обладать как простые, так и сложные белки. Первые состоят только из полипептидных цепей и гидролизуются до аминокислот (примерами могут служить ферменты пепсин, трипсин, уреаза и т. д.). Вторая группа ферментов представлена сложными белками, для проявления каталитической активности которых требуется присутствие веществ небелковой природы — простетических групп. Простатические группы ферментов, являющихся по химической природе сложными белками, называются кофакторами.

Различают две группы кофакторов: ионы металлов (а также некоторые неорганические анионы) и коферменты, представляющие собой органические вещества.

Примерно треть из всех известных в настоящее время ферментов активируется ионами металлов, они так и называются ферменты, активируемые ионами металлов.

Другие металлоферментные комплексы отличаются большей стабильностью, т. е. сохраняют ион металла при выделении и очистке (металлоферменты). В роли кофакторов ферментов могут выступать различные по природе ионы металлов.

Если в качестве кофермента выступает органическое соединение, то фермент называют холоферментом, а его белковую часть — апоферментом.

Реакция образования холофермента обратима:

Кофермент + Апофермент Холофермент.

Многие коферменты являются производными витаминов — незаменимых пищевых факторов. Витамины и другие коферменты в качестве жизненно необходимых соединений входят в состав компонентов пищи и, как правило, не синтезируются (или синтезируются в недостаточных количествах) в организмах (по крайней мере, в организмах высших животных).

Основные свойства ферментов как биокатализаторов таковы:

1. Зависимость эффективности катализа от температуры (оптимум при 30С) (рис.2.2 а).

2. Зависимость эффективности катализа от рН среды (каждый фермент имеет свой рН-оптимум) (рис.2.2 б).

Рис.2.2 Влияние температуры (а) и pH (б) на активность ферментов:

а- резкое падение активности при высоких температурах связано с денатурацией фермента;

б - кривая для сахаразы с максимумом при физиологическом значении pH характерна для большинства ферментов, кривая с максимумом при pH=2 показывает, что пепсин функционирует в сильно кислом содержимом желудка

3. Специфичность действия ферментов:

- абсолютная - катализируют превращение только одного субстрата (аргиназа, АТФаза)

- групповая - действуют на группу субстратов или связей (трипсин, химотрипсин, эстеразы жиров)

- относительная, или широкая - действуют на большое число групп субстратов или связей (пепсин, папаин).

4. Образование активного центра (АЦ). Активным центром называют совокупность остатков аминокислот, расположенных в молекуле фермента определенным образом, так, что именно эти аминокислоты участвуют в связывании субстрата и образовании продукта реакции. В активном центре различают участок связывания и каталитический участок. В образование активного центра могут быть вовлечены даже очень отдаленно расположенные в полипептидной цепи аминокислоты, связанные нековалентными связями:

водородными, ионными, диполь-дипольными. Их энергия не более 4-40 кДж/моль, но таких связей в молекуле фермента очень много, и они играют решающую роль в механизме действия ферментов. Собственно активный центр помещается в гидрофобном углублении "щели" или "кармане", где возникает микроокружение для субстрата и максимальная местная концентрация субстрата и фермента, создаются условия для их сближения и ориентации, необходимые для катализа. Условие для образования АЦ - наличие третичной структуры белка, следствием является образование фермент-субстратного комплекса.

Взаимодействие фермента и субстрата в реакции E+S ES EP E + P1 + P2 (где E – фермент; S – субстрат; ES и EP – соответственно комплексы фермента с субстратом и продуктом ферментативной реакции; P1 и P2 - продукты ферментативной реакции) описывается моделью «ключ-замок» (рис 2.3 а), в рамках которой субстрат должен приспосабливаться к жесткому активному центру. В модели «индуцируемой приспособляемости фермента к субстрату» (рис 2.3 б) активный центр фермента достаточно гибок и может изменять свою конформацию при связывании субстрата.

Рис. 2.3 Взаимодействие субстрата (S) и фермента (E) а – модель «ключ-замок»; б - модель «индуцируемой приспособляемости фермента к субстрату»

В 1973 г. была введена единица ферментативной активности — катал (кат). Она соответствует количеству фермента, способного превращать 1 моль субстрата за 1 с.

Международная единица ферментативной активности (МЕ) связана с каталом следующим образом:

1 кат = 1 моль субстрата/с = 60 моль/мин = 60 ·106мкмоль/мин = 6 · 107МЕ.

Ингибирование ферментов представляет большой практический интерес для понимания механизмов ферментативного катализа, строения активных центров ферментов и является инструментом изучения роли отдельных химических реакций при расшифровке механизма действия различных ингибиторов, например лекарственных препаратов, ядохимикатов и др.

Следует различать смысл терминов «ингибитор» и «инактиватор».Об «инактивации» правильнее говорить в случае торможения реакции действием агентов, денатурирующих фермент.

Процесс ингибирования ферментов может носить как обратимый, так и необратимый характер. При необратимом ингибировании ингибитор настолько прочно связывается с ферментом, что это вызывает стойкие (необратимые) изменения его активности. Примером необратимого ингибирования может служить действие нервно-паралитических ядов на ацетилхолинэстеразу, играющую важную роль в процессах передачи нервных импульсов.

Например, одно из таких отравляющих веществ-ди-, изопропилфторфосфат - взаимодействует с остатком серина в активном центре фермента с образованием прочного неактивного комплекса диизопропилфосфорил — фермент (схема 2.4):

–  –  –

Рис. 2.4 Ингибирование ацетилхолинэстеразы 2.1 При обратимом ингибировании равновесие между ингибитором и ферментом устанавливается довольно быстро. Комплекс фермент—обратимый ингибитор довольно лабилен, вследствие чего быстро диссоциирует, при этом активность фермента восстанавливается. Примером обратимого ингибирования является образование молекулярного комплекса оксида углерода СО с гемом гемоглобина, который может быть разрушен введением в организм избытка кислорода.

Вопросы для самоконтроля к главе 2.

1.Какой вывод относительно характера активных участков химотрипсина можно сделать на основании того факта, что отрицательно заряженные ингибиторы менее эффективны при подавлении каталитической активности этого фермента, чем нейтральные молекулы со структурой того же типа?

2. Протеолитический фермент папаин отличается от -химотрипсина тем, что в нем цистеин (или его лабильное производное) входит в состав активного центра. Фермент дезактивируется соединениями, образующими комплексы с группами — SH или реагирующими с ними; активность восстанавливается в результате реакций, которые должны приводить к регенерации SH -групп.

Предложите схематический механизм разрыва пептидной цепи при действии папаина, соответствующий гипотезе, согласно которой папаин, хотя он может и не содержать свободных SH -групп, легко реагирует с ионом Hg2+, образуя соединение типа RSНgX. Одна из наиболее интересных особенностей папаина состоит в том, что в нем более чем 100 из общего числа аминокислот, равного 185, может быть отщеплено с помощью аминопептидазы, но остающийся фрагмент все еще обладает значительной ферментативной активностью.

3. Приведите схему, согласно которой гидролитический фермент может быть использован для разделения D,L-аланина.

4. Как ферменты катализируют химические реакции?

Глава 3. АНАБОЛИЗМ И КАТАБОЛИЗМ КАК СОСТАВНЫЕ

ЧАСТИ МЕТАБОЛИЗМА

Для дальнейшего рассмотрения биоэнергетики необходимо дать представления о таких важных с энергетической точки зрения соединениях как фосфорная кислота, нуклеозиды и нуклеотиды

3.1. Фосфорная кислота Фосфорная кислота H3PO4 является трехосновной кислотой и диссоциирует по следующей схеме (рис. 3.1):

–  –  –

При физиологических значениях pH фосфорная кислота в растворе представлена главным образом одно- и двухзарядными анионами, равновесная смесь которых обозначают как Pi (i- от анг. inorganic). Смесь анионов Pi соответствует самому низкому уровню свободной энергии. Следует напомнить, что под pKa понимают такое значение pH, при котором в диссоциированном состоянии находится половина соответствующих групп.

–  –  –

Рис 3.2. Химическое строение нуклеозидов и нуклеотидов Нуклеозиды, являясь N-гликозидами, устойчивы к гидролизу в слабощелочной среде, но расщепляются в кислой среде. Пуриновые нуклеозиды гидролизуются легко, пиримидиновые – труднее.

Нуклеотиды являются сложными эфирами нуклеозидов и фосфорной кислоты, которая обычно этерифицирует оксигруппу при C-5' пентозы. В связи с наличием в молекуле остатка фосфорной кислоты нуклеотиды проявляютсвойства двухосновной кислоты c pKa1=0,9-1,5 и pKa2=6,0-6,5.

Нуклеотиды называют как соли с указанием положения фосфатного остатка (табл.3.2).

Таблица 3.2 Номенклатура нуклеозидов и нуклеотидов Азотистые Нуклеозид Нуклеотид Сокращенное основания обозначение нуклеотидов Аденин Аденозин (A) Аденозинмоно(ди-, AMP,ADP,ATP три-)фосфат Дезоксиадено зин (dA) Гуанин Гуанозин (G) Гуанозин моно(ди-, GMP,GDP,GTP три-)фосфат Дезоксигуано зин(dG) Цитозин Цитидин (C) Цитидинмоно(ди-, CMP,CDP,CTP три-)фосфат Дезоксицитид ин (dC) Урацил Уридин (U) Уридинмоно(ди-, UMP,UDP,UTP три-)фосфат Дезоксиуриди н (dU) Тимин Риботимидин Тимидин моно(ди-, TMP,TDP,TTP (T) три-)фосфат Тимидин (dT)

3.3 Цикл переноса энергии Из материала главы 1 следует, что синтез в живом организме таких высокомолекулярных соединений как белки и ДНК из низкомолекулярных должен происходить со значительным увеличением свободной энергии.

Поэтому этот синтез не может происходить спонтанно, т.е. без внешнего источника свободной энергии (процесса окисления пищевых молекул).

Совокупность синтетических реакций, протекающих с положительным изменением свободной энергии, называются анаболитическими, или анаболизмом. Совокупность деструктивных реакций, протекающих с уменьшением свободной энергии называются катаболитическими или катаболизмом. Это две составные части метаболизма неразрывно связанные друг с другом, т.к. в результате катаболизма высвобождается свободная энергия, которая используется для осуществления анаболизма.

Катаболитические реакции, которые протекают самопроизвольно за счет уменьшения свободной энергии называются экзоэргоническими.

Несамопроизвольные анаболитические реакции, которые сопровождаются увеличением свободной энергии и поэтому их протекание невозможно без подвода энергии – эндоэргоническими.

Низкомолекулярные соединения в живой клетке могут превратиться в высокомолекулярные, даже если для этого превращения характерна бльшая стандартная свободная энергия и требуется приток энергии извне. Указанное превращение может протекать как последовательность отдельных химических реакций, каждая из которых имеет отрицательное значение G.При этом G., характеризующее процесс в целом, оказывается также отрицательным.

Пояснением этому служит рис. 3.3, описывающий в общем виде энергетический цикл жизни. В результате окисления пищевых молекул (катаболизм) высвобождается энергия, которая используется для проведения в действие энергетически невыгодных процессов (анаболизм). При этом для всей системы в целом (клетка и окружающая среда) выполняется 2 закон термодинамики. Продукты окисления пищевых молекул поступают на фотосинтез, где из углекислого газа и воды под действием солнечного света синтезируются новые пищевые молекулы (глюкоза).

–  –  –

Столь большое значение Go объясняется резонансной стабилизацией обоих продуктов гидролиза Pi и карбоксилат-аниона гуанидинофосфат при гидролизе дает значительное понижение Go вследствие резонансной стабилизации обоих продуктов гидролиза (рис. 3.9).

–  –  –

3.4 Сопряженные реакции Предположим, что в клетке должна пройти реакция X-OH + Y-H X-Y + H2O, причем Go= 12,4 кДж· моль-1, естественно, что прямая реакция не пойдет, т.к. она является эндоэргоничной и равновесие смещено влево. Проблема решается путем сопряжения указанной реакции с гидролизом ATP.

Сопряженные реакции-реакции, в которых продукт одной из них является исходным веществом для другой.

Реакция 1: X-OH+AMP-P-P X-P + AMP-P Реакция 2: X-P + Y-H X-Y + Pi

Суммарная реакция:

X-OH+ Y-H+ AMP-P-P X-Y + AMP-P+ Pi Поскольку Go реакции X-OH + Y-H X-Y + H2O равно 12,4 кДж· мольа гидролиз ATP Go составляет -30,4 кДж· моль-1, то результирующее значение Go=-18,0 кДж· моль-1. Это означает, что суммарная реакция сильно экзоэргонична и протекает до полного завершения. Здесь имеет место не прямой гидролиз ATP до ADP и фосфата. Фосфатная группа сначала переносится на молекулу одного из реагирующих компонентов, а затем отщепляется в свободном виде.

Вопросы для самоконтроля к главе 3.

1.Окисление глюкозы до углекислого газа и воды протекает с выделением большого количества энергии. Как объяснить тот факт, что глюкоза на воздухе вполне устойчива к окислению?

2. Для реакции X-OH + Y-H X-Y + H2O Go= 12,4 кДж· моль-1, для реакции ATP+ H2O AMP+PPi Go= -32,2 кДж· моль-1 Рассчитайте величину Go для суммарной реакции Реакция 1: X-OH+AMP-P-P X- AMP + PPi Реакция 2: X- AMP + Y-H X-Y + AMP

Суммарная реакция:

X-OH+ Y-H+ AMP-P-P + H2O X-Y + AMP+ PPi

3. Почему Go реакции ATP ADP+Pi и ADP AMP+Pi составляет -30,4 кДж· моль-1, тогда как для гидролиза AMP аденозин + Pi величина Go=-14,21кДж· моль-1. В чем причина такого большого различия?

4.Окисление глюкозы до диоксида углерода и воды протекает с выделением очень большого количества энергии. Как объяснить тот факт, что глюкоза на воздухе вполне устойчива к окислению?

5.Какие типы слабых связей используются в биологических системах и каковы их энергетические характеристики? Почему для образования этих связей не нужен ферментативный катализ? Каково значение слабых связей?

6.Объясните почему:

а) бензол практически не растворяется в воде;

б)полярные молекулы глюкозы растворимы в воде;

в)хлорид натрия растворим в воде.

Часть 2. СТРУКТУРА БЕЛКОВ И КЛЕТОЧНЫХ

МЕМБРАН

Глава 4. СТРУКТУРА БЕЛКОВ

Белки – уникальный класс органических соединений, играющих решающую роль во всех процессах жизни. Данный факт подтверждается тем, что белки составляют около 50% сухой массы организмов животных и человека.

Поскольку белки построены из L--аминокислот, то в первую очередь следует остановиться на особенностях химического строения и физикохимических свойствах этого класса.

4.1. L--Аминокислоты

-Аминокислоты рассматриваются как производные карбоновых кислот, в которых карбоксильная и аминогруппы связаны с одним и тем же углеродным атомом (C), у которого, кроме того, имеется боковая цепь R. C- Атом является асимметрическим (за исключением глицина), он совпадает с хиральным центром и поэтому -аминокислоты существуют в виде двух оптических изомеров (D-и L-энантиомеров). Встречающиеся в живой природе аминокислоты, как правило, имеют L-конфигурацию. Такие L--аминокислоты (далее – аминокислоты) участвуют в построении молекул пептидов и белков, поэтому называются протеиногенными. Аминокислоты, которые не синтезируются в живом организме из других соединений, называются незаменимыми. Таких аминокислот 8. Кроме того, существуют частично заменимые, условно заменимые и заменимые аминокислоты. Названия, химическое строение, условные обозначения, классификация и некоторые физико-химические свойства протеиногенных аминокислот приведены в таблице 4.1.

К структурным особенностям аминокислот относятся:

1) аминокислоты отличаются большим структурным разнообразием, содержат различные функциональные группы, поэтому образуют самые разные связи и прежде всего – пептидную, вследствие чего из аминокислот образованы полипептиды – белки;

2) аминокислоты обладают кислотно-основными свойствами и в зависимости от pH среды имеют положительный или отрицательный заряд или же являются биполярными ионами, т.е. амфотерными соединениями. Будучи заряженными соединениями, аминокислоты образуют в биомолекулах ионные связи;

3) аминокислоты образуют также водородные и гидрофобные связи, поддерживающие сложную структуру белков;

4) специфической ковалентной связью является дисульфидная связь, образуемая цистеином в его димере- цистине.

Биологическая роль аминокислот заключается в следующем:

1) аминокислоты способны поддерживать определенные буферные свойства клеточного содержимого, так как они содержат функциональные группы, ионизирующиеся при различных значениях pH. Для расчета значения буферов, образуемых аминокислотами и их солями, надо знать величины pKa функциональных групп аминокислот (табл. 4.1).

