Уровни структурной организации белковых молекул

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ БЕЛКОВ

1.1 белки как природные биополимеры: полипептидная теория строения белков, классификация белков по структуре, функциям. Уровни структурной организации белковых молекул. Первичная структура белков, ее видовая специфичность. Полиморфизм белков. Гомологичные белки.

Белки — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из остатков альфа-аминокислот, определенным образом соединённых в цепочку пептидными связями.

 

1)П о л и п е п т и д н а я т е о р и я с т р о е н и я б е л к о в - ПредложенаЭ.Фишером. Согласно теории основой структуры белка признана полипептидная цепь. Эта цепь построена из остатков аминокислот, связанных между собой пептидными связями.

2)Классификация белков по структуре:

· Фибриллярные

· Глобулярные

· Промежуточные

Классификация белков по функциям:

· Ферменты.(трипсин)

· Структурные-коллаген, эластин, кератин, фиброин.

· Питательные белки- обеспечивают растущий организм аминокислотами, фосфором и кальцием. К ним относится казеин.

· Сократительные белки- миозин и актин.

· Транспортные белки

· Защитные-Иммуноглобулины,фибриноген,тромбин.

· Рецепторные белки-сигнальные молекулы(гормоны,нейромедиаторы)

· Регуляторные белки- инсулин, глюкагон

 

Аминокислотный состав белков

 Все белки, являясь по химической природе полипептидами, тем не менее отличаются друг от друга строением и свойствами. Эти различия обусловлены тем, какие аминокислоты входят в состав данного белка, в каком количественном соотношении они представлены, в какой последовательности они соединены в полипептидную цепочку.  Аминокислоты так же играют важную роль и в структурной организации и в метаболизме живых объектов. Они так же выполняют функции структурную, энергетическую, пластическую и др. В медицине аминокислоты применяют в смеси или отдельно, в том числе при нарушениях обмена веществ и заболеваниях органов пищеварения, при некоторых заболеваниях ЦНС.

 

Уровни структурной организации белковых молекул

Полиморфизм белков

Полиморфный белок(изобелок)- выполняющих одинаковые функции в организмах одного биологического вида, но различающихся по свойствам. Существование разных форм белка, выполняющих одинаковые или очень сходные функции (изобелки)

 

 1.2 Уровни структурной организации белковых молекул (первичная, вторичная, третичная, четвертичная), виды связей и взаимодействий, участвующих в их формировании и стабилизации. Зависимость конформации белков от их первичной структуры. Надмолекулярные белковые комплексы, примеры

1. Первичная структура – последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

2.   Вторичная структура – характер (способ) упаковки остова полипептидной цепи, формирующейся за счет взаимодействия между собой соседних (близко расположенных) аминокислотных радикалов. Вторичная структура может иметь упорядоченный характер (α-спираль, β-структура, коллагеновая спираль и др.) или иметь вид неупорядоченного (статистического) клубка.

3. Третичная структура – способ укладки всей полипептидной цепи в определенном объеме пространства, обусловленный взаимодействием удаленных друг от друга по ходу полипептидной цепи аминокислотных радикалов, а также за счет их взаимодействия с окружающими белковую молекулу молекулами растворителя с образованием определенной трехмерной пространственной структуры.

4. Четвертичная структура – есть пространственное взаиморасположение протомеров в молекуле белка, имеющего олигомерную структуру. Этот термин применим только к тем белкам, в состав которых входит несколько полипептидных цепей, именуемых протомерами.

Вторичная структура — локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями. Ниже приведены самые распространённые типы вторичной структуры белков:

1) α-спирали — плотные витки вокруг длинной оси молекулы, один виток составляют 3,6 аминокислотных остатка, и шаг спирали составляет 0,54 нм (так что на один аминокислотный остаток приходится 0,15 нм), спираль стабилизирована водородными связями между H и O пептидных групп, отстоящих друг от друга на 4 звена. Спираль построена исключительно из одного типа стереоизомеров L-аминокислот. Хотя она может быть как левозакрученной, так и правозакрученной, в белках преобладает правозакрученная. Эта конформация – наиболее устойчивая, отвечает минимуму свободной энергии.

