Углеводы В большинстве своем это бифункциональные органические соединения, содержащие гидроксильные и карбонильную группы полиоксиальдегиды или полиоксикетоны с брутто-формулой Сn(H 2 O)m В растительном мире на долю углеводов приходится 80 -90% сухого вещества, в животном – около 2%. Массовая доля углеводов в пище человека достигает 70%. Биологические функции углеводов 1. Энергетическая. Углеводы – главный источник для обеспечения организма энергией: глюкоза + крахмал и гликоген, как энергетический резерв организма. Примерно 50– 60% всей потребности организма в энергии удовлетворяется за счет углеводов. Расщепление (окисление) 1 г. глюкозы дает 16. 9 к. Дж энергии. Углеводы участвуют в темновой стадии фотосинтеза. 2. Пластическая. Исходный материал в синтезе сначала нуклеиновых и некоторых карбоновых кислот, а затем аминокислот, белков, липидов и т. д.
Биологические функции углеводов 3. Защитная. Являются основными компонентами оболочек растительных клеток, клеточных стенок бактерий, клеточных мембран, внешних оболочек некоторых ракообразных и насекомых (хитин). 4. Опорная. Целлюлоза и другие полисахариды как остов растений, формирование соединительных (хрящевых) тканей животных. 5. Рецепторная. Выполняется углеводными фрагментами сложных биоорганических молекул (гликопротеины, гликолипиды). Например, олигосахаридные фрагменты белков-иммуноглобулинов осуществляют распознавание и связывание антигенов бактерий, а также ряда вирусов, определяют группу крови животных и человека. Углеводсодержащие соединения служат маркерами при узнавании молекулами и клетками друга. Целлюлоза, не перевариваясь в желудочно-кишечном тракте животных, вызывает механическое раздражение кишечника и в результате способствует его перистальтике, улучшая тем самым пищеварение. Некоторые гетерополисахариды, такие как гепарин и гепарансульфат, выполняют кофакторные функции.
Классификация углеводов По числу углеводных фрагментов углеводы разделяют на - Моносахариды (монозы, 1 фрагмент) - Олигосахариды (2 -10 фрагментов) - Полисахариды или гликаны (10 -5000 фрагментов) Моносахариды различают по числу углеводных атомов в цепи мономера - Треозы (С 3) по классовой принадлежности - Альдозы (альдегидоспирты) - Кетозы (кетоспирты) - Тетрозы (С 4) - Пентозы(С 5) - Гексозы(С 6) Наиболее распространены в природе - Гептозы(С 7) Альдозы Кетоза
Изомерия моносахаридов Оптическая изомерия Молекулы углеводов оптически активны, причем имеют, как правило, несколько асимметрических углеродных атомов (отмечены звездочками) Различное взаимное расположение в пространстве гидроксильных групп и атомов водорода обусловливает существование у моносахаридов диастереоизомеров. У альдогексоз возможно 8 диастереоизомеров, среди кетогексоз – 4 диастереоизомера. В живых организмах альдогексозы в основном представлены глюкозой, маннозой, галактозой, а кетогексозы – фруктозой.
Изомерия моносахаридов Оптическая изомерия Среди альдопентоз наибольшее биологическое значение имеют диастереоизомеры: рибоза, ксилоза и 2 -дезоксирибоза Каждый диастереоизомер может существовать в виде двух оптических изомеров - D- и L-энантиамеров. Абсолютная конфигурация углевода (Dили Lизомер) определяется относительно глицеринового альдегида. Живыми организмами только изомеры D-ряда. усваиваются
Кольчато-цепная изомерия углеводов Моносахариды существуют в равновесии линейной и циклической (пиранозной или фуранозной) форм. Гексозы, как правило образуют пиранозные циклы, а пентозы - фуранозные ≈ 36% Фуран Пиран ≈ 0. 5% В результате циклизации могут образовываться и изомерные формы, отличающиеся расположением ОН-группы у полуацетального С 1 атома углерода (отмечен) -D-рибофураноза ≈ 64% -D-рибофураноза
Физико-химические свойства моносахаридов Легко растворимые в воде твердые кристаллические, бесцветные вещества. Большинство моносахаридов имеет сладкий вкус. Причем, если сладкий вкус сахарозы принять за 100%, то у фруктозы он будет равен 173%, глюкозы – 74, ксилозы – 40, лактозы – 16%. Водные растворы моносахаридов имеют нейтральное значение р. Н. Для моносахаридов характерны кислотно-основные, хелатирующие, электрофильно-нуклеофильные, окислительно-восстановительные и другие свойства. Моносахариды в организме в значительной степени этерифицированы фосфорной или серной кислотами и при биологических р. Н частично или полностью диссоциированы (сильные кислоты). Анионы фосфатов и сульфатов моносахаридов сосредоточены во внутриклеточных жидкостях, и, в отличие от самих моносахаридов, не способны проходить через клеточные мембраны.