Расчет pH буфера, образуемого данной аминокислотой, производят по уравнению pH = pKa + lg[основание][кислота] или pH = pKa + lg[соль аминокислоты][аминокислота] Значение pKa в данном случае равно величине pI, т.е. изоэлектрической точке – такому значению pH, при котором суммарный заряд аминокислоты равен нулю. Эту величину находят для аминокислот, не содержащих дополнительных кислотно-основных групп в боковой цепи R, как среднее арифметическое значений pKa функциональных групп аминокислоты.

Таблица 4.1 Протеиногенные амнокислоты

–  –  –

HbS Val His Leu Thr Pro Val Val Вторичная структура белка характеризует форму полипептидной цепи, которая может быть спиралевидной (-спираль) и складчатой (складчатый слой).

Пространственное строение наиболее устойчивой правосторонней спирали можно представить, вообразив, что полипептидная цепь обвивает цилиндр сверху вниз и направо, а ее боковые цепи направлены наружу (рис 4.2).

Рис. 4.2 Схематическое изображение полипептидной цепи в виде правой спирали (примерное расположение водородных связей (штриховая линия) между C=O и N-H) Теоретически можно предположить, что в подобной спирали на один виток приходится целое число аминокислотных остатков. Однако было показано, что на один виток -спирали приходится 3,67 аминокислотных остатков. Это означает, что группа C=O одной пептидной связи образует водородную связь с группой N-H другой пептидной связи, отстоящей от первой на четыре аминокислотного остатка. C=O- и H-N-связи направлены параллельны оси спирали и попарно противостоят друг другу; такое расположение оптимально для образования водородных связей и, следовательно, для стабилизации -спирали.

В -складчатом слое C=O- и H-N- группы одной полипептидной цепочки связаны водородными связями с такими же группами соседней, параллельно ориентированной полипептидной цепочки. Образующие складчатый слой полипептидные цепочки могут быть направлены в одном и том же направлении. В этом случае имеют дело с параллельным складчатым слоем (рис 4.3 а). Если полипептидные цепочки направлены в противоположные направления – антипараллельным -складчатым слоем (рис 4.3 б).

–  –  –

Рис. 4.3 Структура -складчатого слоя (а- участок параллельного слоя, боковые цепи R, прикрепленные к остаткам –CH-, расположены выше и ниже плоскости бумаги; б- участок антипараллельного слоя) Антипараллельность полипептидных цепей создает наиболее благоприятные условия для возникновения между ними водородных связей, в то время как в параллельной -структуре водородные связи между цепями менее прочны.

Те участки полипептидной цепи, которые нельзя отнести ни к спирали, ни к -складчатому слою получили называние соединительные петли.

Наиболее энергетически устойчивой в физиологических условиях является третичная структура белка, которая представляет собой комбинации вторичных структур:

-спирали и -складчатого слоя. Для упрощенного изображения третичной структуры используют условные изображения вторичных структур (рис.4.4). -Спираль изображают в виде цилиндра, а участки цепи, входящий в -складчатый слой, - в виде стрел, указывающих направления хода полипептидных цепей.

б а Рис. 4.4 Символы, применяемые для изображения участков -спирали (а) и

-складчатого слоя (б) (соединительные петли и неупорядоченные участки цепи изображают простой линией) Относительное содержание -спирали и -складчатого слоя широко варьируется в различных белках. На этом основании можно выделить несколько видов белков.

В первую группу входят белки, в которых преобладают -спирали (белки). К ним относятся цитохром c, миогемэритрин и белок оболочки вируса табачной мозаики.

Вторая группа (-белки) построена из антипараллельных - слоев (ферменты сериновой и кислой протеаз).

К третьей группе принадлежат белки, у которых имеются участки, целиком построенные из -спиралей, и участки, целиком построенные из слоев (+- белки). Примерами таких белков служат стафилококковая нуклеаза, инсулин, папаин.

Четвертая группа- ( /- белки), в которых -спирали и - слои чередуются по ходу цепи.

Факторами, влияющими на формирование третичной структуры, являются: электростатические взаимодействия, водородные связи, гидрофобные взаимодействия и дисульфидные связи (рис 4.5).

–  –  –

Рис. 4.5 Типы взаимодействий, формирующих и стабилизирующих третичную структуру белка.

Молекулы белка с молекулярной массой более 60 000 представляют собой агрегаты, которые состоят из нескольких полипептидных цепей со сравнительно небольшой молекулярной массой. При этом каждая цепь, сохраняя характерную для нее первичную, вторичную и третичную структуру, выступает в роли субъединицы этого агрегата., имеющего более высокий уровень пространственной организации – четвертичную структуру.

Такая молекула-агрегат представляет единое целое и выполняет биологическую функцию, не свойственную отдельно взятым субъединица.

Четвертичная структура белка закреплена за счет водородных связей, вандерваальсовых взаимодействий, дисульфидных связей.

Вопросы для самоконтроля к главе 4

1.Что такое первичная структура белка?

2. Что такое денатурация белка?

3.Приведите примерные значения pKa функциональных групп боковых цепей: а) кислых аминокислот; б)основных аминокислот; в) гистидина.

4. От каких аминокислотных остатков зависит суммарный заряд белковой молекулы, содержащей все 20 аминокислот?

5. Приведите схему, согласно которой гидролитический фермент может быть использован для расщепления D,L-аланина.

6. Почему белки относятся к полимерам? В чем сходство и различие в строении белков по сравнению с другими полимерами?

7. В чем сходство и различие в строении крахмала, целлюлозы и белка?

8. На каких уровнях организации может существовать белковая молекула?

Чем эти уровни отличаются друг от друга?

Глава 5. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН Клеточные мембраны представляют собой поверхностные периферические структуры, ограничивающие внутреннее содержимое клеток от внешней среды.

Основными функциями клеточных мембран являются:

1. изоляция клеток от межклеточной жидкости;

2. создание внутренней архитектуры клетки:

3. преобразование энергии (ферменты дыхательной цепи)

4. поддержание градиента концентраций различных веществ и электрохимического градиента:

5. транспорт питательных веществ и продуктов жизнедеятельности организмов:

6. передача нервных импульсов.

Главными компонентами клеточных мембран являются белки и липиды

5.1 Липиды Липиды – производные высших карбоновых кислот.

Липиды подразделяются на неполярные и полярные липиды.

Неполярные липиды представляют собой сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот (жиры) и являются важнейшими источниками энергии для живых организмов. Кроме того, жировые отложения в подкожной ткани и вокруг различных органов обладают высокими теплоизолирующими свойствами, и, поэтому, предохраняют организм от перегрева и переохлаждения и защищают внутренние органы от сотрясений при падениях, ударах и ушибах. Однако в состав клеточных мембран жиры не входят.

Одной из составных частей жиров являются карбоновые кислоты. В таблице 5.1 приведен ряд алифатических карбоновых кислот, обнаруженных в растительных и животных тканях. В высших растениях и животных содержатся главным образом жирные кислоты с длинной и неразветвленной Таблица 5.1 Карбоновые кислоты Тривиальное число C-атомов название число двойных связей положение и конфигурация двойных связей Муравьиная 1: 0 в липидах не встречается Уксусная 2: 0 в липидах не встречается Пропионовая 3: 0 в липидах не встречается Масляная 4: 0

–  –  –

Рис. 5.1 Структура жиров Три остатка жирной кислоты могут различаться как по длине цепи, так и по числу двойных связей. Жиры, экстрагированные из биологического материала, всегда представляют собой смесь близких по свойствам веществ, различающихся только остатками жирных кислот. В пищевых жирах чаще всего содержатся пальмитиновая, стеариновая, олеиновая и линолевая кислоты.

Полярные липиды подразделяются на фосфо-, сфинго- и гликолипиды, т.е. являются сложными эфирами глицерина или сфингозина и высших жирных кислот.

Фосфолипиды служат главными компонентами биологических мембран. Их общим отличительным признаком является наличие остатка фосфорной кислоты, который образует сложноэфирную связь с гидроксильной группой С-3 глицерина. Поэтому фосфолипиды по крайней мере в нейтральной области рН несут отрицательный заряд.

HOCH2CH2 N(CH3)3 холин

–  –  –

Рис. 5.2 Глицерофосфолипиды Наиболее простая форма фосфолипидов, фосфатидовые кислоты, являются фосфомоноэфирами диацилглицерина. Фосфатидовая кислота (остаток фосфатидил-) служит исходным веществом для синтеза других фосфолипидов. Остаток фосфорной кислоты может образовывать сложноэфирную связь с гидроксильными группами аминоспиртов (холин, этаноламин или серин) или полиспиртов (миоинозит). В качестве примера на рис. 5.2 приведен фосфатидилхолин (лецитин) — широко распространенный фосфолилид клеточных мембран. В фосфатидилэтаноламине (кефалине) вместо остатка холина содержится этаноламин, в фосфатидилсерине — остаток серина, в фосфатидилинозите — остаток циклического многоатомного спирта миоинозита.

Другой тип фосфолипидов – сфинголипиды (рис. 5.3) в большом количестве присутствуют в мембранах клеток нервной ткани и мозге. По строению эти соединения несколько отличаются от обычных фосфолипидов (глицерофосфолипидов). Функции глицерина в них выполняет аминоспирт с длинной алифатической цепью — сфингозин. Производные сфингозина, ацилированного по аминогруппе остатками жирных кислот, называются церамидами. Церамиды являются предшественниками сфинголипидов, в частности сфингомиелина (церамид-1-фосфохолина), важнейшего представителя группы сфинголипидов.

–  –  –

Рис. 5.3 Сфингофосфолипиды Гликолипиды содержатся во всех тканях, главным образом в наружном липидном слое плазматических мембран. Гликолипиды построены из сфингозина, остатка жирной кислоты и олигосахарида, при этом в них отсутствует фосфатная группа (рис. 5.4). К наиболее простым представителям этой группы веществ относятся галактозилцерамид и глюкозилцерамид (так называемые цереброзиды). Ганглиозиды — представители наиболее сложно построенных гликолипидов, они определяют группу крови у людей.

–  –  –

ганглиозид GM1 Рис. 5.4 Гликолипиды

5.2 Жидкостно-мозаичная структура клеточных мембран Таким образом, в отличие от жиров в полярных липидах присутствуют остатки фосфорной кислоты или углеводов. Поэтому в их молекулах присутствует одновременно как гидрофобные, так и гидрофильные части, что делает эти молекулы дифильными (амфипатическими) (рис. 5.5).

полярная гидрофильная часть неполярная гидрофобная часть или Рис. 5.5 Строение дифильных молекул Такие молекулы способны образовывать липидный бислой, который и служит клеточной мембраной (рис. 5.6). Кроме липидов в образовании бислоя принимает участие и холестерин – одноатомный спирт (холестерол), также обладающий дифильными свойствами. Встраиваясь между молекулами липидов (гидроксил располагается в зоне гидрофильной стороны) холестерин участвует в регуляции текучести мембраны, препятствуя плотной упаковке углеводородных цепей и тем самым снижая температуру плавления липидов.

HO холестерин ВНЕКЛЕТОЧНОЕ ПРОСТРАНСТВО

–  –  –

Рис. 5.6 Жидкостно-мозаичная структура клеточной мембраны Однако липидный бислой не способен выполнять важную функцию – трансмембранный перенос молекул. Эту функцию в липидном бислое выполняют интегральные и периферические мембранные белки (рис. 5.9).

Интегральные мембранные белки удерживаются в липидном бислое, благодаря тому что гидрофобная -спираль погружена в гидрофобную часть липидного бислоя (рис. 5.9).При любой попытке интегрального белка покинуть мембрану его гидрофобные участки войдут в соприкосновение с водой, а гидрофильные – с углеводородным слоем мембраны. И то и другое энергетически невыгодно, поэтому трансмембральное перемещение интегральных белков исключено.

ВНЕКЛЕТОЧНОЕ ПРОСТРАНСТВО

якорный N-участок,содержащий + гидрофильные аминокислоты гидрофобный NH3 хвост

–  –  –

Рис. 5.9 Механизм удерживания интегральных и периферических белков в клеточной мембране.

Периферические мембранные белки могут удерживаться на поверхности мембран за счет водородных связей, ионных взаимодействий, а также благодаря механизму «заякоривания» (рис. 5.9).Суть механизма заключается в том, что периферический белок может содержать ковалентно связанный остаток длинноцепочечной жирной кислоты, который внедряется в липидный бислой и служит своего рода якорем.

5.3 Функции клеточных мембран Многие молекулы, которые клетка должна получать из окружающей среды, не способны проникать через клеточную мембрану (рис. 5.10).

ВНЕКЛЕТОЧНОЕ ПРОСТРАНСТВО

–  –  –

Рис 5.11 Пассивный транспорт Термином унипорт обозначают перенос любых растворенных веществ или ионов с одной стороны мембраны на другую с участием специализированных транспортных белков ( на рис.5.11 перенос глюкозы) В противоположность пассивному транспорту активный транспорт идет против градиента концентрации или заряда, поэтому требует притока дополнительной энергии, которая обычно обеспечивается за счет гидролиза ATP.

Na+/K+Примером активного транспорта является так называемый насос, который обеспечивает активный транспорт ионов K+ и Na+ через клеточные мембраны с использованием энергии гидролиза ATP, поддерживая тем самым постоянство электролитного состава внутри и вне клетки. Дело в том, что концентрация ионов K+ внутри клетки примерно в 35 раз выше, чем вне ее, а концентрация ионов Na+ во внеклеточной жидкости в 15 раз больше, чем внутри клетки.

Составной частью Na+/K+-насоса (рис 5.12) является Na+/K+-ATPаза – фермент гидролизующий ATP в присутствии ионов Na+ и K+ до ADP и Pi.

Na+/K+-насос расположен в мембране клетки и представляет собой сложный белок, состоящий из четырех субъединиц. Он имеет две энергетически выгодные конформации. Одна из конформаций (E1) характеризуется наличием полости, обращенной внутрь клетки и обладающей высоким стереохимическим сродством к ионам Na+, а другая конформация (E2) имеет полость вне клетки и обладает сродством к ионам K+.

Связывание ионов Na+ на внутренней поверхности мембраны с натриевым участком фермента запускает процесс гидролиза ATP и фосфорилирования фермента, что, в свою очередь, приводит к изменению конформации с E1 на E2, в результате чего три иона Na+ перебрасываются наружу. Вне клетки связывание ионов K+ с калиевым участком запускает процесс дефосфорилирования белка, приводящий к изменению конформации с E2 на E1 и перебросу двух ионов K+ внутрь клетки. Таким образом, при гидролизе одной молекулы ATP выделяется энергия, достаточная для транспорта трех ионов Na+ из клетки и двух ионов K+ внутрь клетки.

Na+, Na+/K+-ATPазой, Трансмембранный градиент создаваемый является формой запасания энергией. Если ионы Na+ снова возвращаются в клетку, то они могут это сделать вместе с другими молекулами. Такой совместный перенос называется симпортом (рис 5.13). Существует белок, ответственный за симпорт ионов Na+ и глюкозы. В результате этого глюкоза

ВНЕКЛЕТОЧНОЕ ПРОСТРАНСТВО

–  –  –

Рис.5.15 Мембранные органеллы живой клетки

Наиболее важные органеллы и их функции:

Ядро – содержит ДНК и является местом синтеза ДНК и РНК;

Эндоплазматический ретикулум – сеть мембранных трубочек и цистерн. Здесь синтезируются все мембранные белки. Часть ретикулума усеяна рибосомами – структурами, ответственными за синтез белка;

Аппарат Гольджи- стопка уплощенных цистерн. Здесь сортируются синтезированные в ретикулуме белки и рассылаются по назначению;

Митохондрии – «энергетические станции» клеток, где происходит синтез ATP;

Лизосомы – содержат гидролитические ферменты, разрушающие нежелательные для клетки вещества;

Пероксисомы – пузырьки с ферментами, катализирующими различные окислительные реакции;

Внутренний объем клетки заполнен цитоплазмой, содержащей многочисленные растворимые компоненты.

Вопросы для самоконтроля к главе 5.

1.Назовите три фосфолипида – производных фосфатидной кислоты, и те группы, которыми они отличаются.

2.Чем цереброзид и ганглиозид отличаются от сфингомиелина?

3.В чем состоит функциональная роль цис-ненасыщенных жирнокислотных хвостов в фосфолипидах мембран?

4.Чем облегченная диффузия через мембраны отличается от свободной?

5. Сколько нужно затратить энергии для переноса одного моля вещества, если снаружи его концентрация в десять раз меньше, чем внутри клетки?

6. Опишите особенности структурной организации клеточных мембран. Из каких биомолекул состоят мембраны клеток?

7. Какие виды транспорта биомолекул через клеточные мембраны вам известны ?

8.К какому виду транспорта относится перенос ионов калия и натрия через мембрану клетки с помощью Na+/K+-насоса?