2) β-листы (складчатые слои) — несколько зигзагообразных полипептидных цепей, в которых водородные связи образуются между относительно удалёнными друг от друга (0,347 нм на аминокислотный остаток) в первичной структуре аминокислотами или разными цепями белка, а не близко расположенными, как имеет место в α-спирали. Эти цепи обычно направлены N-концами в противоположные стороны (антипараллельная ориентация). Формируется за счет образования множества водородных связей между атомами пептидных групп линейных областей одной полипептидной цепи, делающей изгибы, или между разными полипептидными цепями. Если связанные полипептидные цепи направлены противоположно, возникает антипараллельная β-структура, если же N- и С-концы полипептидных цепей совпадают, образуется структура параллельного β-складчатого слоя.

3) Нерегулярная структура - тип вторичной структуры, в котором расположение различных участков полипептидной цепи относительно друг друга не имеет регулярного (постоянного) характера, поэтому нерегулярные структуры могут иметь различную конформацию.

Третичная структура — трехмерное пространственное строение полипептидной цепи. Структурно состоит из элементов вторичной структуры, стабилизированных различными типами взаимодействий, в которых гидрофобные взаимодействия играют важнейшую роль.

В стабилизации третичной структуры принимают участие:

· ковалентные связи (между двумя остатками цистеина — дисульфидные мостики);

· ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами аминокислотных остатков;

· водородные связи;

· гидрофобные взаимодействия.

Четвертичная структура

Встречается не у всех белков, а только у тех, которые состоят из двух или более полипептидных цепей. Каждая такая цепь называется СУБЪЕДИНИЦЕЙ данной молекулы (или ПРОТОМЕРОМ). Поэтому белки, обладающие четвертичной структурой, называют ОЛИГОМЕРНЫМИ белками. В состав белковой молекулы могут входить одинаковые или разные субъединицы.

Химические модификация

 

Лиганды

Взаимодействие белка с каким-нибудь веществом иногда приводит к связыванию молекулы этого вещества молекулой белка. Этот явление известно как «сорбция» (связывание). Обратный же процесс - освобождение другой молекулы от белковой называется «десорбция». Если для какой-нибудь пары молекул процесс сорбции преобладает над десорбцией, то это уже специфическая сорбция, а вещество, которое сорбируется, называется «лиганд».

       Виды лигандов:

1) Лиганд белка-фермента – субстрат.

2) Лиганд траспортного белка – транспортируемое вещество.

3) Лиганд антитела (иммуноглобулина) – антиген.

4) Лиганд рецептора гормона или нейромедиатора – гормон или нейромедиатор.

Белок может изменять свою конформацию не только при взаимодействии с лигандом, но и в результате любого химического взаимодействия. Примером такого взаимодействия может служить присоединение остатка фосфорной кислоты.

В природных условиях белки имеют несколько термодинамически выгодных конформационных состояний. Это нативные состояния (природные). Natura (лат.) – природа.

 

2. ФЕРМЕНТЫ. ВИТАМИНЫ

 

Ферменты: химическая природа, классификации, номенклатура. Изоферменты, проферменты. Ферменты простые и сложные. Кофакторы ферментов, их классификация и роль в катализе. Свойства ферментов как биологических катализаторов: эффективность, специфичность действия, зависимость активности ферментов от концентрации субстрата, температуры и рН среды.

Ферме́нты, или энзи́мы — высокоспецифичные белковые молекулы или молекулы РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах.

Химическая природа.