Взаимопревращения моносахаридов в щелочной среде (кето-енольная таутомерия) ОН-
Химические реакции глюкозы Типичны реакции, характерные для спиртов (ацилирование и т. д. ) и альдегидов (окисление и др. )
Химические реакции глюкозы Полуацетальный С 1 -атом обладает повышенной химической активностью.
Некоторые важнейшие моносахариды Из триоз (С 3 Н 6 О 3) наиболее распространены глицеральдегид и дигидроксиацетон. Эфиры которых с фосфорной кислотой образуются в организмах как промежуточные продукты в процессах превращений моносахаридов (гликолиз, фотосинтез и др. ) Из тетроз (С 4 Н 8 О 4) известна D-эритроза - промежуточный продукт при фотосинтезе и в пентозофосфатном цикле окисления углеводов. Представители пентоз (С 5 Н 10 О 5) в свободном виде встречаются очень редко, входят в состав более сложных углеводов (глюкозо-6 -фосфат, гемицеллюлозы (D-ксилоза и D-арабиноза)), нуклеиновых кислот (рибоза и дезоксирибоза) и других органических соединений. «Древесный сахар» Фрагмент молочного сахара Фрагмент нуклеиновых кислот
Некоторые важнейшие моносахариды В полимерной форме в природе встречаются: глюкозамин, Nацетилглюкозамин и глюкуроновая кислота, а также галактоза, ксилоза, идуроновая кислота и фукоза.
Олигосахариды классифицируют: а) в зависимости от числа моносахаридных фрагментов, входящих в олигосахарид (дисахариды, трисахариды, тетрасахариды и т. д. ); б) по составу моносахаридных остатков (гомоолигосахариды, гетероолигосахариды); в) в зависимости от порядка соединения мономеров (линейные, разветвленные); г) на восстанавливающие и невосстанавливающие. Из олигосахаридов в природе наиболее широко распространены дисахариды. Физико-химические свойства. Олигосахариды хорошо растворимы в воде и обладают сладким вкусом. Состав олигосахаридов можно определить по продуктам их кислотного или ферментативного гидролиза, в результате которого образуется смесь моносахаридов.
Дисахариды образуются в результате димеризации моносахаридов за счет связывания фрагментов гликозидной связью (С-О-С) Различают восстанавливающие и невосстанавливающие сахара. Восстанавливающие имеют ОНгруппу у С 1 -углеродного атома и вступают в реакцию серебряного зеркала. У них правый фрагмент дисахарида может находиться как в циклической, так и в линейной формах, тогда как левый зафиксирован. -D-глюкопиранозил-(1 4)- -D-глюкопираноза (восстанавливающий сахар) Образуется при гидролизе компонента крахмала амилозы под действием фермента амилазы. В больших количествах содержится в солоде.
Дисахариды Фрагмент целлюлозы, в организме человека переваривается частично (40%), способствует улучшению перистальтики кишечника. Дисахарид молока, 4. 0 -5. 5% в коровьем молоке, гидролизуется ферментом лактазой. Восстанавливающие сахара -D-глюкопиранозил-(1 2)- -Dфруктофураноза (невосстанавливающий сахар)
Полисахариды Полисахаридами называются высокомолекулярные углеводы, мономерами которых служат моносахариды и их производные, обычно связанные между собой 1→ 4 -, или 1→ 6 -гликозидными связями (встречаются 1→ 2 - и 1→ 3 - связи). Гидролизуются в кислой среде, имеют высокую устойчивость в щелочной среде. Полный гидролиз приводит к образованию моносахаридов. Полисахариды, состоящие из остатков моносахаридов одного вида, называют гомополисахаридами. Важнейшие из них – крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин. Крахмал и гликоген – активные участники физиологических процессов в организмах животных, при этом крахмал наряду с целлюлозой и хитином являются структурными компонентами растений. Если полисахариды состоят из разных моносахаридов, то их называют гетерополисахаридами. К ним относятся гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, гепарин и гепарансульфаты, другие соединения.