Часть 3. КАТАБОЛИЗМ

–  –  –

С процесса переваривания и всасывания пищи начинается метаболизм и в частности катаболизм.

Вся пища подвергается в кишечнике гидролитическому расщеплению, распадаясь на элементарные блоки. Белки денатурируются в желудке соляной кислотой и расщепляются протеолитическими ферментами желудочного сока до аминокислот, которые всасываются в тонком кишечнике. Углеводы расщепляются гликозидазами, до моносахаридов, которые также всасываются в тонком кишечнике.

Нейтральные жиры под действием липаз распадаются до жирных кислот и моноглицеридов, которые поступают в лимфатическую систему. Нуклеиновые кислоты разрушаются нуклеазами поджелудочной железы. Образующиеся при этом продукты расщепления – нуклеиновые основания (производные пурина и пиримидина), пентозы (рибоза, дезоксирибоза), фосфат и нуклеозиды всасываются в тонком кишечнике. Ни в каком другом виде компоненты пищи не могут проникать в эпителиальные клетки, выстилающие пищеварительный тракт.

Неорганические составляющие пищи, такие, как вода, соль, витамины, всасываются непосредственно в кишечнике.

Волокна клеточных стенок растений (целлюлоза, лигнин) проходят через кишечник неизмененными. В качестве балластных веществ они связывают воду и стимулируют перистальтику кишечника.

Большая часть продуктов переваривания всасывается эпителиальными клетками тощей и подвздошной кишок, а затем поступают в печень через воротную вену. Исключение составляют жиры, холестерин и жирорастворимые витамины. Они поступают из эпителиальных клеток в лимфатическую систему и далее через грудной проток в кровь (рис. 6.2).

Пищеварительный тракт состоит из отдельных участков.

В ротовой полости происходит измельчение и смачивание пищи.

Частично происходит расщепление крахмала.

В желудке содержится соляная кислота, которая стерилизует пищу и денатурирует белки.

Внутренняя поверхность тонкого кишечника образована маленькими ворсинками, которые покрыты эпителиальными клетками. На обращенной в просвет кишечника поверхности эпителиальных клеток имеется множество микроворсинок, образующих вместе с клетками щеточную каемку.

Благодаря этому существенно увеличивается площадь контакта кишечника с его содержимым.

продукт расщепления пищевые вещества

–  –  –

В толстом кишечнике из остатков пищи удаляется избыток воды.

Расщепление (переваривание) пищевых молекул на элементарные блоки является экзоэргоническим процессом, который сопровождается понижением G. Всасывание же часто связано с перемещением веществ против концентрационного градиента и поэтому требует затрат энергии.

По своему составу пища мало отличается от тканей составляющих пищеварительный тракт, однако организм сам себя не переваривает. Причина этого кроется в том, что многие пищеварительные ферменты синтезируются в виде неактивных белков-предшественников или проферментов. Именно в таком виде они продуцируются клетками, и поэтому их цитоплазма защищена от контакта с активной формой фермента. Основной же защитой эпителиальных клеток является слой слизи, покрывающий внутреннюю поверхность кишечника. Основными компонентами слизи являются гликопротеины - муцины.

6.1 Переваривание белков Белки расщепляются до аминокислот с помощью протеолитических ферментов (пептидазы, протеазы, пептидгидролазы), которые различаются по субстратной специфичности: каждый из них гидролизует пептидную связь между строго определенными аминокислотными остатками в молекуле белка.

Протеолитические ферменты подразделяются на две группы:

эндопептидазы, гидролизующие преимущественно пептидные связи, находящиеся внутри полипептидной цепи, и экзопептидазы, катализирующие гидролиз концевой пептидной связи с освобождением одной аминокислоты.

Наиболее изученными являются следующие эндопептидазы: пепсин, ренин, трипсин, химотрипсин, эластаза.

В желудочном соке гидролиз белков происходит под действием пепсина (от.греч.pepsis- пищеварение). В клетках слизистой оболочки желудка продуцируется пепсиноген – профермент пепсина, полипептидная цепь которого содержит 340 аминокислотных остатков и обладающий высокой устойчивостью в сильнокислой среде. В желудочном соке от пепсиногена отщепляется N-концевая часть молекулы, содержащая 42 аминокислотных остатка, в результате чего в остальной части молекулы вследствие изменения конформации формируется активный центр пепсина.

Таким образом, из профермента вырабатывается фермент – пепсин.

Активация пепсиногена в пепсин происходит под действием соляной кислоты желудочного сока, так и под действием самого пепсина, т.е.

автокаталитически.

Под действием пепсина гидролизуются пептидные связи, образованные фенилаланином, триптофаном и тирозином, при этом образуются пептиды, но не свободные аминокислоты.

Далее частично переваренная в желудке пища (химус) в двенадцатиперстную кишку. Кислый химус стимулирует выделение клетками кишечника в кровь гормонов (секретина и холецистокинина), благодаря которым поджелудочная железа начинает выделять панкреатический сок. Сок имеет щелочную реакцию и нейтрализует химус, останавливая тем самым действие пепсина и активируя деятельность других ферментов.

Эти другие ферменты поступают в кишечник также в виде проферментов. Это трипсиноген, химотрипсиноген, прокарбоксипептидаза и проэластаза. Активация этих проферментов осуществляется протеолитическим ферментом – энтеропептидазой, которая в активной форме вырабатывается клетками тонкого кишечника.

Энтеропептидаза расщепляет в трипсиногене единственную пептидную связь, а образующийся при этом трипсин способен активировать не только трипсиноген, но и другие проферменты (рис. 6.3). Вся эта система преследует одну цель – предотвратить активацию ферментов до их попадания в просвет кишечника. Если это, по каким то причинам происходит, то развивается болезнь – панкретит.

Селективность действия трипсина заключается в гидролизе пептидных связей, образованных между остатками аргинина и лизина. Химотрипсин наиболее активен по отношению к пептидным связям, образованным тирозином, аланином и серином. Эластаза гидролизует пептидные связи между глицином, аланином и серином. Все указанные ферменты гидролизуют белки до пептидов, но образуется также небольшое количество и свободных кислот.

Экзопептидазы представлены карбоксипептидазами, аминопептидазами и дипептидазами. Карбоксипептидазы гидролизуют энтеропептидаза

–  –  –

карбонат-дегидратаза (карбоангидраза) Рис 6.4 Механизм образования соляной кислоты в желудке Соляная кислота активирует пепсиноген, создает оптимальное значение pH для действия протеолетических ферментов, денатурирует пищевые бкелки, облегчая тем самым процесс их гидролиза, оказывает антимикробное действие.

Аминокислоты, образующиеся в кишечнике, проходят через мембрану щеточной каймы внутрь эпителиальных клеток, а после этого проникают в кровеносные капилляры ворсинок. На первой стадии происходит накопление аминокислот внутри клеток, которое осуществляется как симпорт аминокислот и катионов натрия (аналогичный симпорт глюкозы и катионов натрия изображен на рис.5.13).

6.2 Переваривание и всасывание углеводов Основными углеводами пищи являются полисахарид - крахмал, дисахариды – сахароза и лактоза, из моносахаридов встречаются глюкоза и фруктоза. Так как в кишечнике всасываются только моносахариды, то все углеводные компоненты должны быть расщеплены до моносахаридов.

Крахмал состоит из двух компонентов: амилозы и амилопектина.

Амилоза представляет собой цепь, содержащей от 100 до нескольких тысяч остатков -D-глюкозы. Другой компонент крахмала амилопектин образует сильно разветвленные структуры и состоит из множества коротких цепей (каждая содержит около 30 остатков -D-глюкозы), образованных с помощью -(14)-гликозидных связей и соединенных между собой -(16)гликозидными связями (рис. 6.5).

Гидролиз компонентов крахмала начинается в ротовой полости под действием гликозидаз слюны – амилаз. -Амилаза катализирует гидролиз внутренних -(14)-гликозидных связей.; -амилаза катализирует отщепление от крахмала дисахаридов; -амилаза участвует в реакциях отщепления одного глюкозного остатка. Поскольку время нахождения крахмала в ротовой полости недостаточно для полного переваривания, то его HO O

-остаток -D-глюкозы обозначим OH O HO OH амилоза

–  –  –

Рис. 6.5 Строение компонентов крахмала амилозы и амилопектина расщепление здесь происходит лишь частично. Под действием -амилазы слюны крахмал гидролизуется до декстринов и лишь отчасти до мальтозы.

Эти продукты гидролиза попадают в желудок, где действие амилаз прекращаются из-за кислой реакции желудочного сока.

Наиболее интенсивно проходит гидролиз углеводов протекает в двенадцатиперстной кишке и тонкой кишке под действием гликозидаз различного типа. Здесь крахмал подвергается гидролизу до мальтозы под действием кишечной амилазы. Далее образовавшаяся мальтоза, а также поступившие с пищей лактоза и сахароза гидролизуются до соответствующих моносахаридов с помощью мальтазы, лактазы и сахаразы.

Образовавшаяся в результате полного гидролиза смесь моносахаридов, всасывается в клетки посредством активного транспорта через клеточные мембраны при участии катионов натрия (рис. 5.13). Активный транспорт обеспечивает перенос моносахаридов против градиента концентрации и осуществляется при низких концентрациях глюкозы в кишечнике.

Моносахариды способны также проникать через клеточные мембраны путем облегченной диффузии (рис. 511). Далее глюкоза покидает эпителиальную клетку через мембрану, обращенную к кровеносному капилляру, и переносится кровью через воротную вену в печень. Выход глюкозы из клетки также происходит по облегченной диффузии.

–  –  –

Рис.6.6 Гидролиз триглицеридов Скорость гидролиза жиров ограничена их доступностью для липазы.

Она увеличивается по мере уменьшения размера капелек жира и, соответственно, увеличения поверхности соприкосновения с водной средой.

Этому способствует эмульгирование жиров. В качестве эмульгаторов выступают образующиеся при гидролизе моноглицериды, свободные жирные кислоты, а также соли желчных кислот. Моноглицериды достаточно растворимы чтобы всасываться в эпителиальные клетки тонкого кишечника.

Желчные кислоты образуются в печени и накапливаются в желчном пузыре, откуда поступают в двенадцатиперстную кишку. Они образуются из холестерина введением гидроксильных и карбоксильной группы.

Значительная доля холевой кислоты представлена в виде ее амидов, образованных глицином (гликохолевая кислота) и таурином (таурохолевая кислота)(рис.6.7) O

–  –  –

Рис.6.8 Ресинтез жиров Полученные в результате ресинтеза жиры, а также фосфолипиды, холестерин, его эфиры и белки собираются в мелкие частицы – хиломикроны. Внешняя гидрофильная оболочка этих сферических частиц состоит из фосфолипидов (массовая доля 4%), холестерина (3%) и белков (1%), а внутренняя гидрофобная часть из жиров (85-90%) и эфиров холестерина(3%). Размер хиломикрона составляет 100-1000 нм (рис.6.9 ).

–  –  –

Рис. 6.9 Строение хиломикронов Гидрофильная оболочка стабилизирует хиломикроны настолько, что они из эпителиальных клеток переносятся в лимфатические капилляры, также пронизывающие клеточные ворсинки.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие пищеварительные ферменты синтезируются в виде неактивных предшественников?

2.Почему пищеварительные ферменты синтезируются в виде неактивных предшественников? Почему амилаза синтезируется сразу в активной форме? Почему активные ферменты не действуют на стенки тонкого кишечника?

3.Как происходит активация проферментов в тонком кишечнике?

4.Какими последствиями для организма чревата преждевременная активация панкреатических проферментов?

5.Почему надо переваривать пищу?

6.Отчего многие люди, особенно выходцы из Азии, плохо переносят молоко и молочные продукты?

7.Что представляют собой нейтральные жиры?

8. Пищевые жиры нерастворимы в воде. Как при этом с ними справляются пищеварительные ферменты?

–  –  –

Рис. 7.2 Превращение глюкозы и жиров в организме Формой запасания пищевые аминокислоты является белок, особенно сократительный белок мышечных клеток, который расщепляется в условиях, когда организму не хватает пищевых аминокислот.

Неиспользованная часть аминокислот подвергается расщеплению, при этом азот, входящий в состав аминокислот, оказывается включенным в молекулу мочевины и выводится из организма с мочой. Лишенная азота молекула перерабатывается в жир или в гликоген, либо окисляется с выделением энергии (рис.7.3).

белки и другие компоненты тканей

–  –  –

Образующийся глюкозо-1-фосфат далее изомеризуется в глюкозо-6фосфат, гидролизующийся в глюкозу, которая поступает в кровь и в дальнейшем используется в других органах и тканях (рис. 7.6).

Точки ветвления в гликогене затрудняют работу гликогенфосфорилазы.

С целью устранения этого препятствия деветвящий фермент переносит три концевых остатка глюкозы на гидроксильную группу C-4-концевого остатка другой короткой цепи, что удлиняет последнюю и тем самым делает ее доступной действию гликогенфосфорилазы. Этот же деветвящий фермент гидролитически отщепляет боковой -(16) гликозильный остаток (рис 7.7).

перенос

–  –  –

Полученные в результате ресинтеза жиры в составе хиломикронов переносятся лимфатической системой в кровь. Жиры откладываются про запас в жировых клетках, мышцах и других тканях, где используются для производства энергии.

Транспорт нерастворимых в жидкостях организма жиров, в том числе и холестерина, осуществляется в составе особых частиц – липопротеинов, представляющие собой сложные по составу комплексы липидов с жирами. В крови было обнаружено несколько форм липопротеинов, различающихся плотностью: уже упомянутые хиломикроны, липопротеины очень низкой плотности (ЛОНП, англ.VLDL), липопротеины низкой плотности (ЛНП, LDL), липопротеины высокой плотности (ЛВП, HDL), липопротеины промежуточной плотности (ЛПП, IDL). Липопротеины, также как и хиломикроны, представляют собой сферические частицы, гидрофильная поверхность которых представляет собой слой ориентированных фосфолипидов, белков и холестерина, а ядро образовано гидрофобными молекулами триглицеридов и эфиров холестерина. Примерный состав липопротеинов крови человека приведен в таблице 7.1. Липопротеины несут

–  –  –

Рис. 7.12 Роль липопротеинов в переносе холестерина в печень и из печени При изучении липопротеинового состава сыворотки крови установлено, что чем больше отношение ЛНП/ЛВП, тем больше опасность обильных отложений холестерина на внутренней поверхности кровеносных сосудов, т.е. атеросклероза. Атеросклероз способствует развитию инсульта и инфаркта миокарда за счет ограничения кровотока через суженные сосуды мозга или сердца.

Вопросы для самоконтроля

1. Как достигается термодинамическая необратимость синтеза гликогена из глюкозо-1-фосфата?

2. Как триглицериды покидают хиломикроны и усваиваются тканями?

3. Что такое ЛОНП и для чего они нужны?

4. Что понимается под встречным переносом холестерина?

5. Каким образом большая часть холестерина выводится из организма?

6. Этерификация холестерина – эндоэргоническая реакция. Каким образом в ЛВП холестерин этерифицируется без участия ATP?

7. Почему клетки запасают глюкозу в виде гликогена?

8. Почему триглицериды запасаются в большем количестве, чем гликоген?

Глава 8. ПОЛУЧЕНИЕ ЭНЕРГИИ ИЗ ПИЩИ Для обеспечения себя энергией в виде ATP организм окисляет гликоген, глюкозу, а также жиры и избыточное количество аминокислот.

Процесс окисления рассматривается как перенос электронов, сопровождаемый отщеплением протона от окисляемой молекулы (субстрата) H-A-HA + 2e- + 2H+ протоны при этом переходят в окружающую среду. Донором электронов является кислород, O2 + 4e- +4H+ 2H2O при этом образуется вода, причем требующиеся для этого протоны забираются из раствора.

Между субстратом и кислородом расположены переносчики электронов. Связывая электроны, они передают их следующему акцептору, образуя цепь, по которой электроны переносятся с окисляемой молекулы на кислород. С этой цепью переноса электронов связан синтез основного количества ATP (рис.8.1).

электроны +H HAH из пищи (далее перемещаются (связываются с по цепи переносчиков) переносчиками или высвобождаются e в раствор)

–  –  –

H2O Рис.8.1 Общая схема переноса электронов на кислород и получение ATP Окисление глюкозы до воды и углекислого газа можно разделить на три этапа:

гликолиз – процесс расщепления глюкозы на два трехуглеродных фрагмента (пировиноградная кислота), сопряженной с восстановлением переносчика электронов в цитоплазме клетки.

цикл Кребса (цикл лимонной кислоты, трикарбоновых кислот) – последовательность реакций, в результате которых второй и третий углеродные атомы пировиноградной кислоты превращаются в углекислый газ с одновременным восстановлением переносчиков электронов. Этот процесс происходит в митохондрии без участия молекулярного кислорода.