Все ферменты – белки, имеющие, как и другие белки, первичную, вторичную, третичную и часто четвертичную структуру. Ферменты могут быть как простыми, так и сложными белками. Молекулы ферментов, представляющие собой простые белки (однокомпонентные), целиком построены из полипептидных цепей и при гидролизе распадаются только на аминокислоты. Примером ферментов такого рода являются гидролитические ферменты пепсин, трипсин, уреаза, лизоцим и др. Большинство природных ферментов относится к сложным белкам (двукомпонентным), содержащих в составе своей молекулы помимо полипептидных цепей небелковый компонент. Как белковая часть такого сложного фермента (апофермента), так и небелковый компонент его молекулы (кофермент) в отдельности лишены ферментативной активности. Только соединившись вместе и образовав так называемый холофермент (полный фермент), они приобретают свойства, характерные для биокатализаторов. В роли коферментов могут выступать различные соединения. Так, ряд коферментов является производными витаминов. По химическому строению многие коферменты представляют собой нуклеотиды, некоторые – органические производные фосфорной кислоты или пептиды и их производные (например, фолиевая кислота, глутатион, КоА). Таким образом, между ферментами, нуклеотидами и витаминами существует определенная функциональная связь.

Номенклатура.

· Тривиальная (исторически сложившаясяся название фермента). Например, пепсин, трипсин.

· Рациональная (название субстрата и характер катализируемой реакции + АЗА). Например, сукцинатдегидрогеназа.

· Систематическая (химическое название субстрата: тип химической реакции (в соответствии с международной классификацией ферментов) и суффикс «аза»)

Классификация ферментов. По типу катализируемых реакций ферменты подразделяются на 6 классов согласно иерархической классификации ферментов

ü 1: Оксидоредуктазы, катализирующие окисление или восстановление. Пример: каталаза,алкогольдегидрогеназа

Дегидрогеназы. В этот подкласс входят ферменты, катализирующие реакции дегидрирования (отщепления водорода). В качестве акцепторов электронов используются коферменты NAD⁺, NADP⁺, FAD, FMN

Оксидазы. Акцептором электрона служит молекулярный кислород.

Оксигеназы (гидроксилазы) - атом кислорода из молекулы кислорода присоединяется к субстрату.

      

ü 2: Трансферазы, катализирующие перенос химических групп с одной молекулы субстрата на другую. К классу трансфераз относят аминотрансферазы, ацилтрансферазы, метилтранс-феразы, гликозилтрансферазы, киназы (фосфо-трансферазы).

 

ü EC 3: Гидролазы, катализирующие гидролиз химических связей. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипаза.

 

ü EC 4: Лиазы, катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов.

 

ü EC 5: Изомеразы, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата.

 

Изомеразы могут катализировать внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции, осуществляя взаимопревращения альдоз и кетоз, кетонных и енольных групп, перемещения двойных связей внутри молекулы

Когда изомеризация состоит во внутримолекулярном переносе группы, фермент называют "мутазой"

ü EC 6: Лигазы, катализирующие образование химических связей между субстратами за счет гидролиза АТФ. Этот процесс сопряжён с разрывом фосфоэфирной связи в молекуле АТФ (или других нуклеозидтрифосфатов) или с разрывом макроэргических связей других соединений

 

Изоферменты, проферменты.

Изоферменты, или изоэнзимы — это различные по аминокислотной последовательности изоформы или изотипы одного и того же фермента, существующие в одном организме, но, как правило, в разных его клетках, тканях или органах

Изоферменты, как правило, высоко гомологичны по аминокислотной последовательности и/или подобны по пространственной конфигурации. Все изоферменты одного и того же фермента выполняют одну и ту же каталитическую функцию, но могут значительно различаться по степени каталитической активности, по особенностям регуляции или другим свойствам.

Виды изоферментов:

· Органные — ферменты гликолиза в печени и мышцах.

· Клеточные — малатдегидрогеназа цитоплазматическая и митохондриальная (ферменты разные, но катализируют одну и ту же реакцию).

· Гибридные — ферменты с четвертичной структурой, образуются в результате нековалентного связывания отдельных субъединиц (лактатдегидрогеназа — 4 субъединицы 2 типов).

· Мутантные — образуются в результате единичной мутации гена.

· Аллоферменты — кодируются разными аллелями одного и того же гена.

Проферменты, или проэнзимы, зимогены, энзимогены — функционально неактивные предшественники ферментов, подвергающиеся тем или иным преобразованиям (обычно расщеплению специфическими эндо- или экзопептидазами или гидролизу), в результате чего образуется каталитически активный продукт — фермент.

