Основные функции белков в организме. Структурная организация белковой молекулы. Особенности формирования первичной, вторичной, третичной и четвертичной структур белка.

Образование и распад ацетоновых тел. Кетогенез в норме и патологии.

3. В эксперименте с изолированными митохондриями в качестве субстрата использовали малат. Как изменится показатель Р/О, если: а)в инкубационную смесь добавить ингибитор НАДН-дегидрогиназы? Б)вместе с ингибитором добавить сукцинат?

 

1. Белки - высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, молекулы которых построены из остатков АМК, составляют основу и структуры, и функции живых организмов. Каждый организм характеризуется уникальным набором белков.

 

Многогранность функций белков обеспечивает способность белков строго избирательно, специфически соединяться с широким кругом разнообразных веществ.

На долю белков приходится - 70-80 % в: мышцах, печени, селезёнке, почках. - 45 % во всём теле человека от сухой массы.

Состав белков. Помимо углерода, кислорода, водорода, входящих в состав почти всех органических полимерных молекул, обязательным компонентом белков является азот. Содержание азота в белках довольно постоянно – 16%, поэтому иногда количество белка в биологических объектах определяют по содержанию белкового азота.

Белки - самый многочисленный класс макромолекул, полипептиды, содержащие 100 и более АМК, соединённых пептидными связями. Пептидные связи – ковалентные, уникальны по размерам. Специфические особенности белков определяются - длиной пептидной цепи, различиями АМК состава, порядком чередования АМК.

Аминокислотный состав белков. Помимо 20 АМК в некоторых белках обнаружены и другие АМК, а также их производные: оксипролин, оксилизин в коллагене, дийодтирозин в тироксине, γ-карбоксиглутаминовая кислота в протромбине, селеноцистеин в ГПО.

Первичная структура белка - порядок, последовательность расположения АМК в полипептидной цепи.

Свойства первичной структуры белка - уникальна, детерминирована генетически, её стабильность обеспечивается в основном пептидными связями, возможно участие небольшого числа дисульфидных связей, в первичной структуре детерминированы вторичная, третичная и четвертичная структуры белковой молекулы, в полипептидной цепи могут быть обнаружены разнообразные комбинации АМК: не во всех белках содержатся все 20 АМК, ни в одном белке АМК не содержатся в эквивалентных отношениях, некоторые АМК встречаются редко и в меньшем количестве (гли в 10 раз чаще, чем три). Принцип структурного подобия (в белках встречаются идентичные пептидные структуры), в состав полипептидной цепи входит 100-1000 АМК.

По частоте обнаружения АМК делят на - постоянно встречающиеся, изредка встречающиеся. Для определения АМК состава белки гидролизуют.

Даже небольшие изменения первичной структуры изменяют свойства белков.

HbA1 - у здоровых людей,

HbS - у больных серповидно-клеточной анемией. HbS в шестом положении β-цепи вместо глу имеет валин. Отличается по физическим, химическим и биологическим свойствам.

Вторичная структура - пространственное расположение полипептидной цепи, поддерживаемое водородными связями С=О … Н-N между фрагментами цепи. Связи нековалентные, непрочные.

Типы вторичной структуры - α-спираль - устойчивая винтовая лестница, закрученная по часовой стрелке, NН-группа остатка АМК взаимодействует с СО – группой четвёртого от него остатка, на виток приходится 3,6 АМК остатка, 5,4 Å – шаг спирали (расстояние между витками).

АМК формирующие α-спираль: ала, лей, глн, цис, фен, тир, три, мет, вал, дестабилизирующие α-спираль: сер, иле, тре, глу, лиз, арг, гли, асп, нарушающие α-спираль: про, оксипролин.

Белки с α-спиралью: гемоглобин, миоглобин.

β-складчатость пептидные цепи располагаются параллельно друг другу в один слой, подобно листу, сложенному гармошкой. На каждой плоскости образуются пептидные связи и радикалы выходят из структуры.

Полипептидные цепи могут формировать параллельные или антипараллельные β-структуры.

Складчатые структуры. В белках встречаются области с нерегулярной вторичной структурой, которые называются беспорядочными клубками. Во многих белках присутствует и α-спираль и β-складчатость.

Белки с β-складчатостью β-кератины (фиброин шёлка), фибриллярные белки волос, шёлка.

Надвторичные структуры агрегаты полипептидных цепей, обладающих собственной вторичной структурой и образующихся в белках в результате их термодинамической или кинетической стабильности (βαβαβ-сегменты).

Домен - компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидных цепей. Домены создаются объединением и чередованием α-цепей и β-слоёв, между которыми находятся рыхлые структуры. Домены могут выполнять разные функции. Центры связывания белка с лигандом часто располагаются между доменами.