электронтранспортная цепь – цепь переноса электронов на кислород, после чего он, забирая из окружающей среды протон, превращается в воду. Этот процесс происходит во внутренней мембране митохондрий.

В случае триглицеридов главное значение имеет окисление не глицерина, а жирной кислоты. Химическое строение жирной кислоты отличается от строения глюкозы и, естественно, механизм окисления жирной кислоты будет иным. В этом механизме будет отсутствовать стадия гликолиза, но остается цикл Кребса и электронтранспортная цепь.

Окисление аминокислот сходно с окислением глюкозы и жирных кислот, хотя и сложнее в деталях. Все 20 аминокислот могут использоваться для генерации энергии, если их количество превышает потребности организма в синтезе белка.

Схема их метаболизма заключается в следующем:

аминокислоты дезаминируются, а лишенная азота углеводородная часть вовлекается в цикл Кребса, а далее в электронтранспортную цепь.

Важнейшее значение в вышеприведенных процессах играют переносчики электронов.

8.1 Переносчики электронов Основной переносчик электронов, который взаимодействует с большинством окисляемых молекул, является никотинамидадениндинуклеотид (NAD+) (рис. 8.2, соединение 8.1).

–  –  –

Таким образом NAD+ действует как переносчик двух электронов и двух протонов от субстрата А к субстрату В.

Сходным строением обладает никотинамидадениндинуклеотид-фосфат NADP+ (рис. 8.4,соединение 8.2). Рабочим участком является также остаток никотинамида. В результате присоединения двух протонов и двух электронов образуется NADPH и H+.

–  –  –

Многие переносчики электронов являются белками, содержащими в качестве простетической группы гем. Такие переносчики электронов называются цитохромами, так как окрашены в красный цвет. Главная часть гема выглядит следующим образом

–  –  –

Главное, что следует помнить, это изменение валентности его атома железа при функционировании: Fe2+ при получении электрона от предыдущего переносчика и Fe 3+ после передачи электронов последующему переносчику. Свойства гема зависят от того, как и к какому белку он прикреплен в качестве простетической группы. По этой причине существуют циnохромы b,c1,c,a,a3, отличающиеся друг от друга редокс-потенциалами.

Существуют негемовые белковые железосодержащие переносчики электронов (железо-серные комплексы), в которых атомы железа связаны с сульфгидрильными группами остатков цистеина белка. Строение простейшего железо-серного комплекса можно представить следующим образом Cys Cys

–  –  –

Убихинон при восстановлении приобретает не только электроны, но и протоны. При одноэлектронном восстановлении он превращается в в свободный радикал семихинон, а при двухэлектронном в гидрохинон.

Промежуточное образование семихинона позволяет убихинону служить переносчиком не двух, а одного электрона. Очень длинный гидрофобный хвост позволяет убихинону легко внедряться в неполярный слой внутренней митохиндральной мембраны. Окислительно-восстановительные превращения убихинона можно представить следующим образом (рис. 8.11).

.

–  –  –

8.2 Строение митохондрий Митохондрии – небольшие внутриклеточные органеллы размером с бактерию (1 на 2 мкм). В клетке обычно содержится около 2000 митохондрий, общий объем которых составляет до 25% от общего объема клетки. Митохондрии по выполняемой функции представляет собой электростанции клеток, так как в них синтезируется основное количество ATP.

Рис. 8.12 Митохондрия Митохондрии окружены двумя мембранами. Внешняя мембрана (1) проницаема для многих соединений и особой роли в производстве энергии не играет. Внутренняя мембрана (2) обладает крайне низкой проницаемостью для большинства веществ, кроме тех, для которых в ней предусмотрены специальные транспортные системы. Внутренняя мембрана образует складки или кристы (3), увеличивающие ее площадь. Внутри митохондрия заполнена концентрированным раствором ферментов (матрикс(4). Между внутренней и внешней мембраной имеется межмембранное пространство (5) (рис.8.12).

–  –  –

Это превращение сопровождается значительным понижением свободной энергии. Равновесие сдвинуто вправо, что благоприятствует протеканию предыдущих реакций. При избыточной концентрации 3фосфоглицерата реакция обратима.

Этап 8 – изомеризация 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерата (8.16).

–  –  –

На этой стадии макроэргический фосфоенолпируват используется для синтеза ATP. В физиологических условиях этот процесс не обратим, так как сопровождается значительным понижением энергии.

Таким образом, если гликолиз начинается с глюкозы, то на образование глюкозо-1-фосфата и фруктозо-1,6-дифосфата расходуется 2 молекулы ATP.

Однако в результате фосфоглицераткиназной и пируваткиназной реакций образуется 2 молекулы ATP. Однако если учесть, что 1 молекула фруктозодифосфата расщепляется не 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата, то их последующее превращение в пируват сопровождается образованием 4 молекул ATP. Таким образом, в результате гликолитического расщепления глюкозы суммарный выход ATP составляет 2 молекулы. Если же гликолиз начинается с гликогена, выход ATP составляет 3 молекулы.

Кроме того, в результате гликолиза из глюкозы образуется NADH и пируват, который в зависимости от условий подвергается дальнейшим превращениям. В аэробных условиях пируват вовлекается в общий путь катаболизма, а в анаэробных – превращается в лактат.

Если пируват не восстанавливается до лактата, то он попадает внутрь митохондрий благодаря транспортной системе, обеспечивающий его антипорт и ионами HO-.

В матриксе митохондрий пируват взаимодействует с коферментом А (CoA-SH) с образованием ацетил-CoA (ацетил-кофермент А) в присутствии пируватдегидрогеназы.

Прежде всего следует остановится на коферменте А (рис.8.13, соединение 8.19), роль которого заключается в переносе ацетильной группы от одного соединения к другому.

Превращение пирувата в ацетил-CoA сложный процесс, в котором занято несколько ферментов и промежуточных продуктов. Процесс начинается с образования реакционноспособного производного из пирувата и тиаминпирофосфата (TPP). В результате потери диоксида углерода возникает аддукт ацетальдегида с TPP. Этот аддукт, или «активный альдегид» (8.20),

–  –  –

(8.31) (8.29) (8.30)

–  –  –

Рис.8.11 Полный цикл Кребса 8.3.3 Электронтранспортная цепь В настоящее время электронтранспортная цепь представляется в виде полиферментной цепи переноса электронов и протонов от субстрата к кислороду, образованной окислительно-восстановительными ферментами, которые расположены в липидном слое внутренней мембраны митохондрий клеток.

Окисление субстрата можно представить следующим суммарным уравнением:

AH2 + O2 A + H2O Это превращение включает большое количество стадий, в которых участвуют переносчики электронов и протонов. К ним относятся NAD+, FAD, FMN, цитохромы, железо-серные комплексы, убихинон (см. раздел 8.1).

NAD+ отнимает два электрона и два протона от субстрата (AH2) и образует восстановленную форму NADH+H+.

AH2 + NAD+ A + NADH+H+ Далее два электрона и два протона переносятся от восстановленного (NADH+H+) к FMN, который связан с белком, встроенным в митохондриальную мембрану и пронизывающего ее от внешней до внутренней поверхности (рис. 8.15) NADH+H+ + FMN FMNH2 + NAD+

–  –  –

Таким образом, замыкается первая петля цепи. Благодаря хорошей растворимости убихинона в липидном слое мембран он может мигрировать от одной стороны мембраны к другой, перенося протоны. Далее разделение протонов и электронов повторяется (2 петля), при этом два электрона через цитохром b566 и железо-серный комплекс FeSПр2 возвращаются на внешнюю сторону мембраны и связываются окисленным CoQ совместно с двумя протонами из окружающей среды. Новый восстановленный CoQH2 опять участвует в переносе протонов через мембрану. При этом возврат пары электронов на внешнюю сторону мембраны осуществляется через систему последовательно сопряженных цитохромов (c1, с, a, a3)(3 петля).

Комплекс цитохромов переносит электроны на молекулу кислорода, каждый атом которого присоединяет по два электрона и два протона, восстанавливаясь до молекулы воды O2+ 4e+4H+ 2H2O Таким образом, через электронтранспортную цепь электроны переходят от субстрата к конечному акцептору – кислороду. Направление переноса электронов и протонов в цепи определяется редокс-потенциалами ее компонентов. Поток электронов направлен от переносчика с более высоким восстановительным потенциалом (т.е. меньшим редокс-потенциалом) к переносчику с более низким восстановительным потенциалом (т.е. более окисленному, с большим редокс-потенциалом) Так как потенциал водородного электрода равен -0,42В, то перенос электронов и протонов от субстрата к кислороду (Eo/=+0,82B) начинает NAD+ (Eo/=-0,32 B).

Как уже говорилось, значения редокс-потенциалов непосредственно связаны с изменениями свободной энергии. Переносчики электронов расположены в цепи так, что Go постепенно уменьшается, а редокспотенциал возрастает. Таким образом, на каждом этапе переноса протонов и электронов соседнему по цепи переносчику высвобождается свободная энергия, которая используется в реакции окислительного фосфорилирования ADP ADP + Pi ATP + H2O Выяснено, что перенос пары электронов от NADH к кислороду сопровождается синтезом трех молекул ATP.

8.3.4 Механизм окислительного фосфорилирования В настоящее время общепринятой является хемиосмотическая теория Питера Митчелла, сформулированная им в 1961 г. В 1978 г. он получил за разработку этой теории Нобелевскую премию.

Как уже было, показано в мембране митохондрий происходит активный перенос протонов изнутри наружу (протонный насос). Перенос протонов приводит к возникновению разности концентраций протонов с двух сторон митохондриальной мембраны, так что более высокая концентрация будет снаружи, более низкая – внутри.

Возникает градиент концентраций протонов (или pH), который способен совершать работу.

Так перепад уровня воды приводит в действие турбогенераторы гидростанций, разница атмосферного давления порождает воздушный поток, заставляющий работать ветряные мельницы и т.д. Химические градиенты не являются исключением. Если на пути движущихся по концентрационному градиенты (от высокой концентрации к низкой ) молекул разместить подходящее устройство, то этот поток можно использовать для выполнения полезной работы.

Выкачивание протонов из митохондрий приводит также к появлению мембранного электрического потенциала, так как в результате выхода протонов из матрикса в среду наружная мембрана становится более электроположительной, а внутренняя – более электроотрицательной.

Таким образом, перенос протонов создает электрохимический градиент протонов, включающий два компонента – градиент pH и мембранный потенциал:

o = - ZpH, где o – электрохимический потенциал; – мембранный потенциал;

ZpH – градиент pH.

Большую часть электрохимического потенциала составляет мембранный потенциал, а в градиент pH коэффициент Z служит для перевода pH в милливольты. Зная общую величину изменения электрохимического потенциала, можно найти и величину изменения свободной энергии.

Выведенные наружу протоны снова устремляются через ATPазу (рис.8.15) в матрикс, где низкое содержание протонов, но достаточное для образования воды количество HO-. В ходе перемещения протонов по градиенту выделяется энергия, расходующаяся на синтез ATP. Протоны вначале протонируют Pi, затем от него отщепляется вода и фосфат превращается в очень реакционную частицу Pi*

–  –  –

которая реагирует с ADP в активном центре ATPазы с образованием ATP.

8.3.5 Количество ATP, синтезируемое в процессе окисления глюкозы Было выяснено, что окисление одной молекулы NADH сопровождается синтезом трех молекул ATP, а окисление одной молекулы FADH2, дает 2 молекулы ATP.

В результате гликолиза образуется 2 молекулы ATP (или 3 молекулы, если исходить из гликогена) и 2 молекулы NADH. В результате пируватдегидрогеназной реакции было получено 2 молекулы NADH. В цикле Кребса образуется 2 молекулы ATP (у млекопитающих это 2 GTP), 6 молекул NADH и 2 молекулы FADH2.

В результате 10 молекул NADH дают 30 молекул ATP, 2 молекулы FADH2 – 4 молекулы ATP. Сюда следует добавить 4 молекулы ATP, выделяющиеся в результате гликолиза и цикла Кребса. Всего получается 38 молекул ATP, или около 2800 кДж. Из них 1250 кДж сохраняется в виде молекул ATP, а остальные расходуются в виде тепла и превращаются в другие виды энергии. Коэффициент полезного действия биосинтеза ATP равен 44%.

8.4 Образование энергии из жиров

–  –  –

Последовательное повторение этих четырех реакций приводит, через стадию образования ацетоацетил-SCoA (8.44), к получению девяти молекул ацетил-CoA, которые вступают далее в цикл Кребса, а NADH и FADH2 поступают в электронтранспортную цепь.

Таким образом, при окислении пальмитиновой кислоты на первой стадии происходит активация, на что затрачивается 2 молекулы ATP.Затем протекают семь циклов -окисления. При этом образуются 7 молекул FADH2 NADH+H+.

и 7 молекул Оба соединения включаются в электронтранспортную цепь. Окисление FADH2 дает 2 молекулы ATP, а NADH+H+ - 3 молекулы ATP. Поэтому окисление одной молекулы пальмитиновой кислоты дает 33 (7·5=35-2) молекулы ATP.Окисление каждой молекулы ацетил-CoA приводит к образованию 12 молекул ATP (3 NADH 9 ATP, 1 FADH2 2 ATP, 1GTP (ATP), что означает получение еще 96 молекул (8·12) ATP. Итак, при утилизации одной молекулы пальмитиновой кислоты синтезируется 129 молекул ATP.

Таким образом, энергетическая ценность жирных кислот намного выше, чем глюкозы. Однако в процессе окисления глюкозы образуется оксалоацетат, который облегчает включение ацетильных остатков жирных кислот в цикл Кребса.

–  –  –

Рис. 8.19 -Окисление непредельных жирных кислот

8.5 Образование энергии из аминокислот Окисление аминокислот сходно с окислением глюкозы и жирных кислот, хотя и отличается деталями. Все 20 аминокислот могут использоваться для получения энергии, если их количества превышают потребности организма в синтезе белка. Схема получения энергии из аминокислот универсальна:

аминокислоты дезаминируются, углеводородная часть используется для получения ацетил-CoA или пирувата, которые вовлекаются в цикл Кребса (рис.8.20).

глюкоза

–  –  –

Рис.8.20 Окисление глюкозы, жиров и аминокислот для получения энергии Избыток глюкозы может перерабатываться в жиры. Это происходит благодаря тому, что жирные кислоты синтезируются из ацетил-CoA по схеме: глюкозапируват ацетил-CoAжирные кислоты.

Однако у млекопитающих жирные кислоты не могут быть превращены в глюкозу, так как ее синтез протекает с непременным участием пирувата, а его нельзяполучить из ацетил-CoA из-за необратимости реакции, катализируемой пируватдегидрогеназой. Поэтому жирные кислоты не могут превращаться в глюкозу, но глюкоза может превращаться в триглицериды (рис.8.21).

глюкоза

–  –  –

Рис.8.21 Изображение, показывающее, почему глюкоза может превращаться в жирные кислоты, а жирные кислоты в глюкозу не могут.

Вопросы для самоконтроля к главе 8.

1. Что представляют собой три этапа окисления глюкозы и где они протекают?

2. Опишите строение NAD+. Изобразите его электронакцепторную группу в окисленной и восстановленной форме. Каким образом NAD+ переносит водород между субстратами?

3. Редокс-пара FAD+2H++2eFADH2 характеризуется Eo'= -0,219В, а редокс-пара O2+2H++2eH2O имеет Eo'= +0,816В. Вычислите Go при окислении FADH2 кислородом до воды.

4. Почему в цикле Кребса продукт окисления изоцитрата декарбоксилируется, а сам он – нет?

5. Для чего нужна митохондриям электронтранспортная цепь?

6. Сколько молекул ATP образуется при расщеплении в гликолитическом пути 1 молекулы глюкозы и 1 глюкозильного остатка гликогена?

7. Объясните, как монененасыщенный жир (9) окисляется в ацетил-CoA?

8. Каков выход ATP при окислении стеариновой кислоты?

9. Расскажите о строении и функции FAD?

10. В чем разница между аэробным и анаэробным гликолизом в мышцах? Когда используется анаэробный гликолиз

11. Опишите строение кофермента А. Какая часть его молекулы используется в качестве акцептора ацильных остатков? Каково Go гидролиза тиолового эфира? Сравните эту величину с Go гидролиза карбоксильного эфира.

12. Опишите реакцию, катализируемую пируватдегидрогеназой, и приведите значения Go.

13. Какова в норме судьба образующегося в пируватдегидрогеназной раекции ацетил-CoA?

14. В результате гликолиза и цикла лимонной кислоты образуется NADH и FADH2. Какова дальнейшая судьба этих соединений?

Часть 4. АНАБОЛИЗМ До сих пор мы рассматривали катаболитические реакции, в результате которых происходило расщепление жиров и углеводов.