Кофакторы ферментов.

Некоторые ферменты выполняют каталитическую функцию сами по себе, безо всяких дополнительных компонентов. Однако есть ферменты, которым для осуществления катализа необходимы компоненты небелковой природы. Кофакторы могут быть:

ü неорганическими молекулами (ионы металлов, железо-серные кластеры и др.), так и

ü органическими (например,флавин или гем).

o Органические кофакторы, прочно связанные с ферментом, называют также простетическими группами.

o Кофакторы органической природы, способные отделяться от фермента, называют коферментами.

Роль кофактора в основном сводится к следующему:

• изменение третичной структуры белка и создание комплементарности между ферментом и субстратом;
• непосредственное участие в реакции в качестве еще одного субстрата.

Активный центр ферментов

— «активный центр» — уникальная комбинация остатков аминокислот в молекуле фермента, обеспечивающая непосредственное взаимодействие с молекулой субстрата и прямое участие в акте катализа.

В активном центре условно выделяют:

· каталитический центр — непосредственно химически взаимодействующий с субстратом;

· связывающий центр (контактная или «якорная» площадка) — обеспечивающий специфическое сродство к субстрату и формирование комплекса фермент-субстрат.

В сложных ферментах в активный центр входят кофакторы (небелковые компоненты): простетические группы, коферменты, ионы металлов.

Неконкурентный ингибитор не мешает связыванию субстрата с ферментом. Он способен присоединяться как к свободному ферменту, так и к фермент-субстратному комплексу с одинаковой эффективностью. Ингибитор вызывает такие конформационные изменения, которые не позволяют ферменту превращать субстрат в продукт, но не влияют на сродство фермента к субстрату.

Основные механизмы регуляции: аллостерическое модулирование, ковалентная модификация, и белок-белковые взаимодействия, превращение проферментов в ферменты. Примеры ферментов, активность которых регулируется указанными механизмами.

Медицинская энзимология.

Применение в медицинской практике ферменты находят в качестве диагностических (энзимодиагностика) и терапевтических (энзимотерапия) средств. Ферменты также используются в качестве специфических реактивов для определения ряда метаболитов.  Например, фермент глюкозооксидазу применяют для количественного определения глюкозы в моче и крови; фермент уреазу используют для оценки содержания в биологических жидкостях мочевины; с помощью различных дегидрогеназ выявляют наличие соответствующих субстратов, например пирувата, лактата, этилового спирта и т.д.

Энзимопатии.

Энзимопатии - заболевания, обусловленные отсутствием какого-либо фермента или изменением его активности.

Различают энзимопатии первичные (наследственные) и вторичные (приобретенные или алиментарные). Приобретенные энзимопатии, как и вообще протеинопатии, по-видимому, наблюдаются при всех заболеваниях.

При первичных энзимопатиях дефектные ферменты наследуются в основном, по рецессивно-аутосомному типу. При этом нарушается метаболический путь, содержащий дефектный фермент. Развитие заболевания в этом случае может происходить по одному из «сценариев»:

ü нарушается образование конечных продуктов, что вызывает недостаток определенных веществ (например, при альбинизме не вырабатывается пигмент в клетках кожи);

ü накапливаются субстраты-предшественники, оказывающие токсическое действие на организм (например, при алкаптонурии накапливается промежуточный метаболит - гомогентезиновая кислота, которая откладывается в суставах, вызывая в них воспалительные процессы).

ü Нарушение образования конечных продуктов и накопление субстратов - предшественников. Отмечают заболевания, когда одновременно недостаток продукта и накопление исходного субстрата формируют клиническую картину. Их примером является болезнь Гирке (гликогеноз I типа), при которой наблюдается гипогликемия в перерывах между приемами пищи. Это связано с нарушением распада гликогена в печени и выходом из нее глюкозы вследствие дефекта фермента глюкозо-6-фосфатазы. Одновременно у таких пациентов увеличиваются размеры печени (гепатомегалия) вследствие накопления в ней гликогена.