Третичная структура -пространственное расположение пептидной цепи, поддерживаемое межрадикальными связями.Все биологические свойства белков связаны с сохранностью их третичной структуры.

Связи дисульфидная – ковалентная, все остальные связи нековалентны: гидрофобные – между аминогруппами с неполярными радикалами (вал, мет, ала, фен, иле), водородные между полярными радикалами (OH, NH2, SH, COOH), ионные - между заряженными полярными радикалами (лиз, арг, гис, асп, глу).

Белки с известной третичной структурой гемоглобин, трипсин, лизоцим, инсулин, цитохром.

Методы изучения третичной структуры рентгеноструктурный анализ, электронное микроскопирование.

Формы конформаций - Т-форма,R-форма. Фолдинг – процесс укладки синтезированной полипептидной цепи. Описан ряд наследственных заболеваний человека, развитие которых связывают с нарушением вследствие мутаций фолдинга: пигментозы, фиброзы.

Белки теплового шока (шапероны) - располагаются между N-концевым сигнальным пептидом и матричным белком, стресслимитирующая система, играют роль в адаптационной стабилизации клеточных структур, в реализации стресс-реакции.

Функции шаперонов способность предотвращать образование из полипептидной цепи неспецифических (хаотичных) беспорядочных клубков обеспечение транспорта их к субклеточным мишеням, создавая условия для завершения свёртывания белковой молекулы

Четвертичная структура. Белок может состоять из нескольких цепей, число и взаиморасположение в пространстве которых различно.Олигомерные белки состоят из нескольких полипептидных цепей: гемоглобин -4, гексокиназа – 2, ГЛДГ -6, ферритин -24.

Связи, поддерживающие четвертичную структуру - гидрофобные, ионные, водородные.

Белки с известной четвертичной структурой - гемоглобин, ГЛДГ, миоглобин, ГК.

Каждый белок характеризуется уникальной структурой, обеспечивающей уникальность его функций.

Пептиды - органические молекулы, в состав которых входит несколько (до 30) остатков АМК, связанных пептидной связью, низкомолекулярные пептиды содержат от 2 до 10 АМК (трипептиды), пептиды со средней молекулярной массой – от 500 до 5000 Д, так называемые, «средние» молекулы, высокомолекулярные пептиды с молекулярной массой от 5000 до 16000 Д.

Различают: пептиды – гормоны: вазопрессин, окситоцин, глюкагон, пептиды, участвующие в регуляции пищеварения: гастрин, секретин, пептиды крови: глутатион, каллидин, нейропептиды: пептиды памяти, сна, эндорфины, энкефалины, пептиды, участвующие в сокращении мышц, пептиды – внутренние эндотоксины («средние» молекулы).

Функции белков - структурная, каталитическая, регуляторная, рецепторная, иммунологическая, защитная, транспортная, сократительная, опорная, обезвреживающая, энергетическая, геннорегуляторная, создание биопотенциалов мембран, гомеостатическая, индивидуальное строение органов, обеспечивают хорошее зрение.

В соответствии с функциональным принципом различают 12 главных классов белков - ферменты, гормоны-белки, белки-регуляторы активности генома, защитные белки, токсические белки, транспортные белки, мембранные белки, сократительные белки, рецепторные белки, ингибиторы ферментов, белки вирусной оболочки, белки с иными функциями.

2. Биосинтез и распад ацетоновых тел.

Жирные кислоты поступающие в гепатоциты, активируются и подвергаются b-окислению с образованием ацетилКоА. Именно этот ацетилКоА используется для синтеза ацетоновых тел.

В ходе первой реакции (в первую реакцию вступают 2 молекулы ацетилКоА, фермент ацетилКоА-ацетилтрансфераза = тиолаза) образуется 4-х углеродная молекула ацетоацетилКоА. Эти соединения макроэргические поэтому в этом синтезе не принимает участие АТФ.

В ходе следующей реакции (фермент b-гидрокси-b-метил-глюкоил-КоА-синтетаза) (в последующем вы увидите, что первые этапы биосинтеза ацетоновых тел и холестерина абсолютно равнозначны. Это одна из ключевых реакций синтеза ацетоновых тел) используется еще одна молекула ацетилКоА, вода. Образуется 6-и углеродная молекула - b-гидрокси-b-метил-глютарил-КоА.

Последняя реакция - лиазная (катализирует фермент ГМГ-лиаза), происходит отщепление ацетилКоА и образование 4-х углеродной молекулы - ацетоацетата.

Из ацетоуксусной кислоты спонтанно, чаще всего, или иногда за счет декарбоксилазы происходит отщепление карбоксильной группы в виде углекислого газа и образуется ацетон.

Ацетоуксусная кислота восстанавливается в ходе реакции катализируемой ферментом b-гидроксибутератдегидрог иназой с использованием НАД+Н+, в итоге образуется b-гидроксимасляная кислота. Это третий составной элемент ацетоновых тел.