Другой задачей метаболизма является анаболизм, т.е. синтез молекул.

Рассмотрение анаболитических реакций следует начать с биосинтеза жиров, который включает в себя биосинтез самих жирных кислот и образование на их основе триглицеридов и фосфолипидов.

Глава 9. Механизм биосинтеза жиров Биосинтез жиров осуществляется главным образом из углеводов, которые поступают в избыточном количестве и не используются организмом для пополнения запасов гликогена.

–  –  –

Биосинтез жирных кислот начинается с превращения ацетил-CoA (9.1) в малонил- CoA (9.2), в котором энергии ATP используется для введения диоксида углерода.

Эта реакция катализируется ацетил- CoAкарбоксилазой [1]:

–  –  –

Первая реакция, катализируемая -кетоацил-АПБ-редуктазой [6], приводит к -гидроксибутирил-АПБ (9.71). Во второй реакции (9.71) отщепляет воду в присутствии -гидроксиацил-АПБ-дегидратазы [7] с образованием (9.72). В ходе третьей реакции двойная связь восстанавливается и в присутствии еноил-АПБ-редуктазы [8] образуется бутирил-АПБ (9.8).

На шестой стадии система переходит в состояние (9.9) аналогичное (9.5), где тиольная группа АПБ свободна. Единственное отличие заключается в том, что место ацильной группы в (9.5) занимает бутирильная. Если описанные реакции пройдут еще раз, то бутирильный радикал превратиться в гексаноильный. Еще пять оборотов цикла приведут к образованию пальмитоил-АПБ (9.10), который в присутствии ацил-АПБ-гидролазы [9]дает пальмитиновую кислоту (9.11).

Таким образом жирные кислоты синтезируются из ацетил-CoA – соединения с двумя атомами углерода. Это приводит к тому, что все природные соединения имеют четное число углеродных атомов.

S-CO-CH2-CH2CH3

АПБ АПБ SH

x7

–  –  –

Ненасыщенные жирные кислоты нужны организму для синтеза липидов и эйкозаноидов (простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов). Липиды используются для построения клеточных мембран, а эйкозаноиды выполняют множество физиологических функций. Они вызывают боль, воспаление и жар, стимулируют сокращение гладкой мускулатуры, участвуют в регуляции кровяного давления, вызывают агрегацию тромбоцитов, стимулируя свертывание крови.

В печени есть специальная ферментная система, которая может внедрить одну двойную связь в середину цепи стеариновой кислоты, превращая ее в олеиновую (18:1,9Z).

Однако эта ферментная система не может образовать еще одну двойную связь между центральной двойной связью и метильным концом молекулы. Поэтому такие кислоты как линолевая (18:2,9Z,12Z) и линоленовая (18:3,9Z,12Z,15Z) в организме синтезироваться не могут. Но поскольку они нужны для синтеза мембранных липидов и эйкозаноидов, то главным источником их получения является пища (растительные масла). В печени ферментная система удлиняет цепь линолевой и линоленовой кислот, а также может образовывать дополнительные двойные связи. Таким образом, получается арахидоновая кислота (20:4,5Z,8Z,11Z,14Z). Все эти последние превращения совершаются при участии ацетил-CoA.

9.2 Биосинтез триглицеридов Для образования сложноэфирных связей между глицерином и жирной кислотой последнюю необходимо активировать путем превращения в ацилCoA при участии ацил-CoA-синтетазы.

RCOO- + ATP + CoA-SH RCO-S-CoA + AMP + PPi Акцептором ацильных групп является не сам глицерин, а глицерин-3трифосфат (9.11), который образуется либо из глицерина (9.12) в присутствии глицеринкиназы [10], либо из дигидроацетонфосфата (9.13).

Это превращение катализируется глицерофосфатдегидрогеназой [11].

–  –  –

Вопросы для самоконтроля к главе 9

1.На первых этапах синтеза жирных кислот ацетил-CoA сначала карбоксилируется, а затем декарбоксилируетя. Зачем это нужно?

2. Изобразите основные этапы удленения углеродной цепи жирной кислоты.

3.Изобразите структуру NAD+ и NADP+. В чем причина одновременного существования обоих коферментов?

4. Опишите, как из жирных кислот синтезируется триглицериды.

5.Какую роль в биосинтезе липидов играет CTP?

Глава 10. Механизм биосинтеза глюкозы (глюконеогенез) Некоторые ткани (мозг, эритроциты) зависят от постоянного снабжения глюкозой.

Если получаемое с пищей количество углеводов недостаточно, необходимая концентрация глюкозы в крови может поддерживаться за счет расщепления гликогена печенью. Если истощены и эти запасы, в печени запускается синтез глюкозы (глюконеогенез).

Исходными соединениями в глюконеогенезе являются аминокислоты мышечной ткани. При длительном голодании это приводит к массивному распаду мышечного белка. Другими важными исходными веществами служат лактат, образующийся в эритроцитах и мышечной ткани при недостатке кислорода, а также глицерин, образующийся при расщеплении жиров.

Глюконеогенез в печени начинается с пирувата, который служит исходным соединением и при синтезе жирных кислот. Казалось бы, он может связать две ветви метаболизма углеводов и жиров. Однако превращение пирувата в ацетил-CoA у животных необратимо, поэтому они не могут перерабатывать жирные кислоты в глюкозу.

Одним из источников поступления пирувата (10.1) в печень является реакция дезаминирования глюкогенной аминокислоты - аланина (10.2) (см.

раздел ). Другим источником является реакция окисления лактата (10.3).

–  –  –

Рис.10.1 Синтез глюкозы из пирувата (глюконеогенез) Исходным соединением для глюконеогенеза является и глицерин, образующийся при гидролизе жиров.

Первым этапом является фосфорилирование глицерина глицеринкиназой. Все последующие стадии (рис.10.2) происходят в печени.

–  –  –

Рис.10.2 Превращение глицерина в глюкозу В заключении необходимо заметить, что подавляющее количество углеводов на Земле образуется в результате фотосинтеза, в ходе которого энергия солнечного света используется для фиксации диоксида углерода в виде дифосфоглицерата. Механизм этого процесса и превращение дифосфоглицерата в глюкозу был описан выше..

Итак, в главах 8,9 и 10 мы познакомились с использованием жиров и глюкозы в качестве источников энергии, а также с механизмами синтеза этих веществ. Следует заметить, что эти метаболические процессы не существуют изолированно друг от друга, а образуют единую метаболическую систему, все части которой взаимосвязаны и нуждаются в регуляции. Однако вопросы регуляции метаболизма в данном пособии рассматриваться не будут.

Вопросы для самоконтроля

1. После суточного голодания запасы гликогена в печени истощаются, но в организме имеются довольно большие запасы жиров. Зачем при голодании протекает процесс глюконеогенеза, когда в организме есть практически безграничные запасы ацетил-CoA (из жирных кислот), которых вполне хватает для прозводства энергии?

2. Почему фосфоенолпируват, необходимый для протекания глюконеогенеза, не может быть получен путем фосфорилирования пирувата с помощью пируваткиназы?

3. Начиная от фосфоенолпирувата, глюконеогенез в печени осуществляется путем обращения реакций гликолиза. Какие два гликолитических фермента катализируют необратимые пеакции? Как осуществление этих реакций сказывается на механизме глюконеогенеза?

4. Есть ли в мышцах глюкозо-6-фосфатаза? Поясните ответ.

5. В жировых клетках практически нет глицеринкиназы-фермента, катализирующего превращение глицерина в глицерин-3-фосфат, хотя там образуется глицерин (путем гидролиза триглицеридов). В печени же этот фермент есть. Логично ли это? А если да, то почему?

Часть 5. МЕТАБОЛИЗМ АМИНОКИСЛОТ Как уже было рассмотрено, белки пищи расщепляются в тонком кишечнике на отдельные аминокислоты, которые всасываются, поступают в воротную вену и доставляются в печень.

Все клетки организма используют аминокислоты для синтеза белков и множества других веществ (компоненты мембран, нейромедиаторы, гем).

Специальных форм хранения аминокислот, подобно высокомолекулярным полисахаридам, которые при необходимости расщепляются до мономеров, не существует. Для аминокислот резервными веществами служат функциональные белки, среди которых основными являются белки мышц. Однако при голодании и интенсивном их использовании, например при глюконеогенезе в печени, наступает неприятная для человека ситуация - мышечная атрофия. Эта ситуация неприятна вдвойне, так как в ходе эволюции человеческий организм утратил способность синтезировать десять (незаменимых) из двадцати аминокислот.

По этой причине человеческий организм должен получать такие аминокислоты с растительной и животной пищей. Однако, даже получая с пищей незаменимые аминокислоты, человек не может откладывать их про запас. Лишь некоторая часть их используется по назначению (синтез белка), а излишек окисляется или перерабатывается в жир или гликоген. Это напоминает сжигание в печке драгоценного красного дерева для получения тепла.

Общая схема метаболизма аминокислот представлена на рис.11.1 специфические компоненты клеток:

нейромедиаторы,катехоламины компоненты мембран,гем, нуклеиновые основания

–  –  –

Дезаминирование – отщепление аминогруппы от аминокислот в виде аммиака. В живых организмах возможно четыре типа дезаминирования аминокислот.

Восстановительное R-CH(NH2)-COOHR-CH2COOH + NH3 Гидролитическое R-CH(NH2)-COOH + H2OR-CH(OH)COOH + NH3 Внутримолекулярное R-CH2-CH(NH2)-COOH R-CH=CH-COOH + NH3 Окислительное R-CH(NH2)-COOH + [O]R-C(=O)COOH + NH3 Для большинства живых организмов, в том числе человека, характерно окислительное дезаминирование, которое приводит кроме аммиака к получению кетокислоты.

Одной из важнейших аминокислот является глутаминовая кислота (11.1), дезаминирование которой катализирует глутаматдегидрогеназа. Этот фермент в качестве окислителя использует либо NAD+ либо NADP+.

+ NAD OOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COO OOC-CH2-CH2-CO-COO + NH4 +NADH+H (11.2) (11.1) Образовавшийся -кетоглутарат (11.2) участвует в цикле лимонной кислоты, что делает возможным превращение глутаминовой кислоты в диоксид углерода и воду (см. раздел). Кроме того -кетоглутарат может превращаться в оксалоацетат (см. раздел), что делает возможным участие глутаминовой кислоты в синтезе глюкозы (см. раздел). Таким образом, глутаминовая кислота относится к глюкогенным аминокислотам.

11.2 Реакция трансдезаминирования

Для остальных аминокислот не существует соответствующих дегидрогеназ. Дезаминирование подобных аминокислот осуществляется путем переноса аминогруппы с аминокислот на кетоглутарат, в результате чего образуется соответствующая кетокислота и глутаминовая кислота. Последняя дезаминируется глутаматдегидрогеназой.

В качестве примера приведем дезаминирование аланина.

Этот процесс происходит в две стадии:

1 стадия- трансаминирование – перенос аминогруппы с аланина (11.3) на кетоглутарат (11.2). В результате этого образуется пируват (11.4) и глутамат (11.1) CH3-CH(NH3+)-COO- (11.3) + -OOC-CH2-CH2-C(=O)-COO-(11.2) CH3-C(=O)-COO- (11.4) + -OOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COO-(11.1) стадия дезаминирование – глутамат (11.1) в присутствии глутаматдегидрогеназа снова превращается в -кетоглутарат (11.2).

В совокупности обе стадии этого процесса называют трансдезаминированием. Ферменты, катализирующие этот процесс, называют трансаминазами или аминотрансаминазами.

В активном центре всех трансаминаз имеется прочно связанный кофермент пиридоксальфосфат (11.5), который является производным витамином B6. В отсутствии аланина (11.3) пиридоксальфосфат с остатком лизина трансаминазы образует альдимин I (11.6). Во время реакции аланин вытесняет остаток лизина и образуется альдимин II (11.7). Затем за счет изомеризации происходит перемещение двойной связи с образованием кетимина (11.8). Гидролиз кетимина дает пируват (11.4) и пиридоксаминфосфат (11.9).

Вторая стадия является обратной реакцией пиридоксаминфосфата (11.9) и -кетоглутарата (11.2). Образуется вначале кетимин, затем альдимин II и I и, наконец, выделяется глутамат и регенерируется кофермент.

Механизм трансдезаминирования приведен на рис.11.2

–  –  –

Продуктами декарбоксилирования являются амины, обладающие биологической активностью – биогенные амины. К этой группе соединений принадлежит большая часть нейромедиаторов и регуляторных факторов местного действия (тканевые медиаторы, регулирующие обмен веществ)(табл.11.1)

–  –  –

Рис.11.3 Пути использования углеродного скелета аминокислот При нормальной работе общего пути катаболизма и всех сопутствующих метаболических циклов полное окисление углеродного скелета аминокислот до диоксида углерода и воды не играет заметной энергетической роли.

–  –  –

На синтез каждой молекулы карбомоилфосфата расходуется две молекулы ATP. Одна из них, расщепляясь до ADP и Pi, обеспечивает образование из катиона аммония и диксида углерода карбомоилфосфата, а вторая участвует в его фосфорилировании.

Далее на второй стадии карбомоильная группа карбомоилфосфата с помощью фермента орнитинтранскарбомоилазы [2] переносится на орнитин (11.11), превращая его в цитруллин (11.12).

O

–  –  –

И, наконец, цикл замыкается гидролизом аргинина в присутствии аргиназы [4]. В результате отщепления гуанидиновой группы аргинина образуется мочевина (11.17) и орнитин (11.11), который снова реагирует с карбомоилфосфатом (11.10).

–  –  –

Рис.12.1 Биосинтез аминокислот Аспарагиновая кислота и аланин образуются в клетках за счет трансаминирования оксалоацетата или пирувата.

Серин синтезируется синтезируется в три стадии из промежуточного вещества гликолиза – 3-фосфоглицерата (11.18).

Сначала 3-фосфоглицерат окисляется в кетокислоту – 3-фосфогидроксипируват(11.19):

–  –  –

Затем эта кетокислота подвергается трансаминированию глутаминовой кислотой и превращается в 3-фосфосерин (11.20), который далее гидролизуется до серина (11.21) и Pi.

–  –  –

Синтез глицина осуществляется путем удаления концевой оксиметильной группы серина Вопросы для самоконтроля

1.Объясните, как окисление аминокислот может привести к их дезаминированию.

2. Какие аминокислоты дезаминируются посредством окисления?

3.Опишите подробно, как дезаминируется аланин.

4.Какой кофермент участвует в переаминировании? Каково его строение и как происходит переваминирование?

5.Что означают термины «кетогенные» и «глюкогенные» по отношению к аминокислотам? Назовите чисто кетогенные аминокислоты.

6. Опишите реакции, входящие в цикл мочевины.

Часть 6. ФОТОСИНТЕЗ Синтез ATP в аэробных клетках основан на переходе электронов с веществ, обладающих высоким энергетическим потенциалом, вниз по энергетической шкале на кислород.

. Поскольку количество пищевых молекул на Земле ограничено, то для продолжения жизни должен существовать механизм «подъема» электронов на самый верх энергетической шкалы.

Таким механизмом является фотосинтез.

Глава 13 Общие положения Фотосинтез – биологический процесс, осуществляющий кругооборот электронов.

Он имеет ряд преимуществ:

• неисчерпаемость источника энергии – солнца;

• неисчерпаемость донора электронов – воды;

• неисчерпаемость резервуара для стока электронов – кислорода.

Суть всеобщего энергетического цикла, частью которого является фотосинтез, представлена на рис. 13.1.

–  –  –

Рис. 13.1 Цикл переноса электронов, связывающего процессы фотосинтеза с окислительным фосфорилированием В результате фотосинтеза из воды и диоксида углерода образуется глюкоза (или другие моносахариды и крахмал).

Для того чтобы прошла эта реакция, необходимы следующие условия:

1. необходимо иметь восстанавливающий агент с достаточно низким редокс-потенциалом (с высокой энергией). При фотосинтезе таким восстановителем является NADPH ( а не NADH, как при глюконеогенезе ).

2. должен быть доступен ATP как движущая сила синтеза.

Поглощенная при фотосинтезе энергия света расходуется на перенос электронов с воды на NADP+ и на синтез ATP.

12.1 Внутриклеточные органеллы - хлоропласты Реакции фотосинтеза протекают в хлоропластах клеток зеленых растений. У хлоропластов внешняя мембрана (2) проницаема для протонов, а внутренняя (1) – нет.

–  –  –

Внутренние мембранные структуры хлоропластов – тилакоиды (5) представляют собой замкнутые уплощенные мембранные мешочки, уложенные в стопки – граны (3) и соединенные между собой мембранными выростами - ламеллами (7). Пространство внутри хлоропласта (без гран ) называют стромой (4) (рис.13.2). Между тилакоидами, уложенными в граны имеется внутритилакоидное пространство (6).