Вторичные энзимопатии являются следствием тех или иных патологических процессов, сопровождающихся нарушением активности ферментов. Так например, причиной развития вторичной лактазной недостаточности могут являться: кишечные инфекции вирусной и бактериальной этиологии, паразитарные заболевания (лямблиоз и др.), синдром короткой кишки (пострезекционный), целиакия, токсическое и лекарственное поражения кишечника (на фоне лучевой и химиотерапии, антибиотикотерапии).

Одним из вариантов вторичных энзимопатий являются алиментарные энзимопатии – патологические состояния, обусловленные стойкими нарушениями активности ферментов в связи с характером питания. Алиментарные энзимопатии могут быть обусловлены длительным дефицитом белка в питании (например при квашиоркоре), нарушением биосинтеза коферментов при витаминной недостаточности, угнетением синтеза металлоферментов при низком содержании в рационе соответствующих минеральных веществ. К алиментарным энзимопатиям относят и так называемые токсические энзимопатии, связанные с угнетением активности или биосинтеза отдельных ферментов различными естественными компонентами пищевых продуктов (ингибиторы протеолитических ферментов, антивитамины и др.) или чужеродными веществами (например пестицидами), содержащимися в них.

Энзимодиагностика заключается в постановке диагноза заболевания (или синдрома) на основе определения активности ферментов в биологических жидкостях человека.

• Принципы энзимодиагностики основаны на следующих закономерностях:

ü в норме в сыворотке крови содержатся ферменты, выполняющие специализированные функции, например, участвующие в свертывающей системе крови. Клеточные ферменты практически не проникают из неповрежденных клеток в кровь. В минимальных количествах некоторые ферменты клеток могут определяться в крови;

ü при повреждении мембран клеток (воспаление, некроз) в крови или других биологических жидкостях (например, в моче) увеличивается количество внутриклеточных ферментов поврежденных клеток, активность которых можно зарегистрировать специальными биохимическими тестами;

ü для энзимодиагностики используют ферменты, имеющие преимущественную или абсолютную локализацию в определенных органах (органоспецифичность);

ü количество высвобождаемого фермента должно быть пропорционально степени повреждения ткани и достаточно для определения его активности;

ü активность ферментов в биологических жидкостях, обнаруживаемых при повреждении клеток, отличается от нормальных значений и стабильна в течение достаточно длительного времени (сутки);

ü появление в плазме крови ферментов, имеющих только цитозольную локализацию, свидетельствует о воспалительном процессе; при обнаружении митохондриальных или ядерных ферментов можно говорить о более глубоких повреждениях клетки, например некрозе.

ü Энзимодиагностика используется для установления диагноза при заболеваниях различных органов. Набор анализов зависит от возможностей конкретной биохимической лаборатории и постоянно совершенствуется. Наиболее распространены следующие энзимодиагностические тесты:

ü при заболеваниях сердца (инфаркт миокарда) - лактадегидрогеназа, креатинкиназа, аспартатаминотрансфераза, аланинаминотрансфераза. Одним из первых белков при инфаркте миокарда в крови появляется белок - тропонин;

ü при заболеваниях печени - аланинаминотрансфераза, аспартатаминотрансфераза, ацетилхолинэстераза, гамма-глутамилтранспептидаза. При заболеваниях поджелудочной железы - панкреатическая амилаза, липаза;

ü при заболеваниях простаты - кислая фосфатаза.

Применение ферментов в качестве лекарственных препаратов (энзимотерапия) активно развивают в следующих направлениях:

• заместительная терапия - использование ферментов в случае их недостаточности;

• элементы комплексной терапии - применение ферментов в сочетании с другой терапией.

Заместительная энзимотерапия эффективна при желудочно-кишечных заболеваниях, связанных с недостаточностью секреции пищеварительных соков. Например, пепсин используют при гастритах со сниженной секреторной функцией.

Протеолитические ферменты (трипсин, химотрипсин) применяют при местном воздействии для обработки гнойных ран с целью расщепления белков погибших клеток, для удаления сгустков крови или вязких секретов при воспалительных заболеваниях дыхательных путей.

Ферментные препараты стали широко применяться при тромбозах и тромбоэмболиях для разрушения тромба. С этой целью используют препараты фибринолизина, стрептолиазы, стрептодеказы, урокиназы.