Полисахариды Молекулярная масса таких биополимеров колеблется от 104 до 109. Целлюлоза – самый распространенный полимер на Земле – 1014 тонн в год. На 100% содержится в хлопке, на 50 -70% - в древесине. Мономером служит фрагмент D-глюкозы. Линейные молекулы целлюлозы уложены нитями (фибриллами) и скреплены между собой водородными связями. Целлюлоза не имеет ответвлений, не дает цветной реакции с йодом. целлюлоза [- -Glc-(1 4)-]n, n = 1000 1500.
Крахмал Состоит из двух полисахаридов – амилозы (10 -20%) и амилопектина (80 -90%), гидролизуется до D-глюкозы спирализация n = 1000 -3000 n = 6000 - 6000000 Амилоза Амилопектин
Полисахариды Крахмал содержится в цитоплазме клеток растений в форме крупных гранул диаметром порядка 10– 40 нм. При гидролизе крахмала нагреванием в присутствие минеральных кислот или ферментов в качестве промежуточных продуктов образуются декстрины – полисахариды, которые имеют меньшую молекулярную массу и лучше растворимы в воде, чем крахмал. Среди декстринов различают: амилодекстрины – дают с йодом фиолетово-синее окрашивание; эритродекстрины окрашиваются йодом в красно-бурый цвет; ахродекстрины и мальтодекстрины – не дают окраски с йодом. Исходным сырьем для получения крахмала служит картофель: его клубни в среднем содержат 15– 25% крахмала. Семена зерновых культур (кукуруза) в среднем содержат 40– 60% крахмала. Гликоген – главный резервный полисахарид животных и человека ( «животный крахмал» ), который является структурным аналогом амилопектиновой фракции крахмала, имеет более разветвленные цепи. Молекулярная масса гликогена колеблется в пределах 3· 105– 1· 108. Гликоген с пониженной молекулярной массой хорошо растворим в горячей воде, а с большой молекулярной массой – труднорастворим. Подобно амилопектину, гликоген в растворе дает цветную реакцию с йодом.
Полисахариды Хитин – полимер, у которого фрагменты N-ацетилглюкозамина в форме объединены 1 4 -гликозидными связями: [- -Glc. NAc-(1 4)-]n. Из-за наличия N-ацетильной группы межмолекулярные связи между цепями хитина прочнее, чем в целлюлозе, поэтому хитин нерастворим в воде, щелочах, разбавленных кислотах и органических растворителях. Никогда не встречается в свободном состоянии, входит в состав наружного скелета членистоногих и других беспозвоночных животных, а также в состав клеточных оболочек грибов в связанном состоянии, роль второго компонента при этом обычно выполняют белки, неорганические соли (Са. СО 3 и др. ), липиды, пигменты.
Гетерополисахариды 4 2 1 3 2 1 Гиалуроновая кислота содержится в стекловидном теле глаза, суставной жидкости, коже в свободном или ассоциированном с белками состоянии. Образует высоковязкие растворы, определяя устойчивость тканей к проникновению носителей инфекций. Полимерная цепь образована фрагментами глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина, связанными -1 3 -гликозидными мостиками. Молекулярная масса достигает 8 млн. ед. Хондроитинсульфаты являются основными компонентами хрящевой ткани, сухожилий, роговицы глаза, обладают антикоагулирующим действием, стабилизируют волокно коллагена.