12.2 Хлорофилл В зеленых высших растениях рецептором, воспринимающим свет, служит хлорофилл (рис.13.3). Хлорофилл представляет собой тетрапиррол, напоминающий по строению гем.

CH=CH2 R

–  –  –

Рис.13.3 Строение хлорофилла От гема его отличает природа центрального атома (магний вместо железа), а также строение боковых групп. Одна из групп в хлорофилле является фитильной с длинной гидрофобной цепью, которая является «якорем», который удерживает хлорофилл в липидном бислое. В растениях присутствуют хлорофилл a и b.Оба они поглощают свет в голубой и красной областях видимого спектра и отражают зеленый свет. В результате этого пигмент и листья растений имеют соответствующий цвет. Хлорофилл находится в мембране тилакоидов.

Фукционирование фотосинтетической электронтранспортной системы осуществляется фотосистемами (ФС I и ФС II). Фотосистемы состоят из молекул хлорофилла, улавливающих свет (светособирающая антенна, рис.

13.4 ), реакционного центра, представляющего собой хлорофилловый димер, который возбуждается благодаря резонансному переходу энергии от антенны, и цепи переноса электронов. Установлено, что в антенне ФСI содержится 120 молекул хлорофилла a,соединенных с белком, а антенна ФСII – лишь 60. Хлорофилл в составе реакционного центра ФСII обозначается как P680, свет

–  –  –

Рис. 13.4 Строение и принцип функционирования фотосистемы а в составе ФСI – P700 (от анг. Pigment – пигмент; числа соответствуют длине волны максимума поглощения света в нанометрах)

–  –  –

Рис.14.1 Перенос электронов от воды к NADP+ (Z-схема) при фотосинтезе Хлорофилл P680 в реакционном центре II в темноте находится в основном (невозбужденном) состоянии и не проявляет восстановительных свойств. Когда P680 получает энергию фотона через антенну II, он переходит в возбужденное состояние P680*, что занимает около 30 пс. В этом состоянии он является очень сильным восстановителем, его сродство к электрону выше, чем у кислорода, поэтому он может извлечь электрон из воды. Чтобы превратить 2 молекулы воды в 4 протона и молекулу кислорода требуется отнять у них 4 электрона. Эту задачу выполняет Mn2+-содержащий белковый комплекс, известный как водорасщепляющий центр, который передает полученные электроны на P680*.

Далее P680* в течении 20 нс окисляясь отдает электрон переносчику электронов фотосистемы II - феофитину. Две восстановленные молекулы феофитина последовательно отдают полученные электроны на восстановление пластохинона. Цитохром bf (два цитохрома и железо-серный комплекс) осуществляет перенос электронов от восстановленного пластохинона на пластоцианин.

На хлорофилл P700 в реакционном центре I ФСI также стекается энергия фотона, уловленного антенным хлорофиллом I. После этого P700* также становится мощным восстановителем. Электрон с возбужденного хлорофилла P700* передается на ферродоксин, на котором с помощью ферредоксин-NADP+-редуктазы фермента происходит восстановление NADP+ в NADPH.

Естественно, что обе фотосистемы, отдав по электрону, должны получить их обратно, чтобы вернуться в исходное состояние, т.е. из восстановителей перейти в окислители. P700* забирает электрон у P680* восстановленного пластоцианина, а возвращается в исходное состояние более необычным путем, он забирает электроны у воды.

Одновременно с фотосинтетическим транспортом электронов происходит перенос протонов из стромы хлоропластов во внутрь тилакоида.

При этом возникает трансмембральный электрохимический градиент протонов (pH-градиент), который используется далее ATP-азой для синтеза ATP из ADP и Pi (рис.14.2). Таким образом, фотосинтетический аппарат включает в себя и протонный насос.

–  –  –

Весь этот достаточно сложный процесс можно изобразить очень упрощенной схемой:

C3 + C3 = C6 альдолаза C6 + C3 = C4 + C5 транскетолаза C4 + C3 = C7 альдолаза C7 + C3 = C5 + C5 транскетолаза Суммарный результат 5 C3 = 3 C5 Процесс заканчивается превращением рибулозо-5-фосфата в рибулозо-1,5дифосфат. Таким образом, процесс фиксации диоксида углерода и получения запасных углеводов имеет замкнутый циклический характер и носит название цикла Кальвина.

Суммарная реакция цикла Кальвина имеет следующий вид 6CO2+ 18 ATP + 12 NADPH + 12H+ + 12 H2O C6 H12 O6 + 18ADP + 18Pi + 12 NADP+ + 6H+ Поскольку первым продуктом фотосинтеза является 3-фосфоглицерат, то такой путь называется C3-путь. По этому пути осуществляют фотосинтез большинство растений: горох, фасорль, шпинат, салат, капуста, пшеница, овес, рожь, ячмень, свекла, подсолнечник, тыква, томаты и другие одно- и двудольные семенные.

Однако у некоторых растений первичным продуктом фиксации атмосферного диоксида углерода является оксалоацетат, содержащий четыре атома углерода. Отсюда другое название – C4-путь.Типичными представителями группы растений, у которых осуществляется C4-путь фотосинтеза, являются кукуруза, сахарный тростник, сорго.

Вопросы для самоконтроля к главе 14.

1.Объясните, чем различаются темновые и световые фазы фотосинтеза?

2. Для окисления воды требуется очень сильный окисляющий агент. Что окисляет воду при фотосинтезе?

3. Если растение на свету на очень короткое время поместить в атмосферу с радиоактивным CO2, метка сначала появляется в 3-фосфоглицерате.

Почему?

4.Объясните, что такое цикл Кальвина.

5. Опишите биосинтетические реакции на пути от 3-фосфоглицерата до крахмала.

Часть 7. ХРАНЕНИЕ И ПЕРЕРАБОТКА

ИНФОРМАЦИИ

Мы переходим к изучению механизма хранения и передачи генетической информации в живой клетке. Носителями этой информации являются биополимеры – нуклеиновые кислоты.

Глава 15 Строение нуклеиновых кислот

В живых организмах содержатся два вида нуклеиновых кислот :

дезоксирибонуклеиновые кислоты ДНК или DNA) и рибонуклеиновые кислоты (РНК или RNA). Все нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные соединения, построенные из мономеров – нуклеотидов, число которых колеблется от нескольких десятков до сотен миллионов.

Соединения, в которых азотистые основания связаны с рибозой или дезоксирибозой посредством N-гликозидной связи, называются нуклеозидам, а их эфиры с фосфорной кислотой – нуклеотидами.

Роль соединительного мостика между нуклеотидами в молекулах нуклеиновых кислот выполняет 3',5'-фосфодиэфирная связь, соединяющая Cатом одного нуклеотида с C-5'-атомом пентозы другого нуклеотида. Для удобства описания задается определенное направление полинуклеотидной цепочки. Поскольку на одном из ее концов остается свободной 5'-OH-группа (начало цепи), а на другом 3'-OH-группа (конец цепи), то направление полинуклеотидной цепи записывается в виде 5' 3'.

Нуклеиновые кислоты сходны с белками в том, что из разных нуклеотидов можно построить огромное количество нуклеиновых кислот.

15.1 Строение дезоксирибонуклеиновых кислот Основной биологической ролью ДНК является хранение и передача наследственной информации. Поэтому основное требование, которое предъявляется к ДНК, заключается в стабильности ее молекулярной структуДНК РНК Ц А <

–  –  –

Рис. 15.1 Строение участков полинуклеотидной цепи ДНК и РНК (где Ааденин, C-цитозин, G- гуанин,Т- тимин, U-урацил) ры в физиологических условиях, обеспечивающей сохранность генетической информации.

Первичной структурой ДНК является последовательность чередования нуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК. Для обозначения последовательности первичной структуры полинуклеотидной цепи применяют однобуквенные символы, образующих ее нуклеотидов, которые идентичны символам соответствующих азотистых оснований.

Например:

5'CATGTA3'.

Большие успехи в изучении первичной структуры ДНК были достигнуты в результате работ Чаргаффа.

В результате этих исследований были сформулированы правила Чаргаффа:

1 правило: суммарное содержание пуриновых нуклеотидов равно суммарному содержанию пиримидиновых (А+G=C+U+Т);

2 правило: содержание тимина равно содержанию аденина (Т=А);

3 правило: содержание гуанина равно содержанию цитозина (G=C);

4 правило: суммарное содержание аденина и цитозина равно суммарному содержанию гуанина и тимина (А+C=G+Т).

Такие соотношения не свойственны РНК.

Благодаря фосфатным остаткам молекула ДНК несет сильный отрицательный заряд. Дезоксирибоза с ее гидроксильными группами также проявляет гидрофильные свойства. Азотистые основания, наоборот, почти не растворимы и имеют ярко выраженные гидрофобные свойства.

Кодированная информация записана в последовательности оснований.

Цепь ДНК можно схематически изобразить следующим образом (рис.15.2).

инфомационная или кодирующая фрагмент часть структуры остова

–  –  –

Вторичная структура ДНК была расшифрована в 1953 г. Д.Уотсоном и Ф.Криком.

В основу модели Уотсона и Крика заложены следующие положения:

1.Молекулы ДНК построены из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно по всей длине связанных друг с другом водородными связями.

2.Водородные связи между цепями образуются за счет специфического взаимодействия остатка аденина одной цепи с остатком тимина другой цепи (пара А····Т) и остатка гуанина одной цепи с остатком цитозина другой цепи (пара Г····Ц). Причем в первом случае образуется две водородные связи, а во втором – три (рис 15.3).

H

–  –  –

Рис 15.3 Схема образования водородных связей между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями в составе ДНК.

Основания, образующие пару, являются комплементарными друг другу в том смысле, что возникновение водородных связей между ними более вероятно, чем при других сочетаниях.

3. Первичная структура одной цепи молекулы ДНК в составе двойной цепи комплементарна первичной структуре другой цепи (рис.15.4). Если в положеА ТТЦТЦГТ ЦГГ

Т А А ГА Г ЦА Г ЦЦ

3| 5|

–  –  –

Рис.15.5 Две антипараллельные цепи ДНК свернутые в двойную спираль Азотистые основания обращены внутрь спирали; их плоскости перпендикулярны оси спирали и параллельны друг другу, образуя внутри спирали стопку оснований. Между основаниями в такой стопке возникают гидрофобные (стэкинг-взаимодействия), которые наряду с водородными связями способствуют стабилизации структуры двойной спирали. Азотистые основания не контактируют с окружающим водным раствором.

Третичная структура ДНК. В вирусах, клетках бактерий и высших организмов молекулы ДНК образуют более сложные структуры.

Выделенные из вирусных частиц молекулы ДНК имеют либо линейную, либо кольцевую форму. Кроме того, линейная молекула ДНК может свертываться в плотный клубок, кольцевая двухцепочечная ДНК легко переходит в суперспирализованное состояние, которое обеспечивает плотную упаковку громадной молекулы ДНК в малом объеме ядра или клетки (рис.15.6).

а

–  –  –

*=метилированное основание; -псевдоуридин; D-дигидроуридин Рис.15.7 Строение фенилаланиновой тРНК тРНК участвуют в процессе трансляции в качестве промежуточного связующего звена между нуклеиновыми кислотами и белками.

Приведенная молекула тРНК небольшая молекула, содержащая в качестве первичной структуры примерно 75 нуклеотидов и имеющая молекулярную массу около 25 000. Характерной особенностью тРНК является наличие в них редких (минорных) оснований (псевдоуридин, дигидроуридин).

Вторичная структура тРНК имеет вид «клеверного листа».

Все тРНК начинаются с фосфорилированного 5'-конца и первым основанием обычно является гуанин (G). На 3'-OH-свободном конце находятся обычно три основания:A,C,C. Именно этот конец называют акцепторным – эдесь присоединяются переносимые остатки аминокислот.

Односпиральные участки молекулы тРНК называются концами, или ветвями, а участки, где пары оснований соединяются водородными связями и образуют вторичную структуру, называются петлями. Выделяют D-, T- и антикодоновые ветви, содержащие специфический участок – антикодон.

Петли состоят из двух антипараллельных цепей, вследствие чего в петлях возникают участки двойной спирали. Антикодон молекулы тРНК – это три последовательных нуклеотида, с помощью которых распознается соответствующий комплементарный кодон матричной РНК.

Третичная структура тРНК напоминает вытянутую букву Г и не так компактна, как глобулярные белки той же молекулярной массы.

Вопросы для самоконтроля к главе 15

1. Напишите уравнения стадий, через которые проходит гидролиз адениндезоксирибоyуклеоpида до дезокcирибозы и аденина. В каком растворе — кислом или щелочном — реакция будет проходить быстрее?

2. Покажите, как на основе метода резонанса можно предсказать, какое из соединений — цитозин или 2-оксипиримидин — будет проявлять большую тенденцию к существованию в виде таутомера амидного типа.

3. Для синтеза 1-D-глюкозилцитозина была использована следующая последовательность стадий:

2,4-диэтоксипиримидин HBr D-глюкоза тетраацетат 1-бромглюкозы (CH3CO2)O NH3 4-этокси-1-(тетраацетил-D-глюкозил)пиримидон-2 (избыток) 1-D-глюкозилцитозин Напишите структуры участвующих в превращениях соединений и механизм реакции с 2,4-диэтоксипиримидином. Почему взаимодействие тетраацетата 1-бромглюкозы с 2,4-диэтоксипиримидином не приводит к образованию 6-этокси-1-(тетраацетил -D -глюкозил) пиримидона - 2 ?

4. Бактерии Escherichia coli выращенные в среде, содержащей меченный 15N хлористый аммоний, образуют N-ДНК. Это может быть установлено с помощью ультрацентрифугирования в концентрированном растворе хлористого цезия - седиментация более тяжелой 15N -ДНК происходит быстрее, чем седиментация обычной N-ДНК. ЕСЛИ культура бактерий, выращенная в среде, содержащей N, переносится в среду, содержащую N, то воспроизведение ДНК продолжается, но результат его зависит от времени, прошедшего с момента переноса на среду, содержащую N ; спустя одно поколение вся ДНК оказывается гомогенной — в ней содержатся равные количества Nи N; спустя два поколения ДНК состоит из молекул двух типов (присутствующих в равных количествах), один из которых содержит N, 15N. Что говорят эти данные относительно характера N, а другой — воспроизведении ДНК и ее устойчивости внутри клетки ?

5. Предположим, что имеется вещество, подобное ДНК, но построенное только из двух типов единиц. Как составить на этой основе код, детерминирующий включение двух аминокислот в белок, не содержащий «запятых», неперекрывающийся (это означает, что «буквы» каждого кодового «слова» используются только по одному разу) и притом такой, в котором все «слова» содержат одно и то же число «буква».

6. В ДНК содержится четыре различных основания —-аденин (А), цитозин (C), гуанин (G) и тимнн (Т). Обсудите возможность кодирования каждой из 20 аминокислот при синтезе белка 24 «словами»: ACGT, ACTG, AGCT, AGTC, ATCG, ATTCA, CAGT, CATG и т. д. С какими проблемами придется столкнуться при построении и использовании кода на основе приведенных выше «слов»?

7. ДНК бактериофага Х174 имеет ряд необычных свойств. Во-первых, отношение аденин : тимин : гуанин : цитозин равно для него 1 : 1,33: 0,98 :

0,75. Во-вторых, в то время как при нагревании примерно до 80 °С переход обычной ДНК из сравнительно жесткой палочковидной структуры в беспорядочно свернутый клубок происходит весьма резко, ДНК фага Х174 даже при комнатной температуре беспорядочно скручены. В-третьих, ферменты, способные расщеплять ДНК, проявляют намного большую активность по отношению к ДНК фага Х174, чем к обычной ДНК. Вчетвертых, взаимодействие формальдегида с органическими основаниями обычной ДНК, приводящее к образованию основания Шиффа, происходит значительно медленнее, чем соответствующие реакции с ДНК фага Х174.

Наконец, если у Х174 удалить белковую оболочку и освобожденную ДНК подвергнуть ультрацентрифугированию, то ДНК разделится на две фракции;

более быстро осаждающаяся фракция (I) способна заражать специальным образом обработанные клетки, тогда как более медленноосаждающаяся фракция (II) такой способностью не обладает. Под действием фермента, расщепляющего цепи ДНК, фракция I дает сначала неактивную ДНК (фракцию II), а затем фрагменты различной молекулярной массы. Как можно объяснить приведенные выше факты, исходя из определенного представления о структуре ДНК фага Х174 ?

8. Известен фермент, превращающий нуклеотиддифосфаты в полирибонуклеотиды. Полиуридиловая кислота (уридиловая кислота = у рацилрибозид-5'-монофосфат), синтезируемая с помощью этого фермента, легко соединяется с полиадениловой кислотой в отношении 1:1, что приводит к палочковидной структуре. Объясните эти наблюдения, приведя возможные структурные формулы.