                                                   

Общая характеристика витаминов, классификация. Гиповитаминозы, авитаминозы, гипервитаминозы, причины их возникновения. Водорастворимые витамины группы В и витамин С, их участие в метаболических процессах. Нарушение физиологических функций организма при недостатке витаминов, их причины.

Витамины - экзогенные низкомолекулярные БАВ, необходимые для оптимального обмена веществ и жизнедеятельности организма.

Источники витаминов. В отличие от других БАВ, синтез которых происходит в организме, большинство витаминов поступает в организм с пищей. Некоторые витамины синтезируются микроорганизмами в кишечнике, но в недостаточных количествах (витамин D).

Образование. Витамины образуются путем биосинтеза в растительных клетках и тканях. Обычно в растениях они находятся не в активной, но высокоорганизованной форме, которая, наиболее подходит человеческому организму, а именно - в виде провитаминов.

Основные признаки витаминов:

ü содержатся в пище в незначительных количествах (микро-компоненты);

ü либо не синтезируются в организме вообще, либо синтезируются в незначительных количествах микрофлорой кишечника;

ü не выполняют пластических функций;

ü не являются источниками энергии;

ü являются кофакторами многих ферментативных систем;

ü оказывают биологическое действие в малых концентрациях и влияют на все обменные процессы в организме, требуются организму в очень небольших количествах: от нескольких мкг до нескольких мг в день..

Основные формы нарушения обмена витаминов: авитаминозы, гиповитаминозы, гипервитаминозы и дисвитаминозы.

Авитаминозы - патологические состояния, развивающиеся вследствие отсутствия в организме витамина или невозможности реализации его эффектов.

Причины авитаминозов:

♦ Отсутствие витамина в пище.

♦ Нарушение всасывания витаминов в кишечнике.

♦ Нарушение транспорта витаминов в ткани и органы.

♦ Расстройства механизмов реализации эффектов витаминов (отсутствие или снижение чувствительности рецепторов к ним, дефицит субстратов, ферментов и других компонентов их эффекторного механизма).

Гиповитаминоз - патологическое состояние, возникающее в результате снижения содержания или недостаточности эффектов витамина в организме.

Питательные вещества как источник энергии и пластического материала для организма. Общая схема катаболизма питательных веществ в организме. Фазы катаболизма, энергетический эффект отдельных фаз. Общие и специфические пути катаболизма. Превращение энергии в клетке. Понятие о свободной энергии. Эндэргонические и экзэргонические реакции метаболизма, их взаимосвязь. Макроэргические соединения, их классификация и биологическая роль. Гипо-энергетические состояния, причины их развития.

При расщеплении питательных веществ и процессе всасывания часть энергии превращается в теплоту - специфический и динамический компоненты действия пищи.

Пища человека содержит множество химических соединений как органических, так и минеральных Главную долю органических веществ пищи составляют основные пищевые вещества — углеводы, жиры, белки Часть органических веществ — это минорные пищевые вещества, требующиеся в малых количествах. К ним принадлежат, в частности, витамины.

Пищевые вещества могут быть заменимыми и незаменимыми. Заменимые — это те, которые могут образоваться в организме из других веществ. Например, жиры могут образоваться из углеводов.

Жиры 39 кДж/г (9.2 ккал/г), Белки, углеводы 17 кДж/г (4,1 ккал/г)

Катаболизм - процесс расщепления органических молекул до конечных продуктов. Конечные продукты превращений органических веществ у животных и человека - СО₂, Н₂О и мочевина. В процессы катаболизма включаются метаболиты, образующиеся как при пищеварении, так и при распаде структурно-функциональных компонентов клеток. Реакции катаболизма сопровождаются выделением энергии (экзергонические реакции).

Стадии катаболизма биомолекул. При расщеплении биомолекул в организме выделяют 3 стадии, которые являются общими.