Гетерополисахариды Гепарин впервые был обнаружен в печени. Обычно присутствует на поверхности клеток, содержится в коже, легких, слизистой оболочке желудка. Выполняет функции антикоагулянта. Принимает участие в обмене липидов, в том числе и холестерина. В медицинской практике используется при лечении тромбозов (антикаогулянт). Гепарин содержит фрагменты глюкозамина и уроновой кислоты (глюкуроновой или L-идуроновой), объединенные -гликозидными связями. Особенностью гепарина является высокое содержание сульфатных групп. Гидролиз сульфоэфирных и сульфамидных групп приводит к потере биологической активности гепарина.
Гетерополисахариды крови На поверхности эритроцитов крови имеется примерно 450 антигенных участков. Антигены – это полисахариды или белки, вызывающие при попадании в организм иммунную реакцию, т. е. в ответ на появление антигенов организм вырабатывает антитела (иммуноглобулины), под действием которых антигены слипаются и разрушаются. Имеются четыре основных группы крови: А, В, АВ и 0 (нулевая); по другой номенклатуре их обозначают номерами II, IV и I. Они различаются строением антигенных участков, представляющих собой белковополисахаридные комплексы. Наиболее простую структуру имеют полисахаридные цепи антигенных участков эритроцитов нулевой группы крови.
Гетерополисахариды крови
Понятие метаболизма Под обменом веществ и энергии понимают всю совокупность химических превращений веществ и энергии в живых организмах, обеспечивающих их развитие, жизнедеятельность и самовоспроизводство, их связь с окружающей средой и адаптацию к изменениям внешних условий. Под метаболизмом понимают промежуточный обмен, т. е. превращение определенных химических веществ внутри биологических клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов (например, метаболизм аминокислот, метаболизм углеводов и т. д. ). Последовательность биохимических реакций, направленных на модификацию того или иного субстрата до конечного продукта in vivo называют метаболическим путем или, в случае замкнутых процессов – циклом. Промежуточные продукты метаболического пути или цикла называют метаболитами. Уже в случае бактериальной клетки насчитывается более тысячи типов взаимосвязанных химических реакций.
Понятие метаболизма Различают два противоположных метаболических аспекта – анаболизм и катаболизм. Анаболические превращения направлены на образование и обновление компонентов клетки, на синтез сложных биомолекул (коферменты, гормоны, белки, нуклеиновые кислоты и др. ) из более простых. Это восстановительные процессы. Катаболические превращения направлены на расщепление сложных молекул, как поступивших с пищей, так и уже входящих в состав клеток, до простых компонентов (на конечных стадиях, преимущественно, до диоксида углерода и воды). Это окислительные процессы. Два типа превращений строго локализованы в отдельных органеллах клетки, образуют самостоятельные метаболические пути. Органелла клетки Метаболический путь Ядро Синтез РНК Митохондрии Цепи биохимического окисления и окислительного фосфорилирования Лизосомы Гидролитические процессы Рибосомы Синтез белка Эндоплазматическая сеть Синтез биолипидов Мембраны Транспорт различных молекул, ионов
Понятие метаболизма По источникам питания различают автотрофные, гетеротрофные и миксотрофные организмы. Автотрофные или самопитающиеся организмы, используют низкомолекулярные неорганические соединения (СО 2, Н 2 О, соединения азота и серы) в качестве исходного материала для биосинтеза органических веществ. Гетеротрофные организмы используют в качестве источника питания уже готовые, т. е. синтезированные другими организмами органические вещества. Миксотрофные организмы способны как к синтезу органических веществ, так и к использованию их в готовом виде. Гетеротрофные организмы (человек и животные) получают энергию за счет разложения органических веществ потребляемой ими пищи. Конечными продуктами распада пищевых веществ в организме являются, главным образом, диоксид углерода и вода, а также мочевина. Организмы, использующие в качестве акцептора электронов кислород, относят к аэробным, а не нуждающиеся в нем – к анаэробным. Обычно в клетках сочетаются оба типа энергетики.
Понятие метаболизма Схема общего и специфических путей катаболизма: 1 – 5 – специфические пути катаболизма; 6, 7 – общий путь катаболизма. В результате специфических путей катаболизма продукты переваривания пищевых веществ (моносахариды, глицерин, жирные кислоты, аминокислоты) превращаются всего в два соединения – пировиноградную кислоту и ацетил-Ко. А, которые затем направляются в общий путь катаболизма, включающий в себя процесс декарбоксилирования пировиноградной кислоты и цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса).