9. Напишитe структуру динуклеотида.

10.Рибонуклеиновая кислота (РНК) появилась раньше дезоксирибонуклеиновой кислоты. Почему появилась ДНК?

11.Основания в ДНК гидрофобны. Объясните, как это влияет на структуру двуцепочечной ДНК.

12. Назовите основные характеристики двойной спирали ДНК. Это лево- или правозакрученная спираль? Сколько пар оснований формируют один виток спирали ДНК?

13.Объясните, что означает антипараллельность цепей ДНК в двойной спирали.

14.Объясните, что означает направление 5'—3' в линейной молекуле ДНК.

15. Если вы видите структуру ДНК, записанную как CATAGCCG, что она означает, исходя из структуры двойной спирали и полярности ее цепей?

Объясните свой ответ.

Глава 16 Хранение и передача генетической информации

16.1 Биологические функции нуклеиновых кислот Нуклеиновые кислоты и, прежде всего ДНК, являются материальными носителями наследственной информации и определяют видовую специфичность организма. Носителями наследственной (генетической) информации являются пуриновые и пиримидиновые основания, подобно тому, как боковые заместители аминокислот определяют пространственное строение и функциональные свойства белков. Сочетания трех рядом стоящих нуклеотидов в молекуле ДНК называются триплетами оснований или кодонами. Сумма всех кодонов ДНК составляет генетический код. Ген – единица наследственности, представляет собой часть гигантской молекулы ДНК и содержит закодированную информацию о последовательности аминокислот одной полипептидной цепи (уточнение этого термина см. в разделе 16.3). Ген содержит информацию, определяющую фенотипический признак организма (цвет глаз и волос, рост, пол ). Гены локализованы в хромасомах, которые находятся в ядре клеток. Вся совокупность ДНК, содержащихся в клетке, называется геномом. Количество генов в геноме человека составляет 100 000, а в геноме бактерии кишечной палочки (Escherichia coli) – 4 307.

Генетическая информация передается от родительской клетке к дочерней путем репликации (копирования) – точного воспроизведения ДНК. Генетическая информация, заложенная в ДНК, в процессе транскрипции (переписывания) переводится в нуклеотидную последовательность мРНК. Матричная РНК, в свою очередь, взаимодействует с соответствующими специфическими аминоацил-тРНК, в результате чего происходит последовательное присоединение аминокислот.

Перевод генетической информации из РНК в специфическую аминокислотную последовательность белка называется трансляцией (перевод).

Процесс передачи генетической информации можно представить схемой на рисунке 11.1.

транскрипция

ДНК РНК

трансляция репликация накопление белка накопление ДНК Рис 11.1 Схема переноса генетической информации

16.2 Биосинтез ДНК (репликация) В настоящее время процесс репликации достаточно хорошо изучен у прокариотов (бактерий) и в меньшей степени у эукариотов (грибов, растений и животных). Однако с большой долей уверенности можно утверждать, что в большинстве клеток этот процесс протекает в основном одинаково. Далее будет рассмотрен механизм репликации ДНК у бактерии Escherichia coli Для передачи дочерним клеткам генетической информации в процессе репликации двойная спираль ДНК ферментативным путем разделяется, а затем на каждой из старых цепей синтезируются новые цепи. При этом нуклеотиды новых цепей спариваются комплементарно с нуклеотидами старых цепей, причем старые цепи выступают как матрицы. Сохранение последовательности нуклеотидов в процессе репликации происходит благодаря высокой специфичности образования водородных связей между комплементарными пуриновыми и пиридиновыми основаниями, заключающейся в том, что, например, аденин на одной цепи двойной спирали всегда будет находится напротив и образовывать водородные связи с тимином второй цепи. В результате репликации синтезируются две дочерние молекулы ДНК, совершенно идентичные по нуклеотидному составу родительской молекуле. В каждой дочерней молекуле одна цепь получена от родительской ДНК, а вторая синтезирована заново. Этот путь биосинтеза ДНК называется полуконсервативной репликацией (рис.16.2).

+ дочерние молекулы ДНК родительская молекула ДНК Рис.16.2 Полуконсервативная репликация ДНК

Обязательным условием репликации является:

- набор четырех дезоксинуклеозидтрифосфатов: dATP,dGTP, dCTP, dTTP;

-присутствие копируемой двухцепочечной молекулы ДНК;

-действие ферментов репликации, главными из которыми являются ДНКполимеразы, катализирующей соединение нуклеотидов в направлении 5'3';

- наличие 3'-OH РНК-праймера, синтезируемого на основе ДНК.Обычно праймер содержит от 10 до 60 нуклеотидов и синтезируется на родительской ДНК, используя ее как матрицу.

Первой стадией репликации является стадия инициации. Она начинается с раскручивания родительской двойной спирали ДНК с помощью ферментов ДНК-хеликаз, которые для этой цели используют энергию гидролиза ATP. В результате раскручивания молекулы ДНК образуется репликативная вилка ДНК (рис.16.3).

Далее при участии ДНК-полимеразы синтезируются новые полинуклеотидные цепи. Этот фермент катализирует связывание мононуклеозидтрифосфата со свободной концевой группой 3'-OH-группе праймера, высвобождая при этом неорганический пирофосфат (PPi).

Гидролиз пирофосфата увеличивает отрицательное значение G0 синтеза полинуклеотидной цепи, способствуя, таким образом, протеканию реакции полимеризации. Включение нуклеотида в новую цепь ДНК сопровождается образованием водородных связей с родительской ДНК. При этом происходит высвобождение энергии, что делает процесс термодинамически выгодным.

Синтез ДНК всегда протекает в направлении от 5'-конца к 3'-концу полинуклеотидной цепи (рис.16.4), поэтому на одной из цепей репликативной вилки (лидирующей) новая цепь синтезируется непрерывно по мере раскручивания родительской ДНК, причем вероятность включения основания не комплементарного основанию родительской ДНК, составляет менее 10-4. На другой цепи (запаздавающей) по мере раскручивания ДНК образуются короткие фрагменты – фрагменты Оказаки (открытые в 1968 г.

Р.Оказаки), содержащие 1000-2000 нуклеотидов. Далее при действии ДНКлигазы происходит объединение этих фрагментов в молекулы ДНК.

Скорость репликации у прокариотов очень высока и достигает 1700 пар оснований в секунду, т.е. весь геном бактериальной клетки синтезируется за 40 мин.

Вторая стадия реаликации – созревание –процесс образования двухцепочечной молекулы ДНК.

Третья стадия- корректорская правка- удаление неправильных (образующих некомплементарные пары) оснований, образование недостающих оснований или соединение цепей в молекуле ДНК в случае их разрыва. Коррекцию осуществляют ферменты репарации: экзо- и эндонуклеазы, рестриктазы и лигазы. Все это обеспечивает высокую точность репликации: возможна ошибка на 109 пар оснований. При завершении коррекции удаляется и праймер. Репликация ДНК может быть нарушена различными факторами: антибиотиками, мутагенами, химическими ядами, УФ-облучением.

16.3 Биосинтез РНК (транскрипция) Для того чтобы хранящаяся в ДНК информация могла быть использована, ее необходимо переписать (транскрибировать) в последовательность матричной (информационной или мессенджерной) РНК.

При этом ДНК служит только матрицей, т.е. она не меняется в процессе транскрипции. Транскрибируемые последовательности ДНК, т.е. участки ДНК, которые кодируют определенные белки, называются генами.

РНК является полинуклеотидом, похожим на ДНК, но имеющая свои особенности:

- сахар в РНК представлен рибозой, имеющей во втором положении OHгруппу, а не дезоксирибозой. Гидроксильная группа в 2'- положении делает молекулу РНК химически более нестабильной по сравнению с ДНК.

- мРНК представляет собой одноцепочечную молекулу, а не дуплекс двух молекул, из чего можно заключить, что мРНК – копия только одной из двух цепей ДНК гена;

- в РНК имеется четыре основания: A, C, G и U, тимин (Т) отсутствует.

Обязательным условием транскрипции является:

фрагменты Оказаки запаздывающая цепь

–  –  –

Рис.16.4 Реакция, катализируемая ДНК-полимераза

- набор трифосфатнуклеотидов ATP, CTP, GTP, UTP;

- наличие ДНК-зависимой РНК-полимеразы (для краткости - РНКполимеразы), фермента катализирующего синтез мРНК. РНК-полимераза способна инициировать новые цепи, и ей не нужен праймер. Этим самым процесс транскрипции отличается от процесса синтеза ДНК.

При наличии этих условий, возможно, начало процесса – инициации.

Следующий этап – синтез цепи РНК под действием РНК-полимеразы (элонгация).

Чтобы происходил катализируемый РНК-полимеразой синтез РНК, необходимо разделение цепей ДНК (рис 16.6а). Полимераза расплетает участок ДНК длиной около 17 пар оснований, образуя транскрипционный глазок, который продвигается вдоль ДНК. ДНК расплетается впереди полимеразы и закручивается позади ее. Синтезированная РНК (рис 16.6в) образует с ДНК двойную спираль РНК-ДНК длиной около 12 пар оснований (рис.16.5, рис.16.6 б ).

–  –  –

Рис 16.5 Схематическое изображение транскрипции ДНК РНК-полимеразой Escherichia coli РНК-полимераза продвигаясь вдоль матрицы, соединяет нуклеотиды в том порядке, который определен матрицей ДНК. Как и в случае ДНК, синтез РНК осуществляется в направлении 5'3'. Нуклеотиды присоединяются к 3'OH-группам, и поэтому наращивание цепи (элонгация) происходит в направлении 5'3'. Химическая реакция, катализируемая полимеразой, заключается в переносе -фосфорильной группы нуклеозидтрифосфатов (прямо соединенной с рибозой ) на 3'-OH-группу предшествующего нуклеотида с высвобождением неорганического пирофосфата. Последний

–  –  –

16.4 Биосинтез белков (трансляция) Биосинтез белков является главным механизмом реализации наследственной информации, заложенной в полинуклеотидных цепях нуклеиновых кислот.

Биосинтез белков называется трансляцией (от лат. translatio — перевод). Трансляция - это преобразование информационного текста, записанного на языке «нуклеиновой кислоты», в текст, записанный на «языке белков».

Как показали результаты биохимических исследований, последовательность нуклеотидов в нуклеиновых кислотах однозначно определяет порядок расположения аминокислотных остатков в полипептидных цепях белковых молекул. В то же время химическая природа мономеров (нуклеотиды и аминокислоты) настолько различна, что они не могут непосредственно взаимодействовать друг с другом. К тому же в нуклеиновых кислотах варьируется всего 4 нуклеотида, в то время как в белках чередуются 20 остатков различных аминокислот. Отсюда можно сделать вывод, что для каждой аминокислоты существует своя последовательность нуклеотидов - триплет оснований, или кодом, который кодирует включение ее в полипептидную цепь белка. Данный вывод можно подтвердить простым математическим расчетом. Если бы кодон для каждой аминокислоты содержал два нуклеотида, то было бы возможно 42 = 16 сочетаний; такого числа кодонов явно недостаточно для кодирования 20 аминокислот. Если взять комбинацию из трех нуклеотидов, то получается 43 = 64 кодона. Таким образом, триплетный код достаточен для кодирования 20 аминокислот, входящих в состав природных белков.

Кодирование в нуклеиновых кислотах информации о структуре белков

- явление в биологическом и в химическом плане уникальное. Способ кодирования генетической информации получил название генетического кода (его также называют биологическим, нуклеотидным, аминокислотным кодом.

Свойства генетического кода были исследованы впервые Ф. Криком и его сотрудниками. Ими было показано, что генетический код триплетен (т. е.

одну аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов). Затем последовали эксперименты, в ходе которых были разработаны методы определения состава кодонов (М. Ниренберг и И. Маттеи, 1961 г.). Так было выяснено, что триплет нуклеотидов UUU (U — урацил) кодирует аминокислоту фенилаланин, а триплет CCC (C — цитозин) — пролин.

К 70-м годам XX в. удалось полностью выяснить состав генетического кода (табл. 16.1).

Генетический код Таблица 16.1 Основание Среднее основание Основание 5'-конца 3'-конца U C A G

–  –  –

Результаты исследования генетического кода можно обобщить в следующих положениях.

- генетический код триплетен;

- генетический код однозначен, т. е. каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. Исключение составляют только инициаторные кодоны AUG и GUG. В начале трансляции они кодируют включение формилметионина, а находясь внутри цепи, AUG кодирует метионин, а GUG — валин;

- генетический код является вырожденным, т. е. одной аминокислоте соответствует более чем один кодон (табл. 16.2). Например, для серина существует шесть, для глицина и аланина — по четыре, для многих других аминокислот — по два кодона. Исключение составляют триптофан и метионин, кодируемые одним кодоном.

Вырожденность генетического кода Таблица 16.2 Название Кодирующие Название Кодирующие аминокислот кодоны аминокислот кодоны

–  –  –

- UAG, UAA и UGA — кодоны-терминаторы, кодирующие прекращение синтеза полипептидной цепи;

- cамым значимым свойством генетического кода является его универсальность,т.е. он в основном одинаков у организмов, стоящих на разных уровнях развития: у человека, растений, вирусов, бактерий. Такая универсальность генетического кода легла в основу генной инженерии.

Например, рибосомы и молекулы тРНК в кишечной палочке Е. coli могут осуществлять трансляцию цепи мРНК, кодирующей синтез гемоглобина, и синтезировать полноценный гемоглобин. Универсальность кода свидетельствует также о древности его происхождения и консервативности, в результате которой даже при длительной эволюции важнейшие особенности метаболизма сохраняются неизменными. Сходство генетического кода у разных организмов — это прямое доказательство того, что все живые организмы произошли от единого предка.

Механизмы репликации ДНК, транскрипции РНК и трансляции бел- „ ка в общих чертах одинаковы у всех организмов. Эволюция шла не путем изменения основных биосинтетических процессов, а путем образования дополнительных генов для синтеза новых ферментов, новых белков, обладающих разнообразными структурами и функциями. Такой ход эволюции обеспечил огромное разнообразие живых существ на Земле.

Последовательность событий при трансляции можно представить следующим образом.

1. Активация аминокислоты и присоединение ее к тРНК с образованием аминоацил-тРНК. Этот процесс катализируется специфической для каждой аминокислоты ферментом – аминоацил-тРНКсинтетазой. Источником энергии для этого процесса служит гидролиз АТФ.

На первом этапе происходит взаимодействие аминокислоты (16.1) с ATP (16.2). При этом происходит образование ангидридной связи с 5'фосфатной группой ATP. Результатом этого является образование аминоациладенозинмонофосфат (аминоацил-AMP)(16.3) и пирофосфата (16.4) (рис.16.8).

На втором этапе аминоацильная группа переносится на 3'-OH-группу концевого рибозного остатка соответствующей тРНК (16.5). При этом образуется аминоацил-тРНК (16.6) и AMP, который в результате фосфорилирования регенерирует исходный ATP(15.2) (рис.16.9).

NH2

–  –  –

Рис.16.8 Реакция образования аминоациладенозинмонофосфата Образование комплекса тРНК строго со своей аминокислотой очень важно: ошибка в формировании комплекса аминоацилтРНК приведет к тому, что в полипептидную цепь белка в данном месте включится не та аминокислота, которая должна быть. Действие тРНК и катализирующих процесс активации ферментов очень специфичны.

2. Инициация трансляции начинается с момента присоединения формил-метионина (fMet) (именно с этой кислоты начинается биосинтез белка!) к специфической тРНК-формил-мет, отличающейся от тРНК-мет, с помощью которой метионин включается в срединную часть полипептидной цепи (у этих тРНК различные антикодоны).

NH2

–  –  –

Рис.16.12 Транслокация и терминация

- узнавание кодона матричной РНК антикодоном тРНК;

- образование пептидной связи;

- перемещение полипептидной цепи вдоль мРНК (транслокация).

Узнавание кодона служит основой для точного последовательного синтеза полипептидной цепи и состоит в комплементарном узнавании оснований 5'3', ориентированных кодонов мРНК основаниями антикодона в тРНК, ориентированных в направлении 3'5'. Иногда тРНК узнает не только один кодон и связывается с ним, но и два-три кодона из-за вырожденности генетического кода. Ф. Крик объяснил это явление способностью третьего основания в кодоне изменять свое положение в пространстве и назвал такой феномен качанием кодонов.

В процессе прикрепления тРНК к рибосоме участвуют специальные белки - факторы элонгации, обозначаемые EF, и гидролизуется GTP с выделением энергии (рис.16.11).