В первой стадии (специфический путь катаболизма) все сложные биомолекулы (полимеры) расщепляются до простых компонентов (мономеров):

1) полисахариды расщепляются до моносахаридов;

2) липиды (триацилглицеролы) – до жирных кислот и глицерина;

3) белки – до аминокислот;

4) нуклеиновые кислоты – до мононуклеотидов

Основными процессами является гидролиз, фосфоролиз. На этой стадии образуется около 1% химической энергии, которая рассеивается в виде тепла. На выходе 50 соединений.

Во второй стадии (специфические пути катаболизма) мономеры, образовавшиеся в первой стадии, внутриклеточно подвергаются превращениям; выход энергии 20-30%

Реакции:
1) для моносахаридов – гликолиз, конечным метаболитом которого является пировиноградная кислота, которая далее подвергается окислительному декарбоксилированию и превращается в активную форму уксусной кислоты – ацетилКоА;
2) для жирных кислот – β-окисление, конечным продуктом которого является ацетилКоА;
для глицерина – расщепление до пирувата, который далее превращается в ацетилКоА;
3) для аминокислот и нуклеотидов – дезаминирование и расщепление безазотистых молекул до ди и трехуглеродных карбоновых кислот и их производных. Большинство этих метаболитов превращается в ацетилКоА.

Таким образом, общим конечным продуктом второй стадии внутриклеточного катаболизма углеводов, липидов и аминокислот является ацетилКоА, а так же оксалоацетат, фумарат, 2-оксоглуторат, сукцинил-КоА. Здесь, как и в первой фаз,е встречаются реакции гидролиза, фосфоролиза, тиолиза, лиазного расщепления и, в отличии от первой фазы, - окислительные процессы

В третьей стадии (общий путь катаболизма) в митохондриях происходит окисление ацетилКоА до СО2 и Н2О и окислительное фосфорилирование с образованием АТФ. (Цикл Кребса) Окисление ацетилКоА до СО2 происходит в цикле трикарбоновых кислот, при участии коферментов НАД и ФАД и цитохромов Атомы водорода поступают в дыхательную цепь (электроннотранспортная цепь митохондрий) и переносятся на кислород, образуя Н2О. Полученная энергия (на этой стадии образуется 70-80% энергии) используется для осуществления окислительного фосфорилирования, главного источника АТФ в организме. Эта фаза носит исключительно окислительный характер, аккумуляция энергии достигает 40%. Водород из ЦТК идет в ЦДФ, образует воду.

   Химические реакции, протекающие в клетках, могут иметь различные значения ∆Go: положительные или отрицательные. Большинство катаболических реакций имеет  отрицательные значения ∆Gо, т.е. являются экзэргоническими и могут идти самопроизвольно. В то же время реакции клеточного анаболизма часто являются эндэргоническими и самопроизвольно идти не могут, для их осуществления необходима энергия, поступающая извне. Необходимо использовать свободную энергию, выделяющуюся в экзэргонических реакциях катаболизма. Это использование свободной энергии экзэргонических реакция для осуществления эндэргонических реакций есть энергетическое сопряжение реакций.

Единственное условие эффективности энергетического сопряжения: суммарное изменение ∆G в двух сопряженных реакциях должно быть отрицательным. Живые объекты эффективно используют энергию, заключенную в химических связях тех или иных соединений. Именно в виде химической энергии и передается энергия в системе сопряженных химических реакций.

Соединения, выступающие в качестве переносчиков энергии, содержат в одной из своих связей большой запас химической энергии, которая высвобождается при их разрыве. Эти соединения называют «макроэргическими соединениями» или «макроэргами», а химические связи, при разрыве которых выделяется большое количество свободной энергии, получили название «макроэргических связей». Химическая связь в том или ином соединении считается макроэргической, если при её разрыве выделяется не менее 5 ккал (20 кДж) в расчете на 1 моль связи. Свободная энергия, выделяющаяся в ходе катаболической экзэргонической реакции, первоначально накапливается (аккумулируется) в виде энергии макроэргической связи соединения переносчика энергии, а затем эта аккумулированная энергия высвобождается при разрыве макроэргической связи и используется в ходе анаболической эндэргонической реакции.