Обмен углеводов В пищеварительном тракте углеводы пищи подвергаются гидролитическому расщеплению на моносахариды под действием ферментов – гликозидаз, катализирующих гидролиз гликозидных связей в полисахаридах. Гидролиз основных полисахаридов – крахмала и гликогена - начинается в ротовой полости под действием гликозидаз слюны – амилаз. Желудок, в соке которого отсутствуют ферменты-гидралазы, а α-амилаза слюны прекращает свое действие (р. Н = 1, 5– 2, 5), гидролиз тормозится. Наиболее интенсивно гидролиз углеводов протекает в двенадцатиперстной и тонкой кишке, где при р. Н ~ 7 активно действуют ферменты. Смесь моносахаридов всасывается в клетки посредством активного транспорта через клеточные мембраны в виде комплексных соединений с ионами Na+. Глюкоза и другие моносахариды после всасывания в клетки в результате взаимодействия с АТФ в присутствии ионов Mg 2+ подвергаются фосфорилированию, т. е. образуют активированные формы. Гликолиз – это специфический путь катаболизма глюкозы, представляющий собой совокупность ферментативных реакций, среди которых можно выделить три основных этапа: превращения гексоз; превращения триоз; превращения оксокарбоновых кислот.
Нуклеиновые кислоты Биополимеры, мономеры которых (нуклеотиды) состоят из азотсодержащих гетероциклических оснований (производных пурина и пиримидина), моносахаридов (рибозы и дезоксирибозы) и остатков фосфорной кислоты. Эти соединения как продукты распада образуются при гидролизе нуклеиновых кислот (например, в 25% НСООН при 75°С или в 70% HCl. O 4 при 1000 С). В состав ДНК человека входят 2. 3 миллиарда нуклеотидных мономеров, разделенных на 46 хромосом. биосинтез Носитель генетической информации Осуществляют функции живой клетки
Входит в состав РНК Компоненты нуклеиновых кислот Входит в состав ДНК Моносахариды (альдопентозы) пиримидин пурин цитозин тимин аденин урацил гуанин Азотистые (пуриновые и пиримидиновые) основания
Формирование мономеров нуклеиновых кислот Нуклеотиды ДНК содержат фрагмент моносахарида дезоксирибозы, а РНК – рибозы Нуклеотиды ДНК содержат фрагменты оснований – аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц) и тимина (Т), а в РНК тимин (Т) заменен урацилом (У) основание (аденин) и дезоксирибоза нуклеозид (аденозин) Аденин (А) Гуанин (Г) Тимин (Т) Цитозин (Ц) Урацил (У) аденозин гуанозин тимидин цитидин уридин нуклеотид (аденозин-5 фосфат или аденозин-5 монофосфат – АМФ) аденозин-5’-монофосфат (АМФ) гуанозин-5’-монофосфат (ГМФ) тимидин-5’-монофосфат (ТМФ) цитидин-5’-монофосфат (ЦМФ) уридин-5’-монофосфат (АМФ)
Свойства компонентов нуклеозидов Пентозы в нуклеиновых кислотах всегда присутствуют в -D-фуранозной форме. Кроме главных азотистых оснований (А, Г, Ц, Т, У) в нуклеиновых кислотах в небольших количествах присутствуют редкие, или минорные основания (обнаружено свыше 60). Это 5 -метилцитозин, 6 -метиладенин, 5 гидроксиметилцитозин, 4 -тиоурацил и ряд других. В отличие от аминокислот, большие количества свободных азотистых оснований не встречаются в живых организмах и не выполняют других биофункций кроме предшественников биосинтеза нуклеотидов. Азотистые основания плохо растворимы в воде, в составе нуклеозидов и нуклеотидов их растворимость увеличивается, они имеют высокие температуры плавления (>300 С), молекулы пиримидинов имеют плоское, а молекулы пуринов – псевдоплоское строение, слабые основания с р. Ка ~ 9, 5. Важной особенностью оснований (за исключением аденина) является их способность к лактам-лактимной таутомерии; обычно лактамная форма превалирует.