Образовавшиеся ацетоновые тела поступают из гепатоцитов в кровь и разносятся к клеткам. Процесс синтеза ацетоновых тел идет постоянно и ацетоновые тела всегда присутствуют в крови в концентрации 30мг/л. При голодании их содержание может увеличиваться до 400-500 мг/л. Еще больше концентрация при сахарном диабете в тяжелой форме до 3000-4000 мг/л.

Ацетоновые тела в норме хорошо утилизируются клетками периферических тканей, в особенности это касается скелетных мышц и миокарда. Скелетные мышцы и миокард значительную часть нужной им энергии получают за счет окисления ацетоновых тел. Только нервные клетки в обычных условиях не утилизируют ацетоновые тела, однако при голодании даже головной мозг 50-75% соей потребности в энергии удовлетворяет за счет окисления ацетоновых тел.

Ацетоацетат, поступающий в клетки различных тканей, прежде всего подвергается активации помощью одного из двух механизмов.

Ацетоацетат с участием фермента тиокиназы, за счет энергии АТФ превращается в ацетоацетилКоА.

Второй путь, является превалирующим в активации, это за счет фермента тиофоразы. Реакция, в которой принимают участие сукцениКоА и ацетоацетат, приводит к образованию ацетоацетилКоА и образование сукцината, который далее окисляется в цикле Кребса.

Образующийся ацетоацетилКоА далее дает 2 молекулы ацетилКоА (принимает участие НSКоА, это тиолазная реакция)

АцетилКоА поступает в цикл Кребса, где ацетильные остатки окисляются до углекислого газа и воды.

Биологическая роль

Ацетоновые тела по значимости - 3 тип топливной энергии.В гепатоцитах нет фермента тиофоразы, поэтому образовавшийся в гепатоцитах ацетоацетат не активируется и не окисляется. Таким образом печень экспортирует ацетоацетат, другими словами синтезирует этот вид топлива для других клеток.

b-гидроксибутерат окисляется путем дегидрироания в ацетоацетат, дальше ацетоацетат в ацетилКоА.

Что касается ацетона, возможно 2 варианта окисления. Дело в том, что ацетон очень летуч поэтому большое количество выделяется вместе с выдыхаемым воздухом, кроме того ацетон выделяется с водой. 1 путь: Ацетон расщепляется до ацетильного и формильного остатка. 2 путь: Через пропандиол он превращается в пируват.

Ацетоновые тела накапливаясь в крови и тканях оказывают ингибирующие действие на липолиз, в особенности это касается расщепление триглицеридов в липоцитах. Дело в том, что избыточное накопление в крови ацетоновых тел приводит к развитию ацидоза. Снижение уровня липолиза в клетках жировой ткани приводит к уменьшению притока жирных кислот в гепатоциты, к снижению скорости образования ацетоновых тел и следовательно к снижению содержания в крови.

Кетоновые тела образуются из ацетил-КоА, синтезируются в печени. Содержание кетоновых тел в крови здоровых людей: 0,8 – 1,2 ммоль/л. Источники синтеза кетоновых тел жирные кислоты, кетопластичные АМК. Избыток ацетил-КоА, высвобожденный при окислении жирных кислот и не использованный печенью, превращается в кетоновые тела, которые переносятся кровью в периферические ткани, где используются в ЦТК.

Кетоновые тела – поставщики топлива для мышц, почек, мозга. Для мозга основным энергетическим субстратом являются глюкоза и кетоновые тела.

Инсулин ингибирует образование ацетоновых тел.

Глюкагон - активирует синтез ацетоновых тел, тормозит синтез жирных кислот за счёт блокады ацетил-КоАкарбоксилазы, усиливает β-окисление, тормозит обмен глюкозы.

Кетонемия, кетонурия наблюдаются при сахарном диабете, голодании, длительной мышечной работе, токсикозе беременных, приёме пищи, богатой жирами. Развивается метаболический ацидоз.

В мозге новорожденных кетоновые тела потребляются в 3 раза интенсивнее, чем у взрослых. В раннем детстве они используются тканью мозга для синтеза жирных кислот при миелинизации мозга.

Склонность к кетозу
повышена у детей в возрасте от 2 до 10 лет, так как снижена концентрация глюкозы и повышена концентрация НЭЖК, нарушен АМК обмен (кетогенные кислоты).

3. ОТВЕТ:

а) При добавлении амитала натрия (ингибитора NADH-дегидрогеназы) ингибируется I комплекс, следовательно P/O = 0

б) При добавлении вместе с амилатом сукцината, ингибируется I комплекс, но при этом сукцинат запускает II комплекс и P/O=2

Билет 34.