4 класса макроэргов:

1. Полифосфаты нуклеотидов (АТФ, ЦТФ, УТФ и др.) Макроэргическими связями в их составе являются фосфоангидридныепирофосфатные связи:    

2. Ацилфосфата или карбонилфосфаты(ацетилфосфат, 1,3ди фосфоглицерат). Макроэргической связью является ангидридная связь между карбоксильной группой кислотного остатка и остатком фосфорной кислоты:

3. Тиоэфиры(ацетилКоА, сукцинилКоА). Макроэргической связью является ангидридная связь между карбоксильной группой кислоты и HSгруппой тиоспирта, входящего в состав КоА):

4. Гуанидинфосфаты(креатинфосфат, аргининфосфат). Макроэргической связью является ангидридная связь между гуанидиновой группой и остатком фосфорной кислоты

Несмотря на высокие значения ∆Go для процессов разрыва макроэргических связей богатые энергией соединения представляют собой достаточно стабильные в условиях живых систем вещества. Кроме того, это низкомолекулярные соединения, поэтому они могут сравнительно легко перемещаться в клетке. Совокупность их свойств: способность аккумулировать энергию и способность диффундировать в клетке и позволяет им выполнять функцию переносчиков энергии.

Биологическое окисление как главный путь расщепления питательных веществ в организме, его функции в клетке. Способы окисления веществ в биологических си-стемах. Ферменты, катализирующие окислительные реакции в организме. Цикл трикарбоновых кислот Кребса: последовательность реакций, регуляция работы цикла и его биологическая роль.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ - это совокупность окислительных процессов в живом организме, протекающих с обязательным участием кислорода. Синоним - ТКАНЕВОЕ ДЫХАНИЕ. Окисление одного вещества невозможно без восстановления другого вещества. Окислительно-восстановительных процессов в живой природе очень много. Часть окислительно-восстановительных процессов, протекающих с участием кислорода, относится к биологическому окислению.

Функции биологического окисления:

- высвобождение энергии, заключенной в химических связях питательных веществ. Выделяющаяся энергия используется для осуществления энергозависимых процессов, протекающих в клетках, а также для поержания температуры тела. 

 

- пластическая: в ходе расщепления питательных веществ образуются низкомолекулярные промежуточные продукты, используемые в дальнейшем для биосинтезов. Например, при окислительном распаде глюкозы образуется ацетилКоА, который далее может пойти на синтез холестерола или высших жирных кислот.

 

- генерация восстановительных потенциалов, которые в дальнейшем используются в восстановительных биосинтезах. Главным источником восстановительных потенциалов в биосинтетических реакциях клеточного метаболизма является НАДФН+Н+, образующийся из НАДФ+ за счет атомов водорода, переносимых на него в ходе некоторых реакций дегидрирования.

 

- участие в процессах детоксикации,т.е. обезвреживания ядовитых соединений или поступающих из внешней среды, или образующихся в организме.

Различные соединения в клетках могут окисляться тремя способами:

1. путем дегидрирования. Принято различать два вида дегидрирования: аэробное и анаэробное. если первичным акцептором отщепляемых атомов водорода служит кислород, дегидрирование является аэробным; если же первичным акцептором отщепляемых атомов водорода служит какоелибо другое соединение, дегидрирование является анаэробным. Примерами таких соединений акцепторов водорода могут служить НАД, НАДФ, ФМН, ФАД, окисленный глутатион (ГSSГ), дегидроаскорбиновая кислота и др.

2. Путем присоединения к молекулам окисляемого вещества кислорода, т.е. путем оксигенирования.

3. Путем отдачи электронов.

Все ферменты, участвующие в катализе окислительно-восстановительных реакций  в организме относятся к классу ОКСИДОРЕДУКТАЗ. В свою очередь, все ферменты этого класса могут быть разделены на 4 группы:

1. Ферменты, катализирующие реакции дегидрирования или дегидрогеназы. В зависимости от характера акцептора отщепляемых от окисляемого субстрата (SH2) атомов водорода различают:

а). Аэробные дегидрогеназы или оксидазы,

б). Анаэробные дегидрогеназы

2. Ферменты, катализирующие р