Уровни структурной организации ДНК Формирование первичной структуры нуклеиновых кислот Образование мономера нуклеотида происходит за счет этерификации фосфорной кислотой ОН-групп у 3 -го и 5 -го атомов углерода моносахарида, а также замещения ОН-группы полуацетального С 1 -атома на молекулу азотистого основания. Первичная структура нуклеиновой кислоты определяется линейной последовательностью нуклеотидов, различающихся азотистыми основаниями (А Г Ц Т У) в цепи полимера. Первичные структуры РНК и ДНК
Уровни структурной организации ДНК Формирование первичной структуры нуклеиновых кислот Первичная структура ДНК подчиняется правилам Чаргаффа (1950 г. ): 1. Суммарное содержание пуриновых нуклеотидов равно суммарному содержанию пиримидиновых (А + Г = Ц + У + Т); 2. Содержание тимина равно содержанию аденина (Т = А); 3. Содержание гуанина равно содержанию цитозина (Г = Ц); 4. Суммарное содержание аденина и цитозина равно суммарному содержанию гуанина и тимина (А + Ц = Г + Т) Основные положения модели вторичной структуры ДНК (1953 г. ): 1. Молекулы ДНК построены из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно и связанных друг с другом водородными связями (в образовании связей участвует каждый мононуклеотид). 2. Связи между цепями образуются за счет специфических парных взаимодействий аденина одной цепи с остатком тимина другой цепи (пара А···Т) и гуанина одной цепи с остатком цитозина другой цепи (пара Г···Ц). Такие пары оснований комплементарны другу - возникновение водородных связей между ними наиболее вероятно, чем при других сочетаниях в результате геометрического соответствия их реакционных центров.
Уровни структурной организации ДНК Основные положения модели вторичной структуры ДНК (1953 г. ): 3. Первичная структура одной цепи молекулы ДНК в составе двойной цепи комплементарна (определенным образом соответствует) первичной структуре другой цепи. 4. Обе цепи закручены – образуется двойная спираль или дуплекс. Азотистые основания обращены внутрь спирали; их плоскости перпендикулярны ее оси и параллельны другу, образуя внутри спирали стопку оснований, связанных гидрофобными взаимодействиями. Азотистые основания упакованы очень плотно и не контактируют с окружающим водным раствором. Гидрофильные пентозофосфатные фрагменты спирали обращены наружу и за счет ионизированных фосфатных групп определяют гидрофильные свойства нуклеиновых кислот.
Уровни структурной организации ДНК Формирование вторичной структуры нуклеиновых кислот Вторичная структура ДНК представляет собой двойную спираль, в которой две одинаковые цепи связаны многочисленными прочными Н-связями по принципу комплементарности (соответствия): Г – Ц или А – Т, а их фрагменты плотно упакованы Вторичная структура ДНК (не в спирали) Спирализация вторичной структуры ДНК
Уровни структурной организации ДНК Третичная структура ДНК В частицах вирусов, клетках бактерий и высших организмов молекулы ДНК плотно «упакованы» и образуют сложные структуры. Выделенные из вирусных частиц молекулы ДНК имеют либо линейную, либо кольцевую форму. Двухцепочечные кольцевые ДНК легко переходят в суперспирализованное состояние. Структура «кольцо» - характерна для плазмид, вирусов и прокариотов Сверхспирализованная структура «спираль в спирали» - имеет важное биозначение для контроля ДНК на целостность цепи Хромосома – белково-полинуклеотидный комплекс, элемент структурной организации ДНК высших живых организмов
Структурная организация молекул РНК правилам Чаргаффа не подчиняется, первичная не имеет регулярной вторичной и третичной структур, чаще всего – структура одноцепочечная Различают: - Рибосомальные РНК (р-РНК, 80% всей РНК клетки) - Транспортные РНК (т-РНК, 15%) - Матричные РНК (м-РНК) Основные биохимические функции РНК: 1. Генетическая репликативная функция – структурная возможность копирования ДНК 2. Кодирующая функция – программирование белкового синтеза последовательностями нуклеотидов (триплетами или кодонами) 3. Структурная функция структур (т-РНК) – формирование уникальных 4. Функция узнавания – высокоспецифические взаимодействия с другими макромолекулами трехмерных пространственные 5. Каталитическая функция – специфический катализ химических реакций
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ НУКЛЕОТИДОВ И НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Пуриновые или пиримидиновые основания являются носителями наследственной (генетической) информации в составе нуклеиновых кислот. Сочетания трех стоящих рядом нуклеотидов в цепи ДНК называются триплетами оснований или кодонами. Все кодоны ДНК составляют генетический код. В клетке молекула ДНК организованна в структурные единицы – гены. Гены, в свою очередь, локализованы в хромосомах, которые находятся в ядре клетки. Гены содержат информацию, определяющую некий признак организма: цвет глаз и волос, рост, пол и др. Все количество ДНК, содержащееся в клетке, называется геномом. Количество генов в геноме человека оценивается в 25– 35 тысяч, причем примерно 4/5 от их общего количества не активны, т. е. не кодируют молекулярные процессы.