4. Образование пептидной связи начинается после того, как комплекс свяжется с акцепторным центром рибосомы. Затем фактор TPHK-EF3-GTP EF-3-ГТФ после гидролиза ГТФ покидает рибосому, и здесь остается аминоацил-тРНК. Теперь, когда оба центра (донорный и акцепторный) заняты молекулами аминоацил-тРНК, часть 50S субъединицы, являющаяся ферментом пептидилтрансферазой, катализирует образование пептидной связи. В результате этой реакции растущая полипептидная цепь оказывается присоединенной к тРНК акцепторного центра, а тРНК донорного центра высвобождается из комплекса с пептидом со свободной З'-ОН группой (рис.16.11).

5. Транслокация. Сущность этого своеобразного процесса состоит в том, что тРНК донорного центра, не связанная с пептидом, покидает рибосому, а молекула полипептидил-тРНК переходит с акцепторного центра на донорный и, наконец, рибосома перемещается вдоль мРНК на три нуклеотида в сторону З'-ОН-конца. В результате освобождается акцепторный центр и становится доступным очередной кодон, что позволяет начаться следующему циклу элонгации (рис.16.11).

6. Терминация. Окончание синтеза пептидной цепи происходит по команде кодонов UAA, UGA, или UAG: в природе нет таких молекул тРНК, антикодоны которых соответствовали бы этим кодонам; их называют терминаторами. На стадии терминации специальные белки или факторы терминации изменяют специфичность фермента пептидилтрансферазы таким образом, что гидролизуется связь между концевым пептидом и тРНК, и освобожденная полипептидная цепь диффундирует от рибосомы. Вслед за этим происходит диссоциация комплекса мРНК-рибосома, а затем рибосома диссоциирует на 30S и 50S субъединицы. После связывания этих субъединиц с другой молекулой мРНК весь цикл биосинтеза нового белка начинается сначала (рис.16.11).

После окончания биосинтеза полипептидной цепи начинается формирование пространственной структуры белка. Поcледняя определяется свойствами аминокислот, входящих в состав белка: гидрофобные структуры ориентируются внутрь белковой глобулы, а гидрофильные - наружу. Ранее формирование пространственной структуры белка (свертывание полипептидной цепи) считалось самопроизвольным процессом, в результате которого возникала активная форма белка, энергетически более выгодная и стабильная, чем хаотичный клубок. Но если бы в клетке отбор наиболее выгодных конформаций белковых молекул происходил случайно, то такой процесс занял бы миллионы лет. Реально же пространственная структура белка формируется в течение минут при участии специальных белков - шаперонов, белковых комплексов, которые предупреждают нежелательное свертывание полипептидной цепи при выходе ее с рибосомы и формируют нативную конформацию белка. Связывание шаперонов с отдельными фрагментами полипептидной цепи стабилизирует частично свернутую молекулу до того мрмента, пока не произойдет правильное сворачивание белка. Это означает, что шапероны должны "отойти" от полипептида, и после их диссоциации завершается формирование третичной структуры белка. Хотя не все детали этого процесса ясны, сейчас уже очевидно, что шапероны играют важнейшую роль в формировании нашивной структуры белковых молекул. Надо подчеркнуть, что шапероны имеют отношение к кинетике процесса свертывания, а не к конечной пространственной структуре белка, которая определяется аминокислотной последовательностью.

Вопросы для самоконтроля

1. Почему для кодирования 20 аминокислот используется 61 кодон, а не 64?

2. Почему на схемах в спаренном с кодоном состоянии молекулу тРНК располагают в перевернутом виде по сравнению с той же РНК, показанной отдельно?

3.Что является субстратом для синтеза ДНК?

4.Почему при синтезе ДНК используется TTP, а не UTP, как в РНК?

5. Что является движущей силой синтеза ДНК?

6. Объясните, что такое тиминовый димер, как он образуется и как репарируется?

7.7а. Может ли цепь ДНК синтезироваться с использованием только четырех нуклеозидтрифосфатов?

7б. В каком направлении происходит синтез ДНК?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изложенные в учебном пособии данные о строении биомолекул и их функционировании в ходе биохимических реакций убедительно свидетельствуют о тесной взаимосвязи между их структурой и функцией, причем биологические функции проявляются на более высоком уровне организации молекул.

Другая важная сторона метаболизма - неразрывность процессов катаболизма и анаболизма и их регуляция на всех уровнях - от молекулярного до генетического, от модификации субстрата или фермента до сложных регуляторных механизмов, которые функционируют с помощью гормонов, рецепторов, медиаторов, посредников.

Биохимическая логика жизнедеятельности - переход от гена к признаку.

Этот переход осуществляется уникальными биомолекулами (ДНК и РНК) с участием биокатализаторов - ферментов. Жизнь сама по себе - сложнейший метаболический процесс, в котором активно действуют главные макромолекулы: белки, углеводы, липиды, составляющие их низкомолекулярные компоненты и многочисленные биологически активные вещества, выполняющие как структурную, так и регуляторную роль.

Между превращениями белков, углеводов и жиров существует теснейшая взаимосвязь, позволяющая в сложном организме отдельным частям клетки и органам функционировать в согласии друг с другом, поддерживая жизнедеятельность.

Существуют различные пути проявления взаимосвязи в процессах обмена веществ: наличие общих предшественников и промежуточных метаболитов, сходное энергетическое обеспечение, общие конечные пути окисления и образование похожих конечных продуктов, а также общие пути регуляции этих процессов.

Среди названных путей взаимосвязи различных процессов обмена веществ следует выделить наиболее важные.

Первый пример взаимосвязи - общее энергетическое обеспечение. При биосинтезе простых и сложных биомолекул в качестве общего источника энергии используются либо ATP, обеспечивающий энергию фосфорилирования, либо NADH и NADPH, поставляющие восстановительную энергию. Если в клетке имеет место синтез какого-либо вещества, то он происходит за счет распада другого вещества, что можно видеть на различных примерах. Например, если в печени усиливается образование глюкозы за счет глюконеогенез, то синтез белков и жиров в этот момент невозможен, наоборот, необходимо гидролизовать часть белков и липидов и окислить аминокислоты и жирные кислоты, чтобы обеспечить биосинтез глюкозы энергией ATP и NADH. Другой пример: если в клетке усилены процессы образования мембран, то требуется ускорение распада углеводов для обеспечения энергией биосинтеза необходимых белков и липидов.

Второй пример взаимосвязи - существование общих предшественников и промежуточных продуктов. Протекание самых разных реакций на этом пути включает и кооперативные, и сопряженные, и конкурентные взаимодействия. Примером может быть образование углеводов и липидов на основе глицерина, а также аминокислот - аланина, серина - на основе триоз, образующихся во время гликолиза. Следует отметить, что наиболее важным промежуточным продуктом обмена веществ, участвующих во всех метаболических реакциях, является ацетил-CoA - ключевая молекула и связующее звено различных сторон обмена. Существенно и наличие однонаправленности потока веществ в сторону липогенеза от углеводов и белков через ацетил- CoA. Поскольку в организме человека не существует механизма превращения ацетил-CoA в трехуглеродное соединение, то обратный переход углерода жирных кислот в глюкозу или аминокислоты невозможен.

Третий пример взаимосвязи процессов метаболизма - общие конечные пути. Такими путями для распада всех биомолекул являются цикл Кребса и дыхательная цепь. Эти процессы используются для координации метаболических реакций на различных уровнях. Так, цикл Кребса является источником диоксида углерода для реакций карбоксилирования, с которых начинается биосинтез жирных кислот и глюкогенез, а также образование пуриновых и пиримидиновых оснований и мочевины.

Взаимосвязь между углеводным и белковым обменом достигается через промежуточные метаболиты цикла Кребса:

-кетоглутарат и глутамат, оксалоацетат и аспар-тат.

Ацетил-CoA прямо участвует в биосинтезе жирных кислот и в других реакциях анаболизма, а в этих процессах связующими конечными путями выступают реакции энергетического обеспечения с использованием NADH, NADPH и ATP. Важно подчеркнуть, что главным фактором для нормального обмена веществ и протекания нормальной жизнедеятельности является поддержание стационарного состояния.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3 т. М.: Мир,1987.980 с.

2. Кольман Я., Рем К.-Г.Наглядная биохимия. М: Мир,2004.469 с.

3.Элиот В.,Элиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002.446 с.

4.Вшивков А.А. Основы косметической химии. Учеб. пособие.

Екатеринбург: Изд-во Рос. проф.-пед.ун-та, 2005, 429 с.

5. Вшивков А.А. Материаловедение. Учеб. пособие. Екатеринбург: Изд-во Рос. проф.-пед.ун-та, 2006, 494 с.

6. Слесарев В.И. Химия: Основы химии живого. СПб: Химиздат, 2001. 784 с.

ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ

Ответы к главе 1

1.Количество АТР, которое может быть синтезировано при использовании 5000 кДж свободной энергии составляет 5000/55, что соответствует 90,91 моль.

Количество образовавшейся динатриевой соли АТР в этом случае составит 551·91 г в день, или 50 141 г (72 % веса тела человека). Синтез такого количества АТР возможен потому, что АТР в нашем организме непрерывно распадается до АDР и Рi, и вновь синтезируется.

2.

G =Go + RT·2,303 lg[ADP][ Pi]/ [ATP] где R (газовая постоянная) = 8,315·10-3 Дж·моль-1·K-1? T – температура в градусах Кельвина (298 K = 250C), получаем G = –30,4 кДж·моль-1+(831,5·10-3)(298)2,303 lg[10-3][ 10-3]/ [10-3] = – 30,4-17,1= – 47,5 кДж·моль-1

3. Диссоциация фосфорной кислоты описывается тремя pKa: 2,2; 7,2; 12,3.

а) O O O O

–  –  –



Pages:   || 2 |
Похожие работы:

«1. Цели учебной 1-ой профильной геологоразведочной практики Целями учебной практики являются: формирование основных представлений о практическом применении данных мониторинга окружающей среды и недр для достижения экологической безопасности на объектах геологоразведочных работ. Задачами практи...»

«НЕМОЙКИНА АННА ЛЕОНИДОВНА ВЛИЯНИЕ СВЕТА И ГОРМОНОВ НА МОРФОГЕНЕЗ ЮККИ СЛОНОВОЙ В КУЛЬТУРЕ IN VITRO 03.00.05 – ботаника 03.00.12 – физиология и биохимия растений Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Томск 2003 Работа выполнена на кафедре физиологии растений и биотехнологии Томского го...»

«Казанский (Приволжский) федеральный университет Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования (ФГАОУ ВПО «Каз ФУ») Адрес: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18 Телефон: (843) 233-71-09, Факс: (84...»

«Геополитика и экогеодинамика Раздел II. регионов. 2009. Т. 5. Вып.1. С. 63-69 ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ЭКОГЕОДИНАМИКИ УДК 911.2 А.И. Лычак, Т.В. Бобра ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СИТУАЦИЯ И ПРОБЛЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СЕТИ В КРЫМУ Таврический национал...»

«ОУ ВО ТВЕРСКОЙ ИНСТИТУТ ЭКОЛОГИИ И ПРАВА ФАКУЛЬТЕТ ЭКОНОМИКИ И МЕНЕДЖМЕНТА КАФЕДРА ФИНАНСОВ И МЕНЕДЖМЕНТА ОБСУЖДЕНО УТВЕРЖДАЮ Протокол заседания кафедры Проректор по учебной и № от _ 20 г. методической работе Зав. каф. _ “_” 20 г. ЦЕНООБРАЗОВАНИЕ Учебно-методический комплекс по специальности 080105.65 «Финансы и кредит» Тв...»

«ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Рабочая программа составлена на основе Примерной программы основного общего образования по биологии с учетом авторской программы А.Г.Драгомилова, Р.Д. Маш по курсу « Человек и его здоровье». Структура курса складывается из трех частей. В пе...»

«Ученые записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского Серия «Филология. Социальные коммуникации» Том 27 (66). № 1. Ч.2 – С. 57-63 УДК 81’246.2’276.6’373.46/611 Ономасиологическая структура терминов сельскохозяйственной и почвенной микробиологии (на материале английского, украинского и русского языков) Кислухин...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет им. А.М. Горького» ИОНЦ «Физика в биологии и медицине» Биологический факультет Кафедра физиологии и биохимии растений ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ «ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОД...»

«ЛИТВИНОВА НАДЕЖДА АЛЕКСЕЕВНА РОЛЬ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ СТУДЕНТОВ В АДАПТАЦИИ К УМСТВЕННОЙ И ФИЗИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 03.00.13 – физиология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук Томск 2008 Раб...»

«Как заставить мозг работать на полную катушку? Автор: Психология, написано 8 Ноябрь 2011 г. в 13:04 1. Занимайтесь спортом. Считается, что при больших физических нагрузках у человека лучше развивается мозг. Ученые из Института биологических исследов...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования кСаратовскиЙ национальныЙ исследовательскиЙ государственный университет имени Н.Г. Чернышевского)) Балашовский институт (филиал) 20/{ г. Рабочая программа дис...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КАРАЧАЕВО-ЧЕРКЕССКОЙ РЕСПУБЛИКИ XIII КАРАЧАЕВО ЧЕРКЕССКАЯ РЕСПУБЛИКАНСКАЯ ОТКРЫТАЯ НАУЧНОДАР» КРАЕВЕДЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ НАУЧНОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ УЧАЩИХСЯ (ДЕТСКАЯ АКАДЕМИЯ РАЗВИТИЯ) СЕКЦИЯ «ПРИРОДНОЕ НАСЛЕДИЕ » Выполнила: Брошко Анастасия Игоревна 12.07.2000 года рождения ученица 7...»

«Алтайский государственный университет Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО «АлтГУ») Адрес: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61 Телефон: (385-2) 66-75-84. Факс: (385-2) 66-76-26 E-...»

«РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ПО КУРСУ «БИОЛОГИЯ, ЖИВОЙ ОРГАНИЗМ» 6 класс Разработчик учитель биологии МАОУ СОШ № 48 Дмитриева Ирина Александровна Уровень – общеобразовательный Часов -35 (1 час в неделю) г. Калининград 2016 г. Пояснительная записка Рабочая программа составлена на основе Федерального Государственного стан...»

«Бюллетень Никитского ботанического сада. 2008. Вып. 97 КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ КАК МЕТОД ОЦЕНКИ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ НОВОГО СОРТИМЕНТА ХРИЗАНТЕМЫ САДОВОЙ В УСЛОВИЯХ ЮЖНОГО БЕРЕГА КРЫМА Ю.Г. КОПАНЬ Никитский ботанический сад – Национальный научный центр Введение Корреляционный анализ применительно к...»

«ПРОГРАММА КАНДИДАТСКОГО ЭКЗАМЕНА ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 03.02.01 – Ботаника по биологическим наукам Введение В основу настоящей программы положены следующие разделы: цитолого-анатомические особенности высших растений; систематика растений; филогенетическая систематика, основы фитоценологии, основы ботанической географии, цели и задачи флорис...»

«ISSN 1819-4036 Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Красноярский государственный аграрный университет В Е С Т Н И К КрасГАУ Выпуск 11 Красноярск 2013 Редакционный совет Н.В. Цугленок – д-р техн. на...»

«УДК 633.112.631.52.581.19 М.М. Копусь, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник; Н.С. Кравченко, научный сотрудник; Н.Г. Игнатьева, старший научный сотрудник, зав. лабораторией биохимической...»

«Электронная тайга Югры 2010, № 4, 25 января «Как это было», итоги проведения окружного этапа Всероссийского юниорского лесного конкурса «Подрост» Интервью: «В Югре задача по развитию движения школьных лесничеств поставлена четко» «Как...»

«Программа вступительного испытания в аспирантуру по специальности 03.01.05 «Физиология и биохимия растений» по биологическим наукам Введение Предмет физиологии растений. Физиология растенийнаука об основных жизненных процессах или функциональных системах растительных организмов и их взаимосвязи с условиями окружающе...»

«Зарегистрировано в Минюсте России 27 августа 2008 г. N 12189 МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПРИКАЗ от 4 августа 2008 г. N 379н ОБ УТВЕРЖДЕНИИ ФОРМ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ПРОГ...»

«ашщдашазээ www.medicom-mtd.com www.reacor.ru [Тренинги] ^биологической] www.egoscop.ru [обратной связь 1;QQ9J [Контроль1 [эффективности [процедуре Психологическое. и психофизиологическое тестирование ЭгоскопЛ 347900, Россия, г.Таганрог, ул. Петровская, 99 Тел. (8634) 626242, 626243, 626244, 626245,...»

«Институт экологии растений и животных УрО РАН ЭКОЛОГИЯ: ФАКТЫ, ГИПОТЕЗЫ, МОДЕЛИ Материалы конференции молодых ученых, посвященной 170-летию В.В. Докучаева 11–15 апреля 2016 г. Е катеринбург УДК 574 (061.3) Э 40 Материалы конференции изданы при финансовой поддержке Рос...»









 
2017 www.pdf.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - разные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.