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ НУКЛЕОТИДОВ И НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Генетическая информация передается от родительской клетки к дочерней путем репликации – точного воспроизведения ДНК in vivo. Генетическая информация, заложенная в ДНК, в процессе транскрипции «переписывается» в полинуклеотидную последовательность м. РНК. Матричная РНК, в свою очередь, взаимодействует с соответствующими специфическими аминоацилт. РНК, в результате чего происходит последовательное присоединение аминокислот. Перевод генетической информации из РНК в специфическую аминокислотную последовательность белка называется трансляцией. ДНК ↔ РНК ↔ Белки
УДВОЕНИЕ (РЕПЛИКАЦИЯ) ДНК 1. Суперпирализация ДНК – проверка целостности цепи (топоизомераза). Спирализуется только неповрежденная цепь. 2. Разрушение водородных связей спирали (А-Т) расплетающими белками 3. Наращивание полинуклеотидных цепей (ДНК-полимераза), осуществляется фрагментарно 4. «Сшивание» (лигаза) фрагментов удвоенной цепи ДНК (фрагментов Оказаки) 5. Расщепление полифосфатных связей АТФ как компенсация затрат энергии на процесс репликации. Гидролиз аденозин-трифосфата (АТФ) с образованием аденозин-монофосфата (АМФ) сопровождается уменьшением энергии Гиббса на 70 к. Дж/моль
Транскрипция биосинтез РНК по матрице ДНК 1. Происходит на одной из цепей ДНК под действием фермента РНКполимеразы, который связывается с промотором в составе ДНК, затем расплетает виток ДНК в районе стартовой точки и начинается копирование матрицы ДНК на матричную РНК. 2. Сразу по окончании копирования структура двойной спирали ДНК восстанавливается. 3. Транскрипция завершается на строго определенных участках матрицы ДНК – терминаторах, вблизи которых на цепи РНК возникают «шпильки» , ослабляющие взаимодействие РНК-ДНК. «Шпилька»
Трансляция - программируемый генами синтез белка 1. Осуществляется в генетическим кодом соответствии с 2. Однозначная последовательность аминокислот в молекуле синтезируемого белка определяется триплетами (последовательностями нуклеотидов матричной РНК) или кодонами 3. Каждый триплет кодирует определенную аминокислоту 4. Биосинтез начинается только с триплетов инициации и заканчивается триплетами терминации Остатки аминокислот к растущей полимерной цепи белка доставляются транспортными молекулами РНК (т-РНК)
Трансляция
Трансляция
Катаболизм нуклеиновых кислот и нуклеотидов Гидролиз нуклеиновых кислот протекает под действием нуклеаз – дезоксирибонуклеаз (ДНКазы) и рибонуклеаз (РНКазы). Эти ферменты катализируют гидролиз внутренних (эндонуклеазы) или концевых (экзонуклеазы) 3′, 5′-фосфодиэфирных связей в молекулах ДНК или РНК. Наибольшее значение из ДНКаз имеют рестриктазы, расщепляющие ДНК в строго определенных участках, образованных специфическими последовательностями нуклеотидов (4– 6 нуклеотидов). Катаболизм пиримидиновых нуклеотидов Катаболизм пуриновых нуклеотидов (производные мочевой кислоты
Липиды: классификация и биологические функции Разнообразны по химическому строению и свойствам. В зависимости от строения омыляемые липиды подразделяют на простые и сложные. При гидролизе простых липидов образуются только два вида соединений – спирты и карбоновые кислоты. В зависимости от способности к гидролизу, липиды подразделяют на омыляемые и неомыляемые. К простым омыляемым липидам относятся жиры и воски. К сложным омыляемым липидам относятся фосфолипиды, сфинголипиды и гликолипиды (при гидролизе образуют три или более вида соединений). К неомыляемым липидам относятся стероиды, терпены, жирорастворимые витамины, простагландины. ФУНКЦИИ ЛИПИДОВ Энергетическая функция. Липиды являются важным источником энергии. При биоокислении 1 г жира выделяется 39 к. Дж энергии, что вдвое больше, чем при окислении белков или углеводов. Структурная функция. В составе комплексов с белками являются структурными компонентами клеточных мембран и органелл, регуляторами транспорта воды и солей. Защитная функция. Жировая ткань задействована в процессах терморегуляции организма, предохраняет внутренние органы от сотрясений при падениях, ушибах и т. д.
Нейтральные жиры (глицериды) Нейтральные жиры – это наиболее распространенные в живой природе липиды, представляющие собой сложные эфиры глицерина и высших жирных монокарбоновых кислот – триацилглицерины. Все природные жиры содержат один и тот же спирт – глицерин и разнообразные алифатические (жирные) кислоты (известно свыше 800). Жирные кислоты, как правило, содержат четное число атомов углерода (чаще С 16–С 18), имеют неразветвленное строение и подразделяются на насыщенные, моно- и полиненасыщенные. Из насыщенных жирных кислот наиболее часто встречаются пальмитиновая, стеариновая и арахиновая кислоты; из мононенасыщенных – олеиновая; а из полиненасыщенных – линолевая, линоленовая и арахидоновая кислоты. Ненасыщенные природные жирные кислоты имеют цис-конфигурацию Триацилглицерины могут содержать одинаковые (простые триацилглицерины) или разные ацильные остатки (сложные триацилглицерины): Линолевая и линоленовая кислоты являются для животных организмов незаменимыми, они должны поступать с пищей.
Нейтральные жиры и воски Растения синтезируют их из олеиновой кислоты: Воски – это сложные эфиры высших жирных (насыщенных и ненасыщенных) карбоновых кислот и одно- или многоатомных высших спиртов. Воском покрыты плоды и листья растений для защиты их от потери воды, от повреждений и заболеваний. И кислоты, и спирты восков обычно содержат четное число атомов углерода (С 16–С 36). Труднее подвергаются омылению, чем жиры, растворяются только в органических растворителях. Воски подразделяются на растительные и животные. У многих растений воски составляют 80% от всех липидов. Примером животных восков служит пчелиный воск, содержащий кроме высших эфиров 15% высших карбоновых кислот (С 16–С 36) и 12– 17% высших углеводородов (С 21–С 35).
ОМЫЛЯЕМЫЕ СЛОЖНЫЕ ЛИПИДЫ Подразделяют на фосфо-, сфинго- и гликолипиды. Являются сложными эфирами глицерина или сфингозина и жирных кислот. В молекулах сложных липидов присутствуют остатки фосфорной кислоты или углеводов. Эффективные поверхностно-активные вещества, содержащие одновременно как гидрофобные, так и гидрофильные фрагменты.
ОМЫЛЯЕМЫЕ СЛОЖНЫЕ ЛИПИДЫ Фосфолипиды – это липиды, содержащие остаток фосфорной кислоты. В отличие от триглицеридов представляют собой кристаллические вещества. Наряду с гликолипидами и стеринами являются основными компонентами клеточных мембран. Молекулы фосфолипидов имеют полярный фрагмент и протяженную углеводородную часть. В водных растворах они самопроизвольно формируют липидные бислои, поверхность которых гидрофильна и обращена в водную фазу, внутренняя часть образована гидрофобными углеводородными остатками. Биологические мембраны наряду с липидами содержат белки, доля которых в зависимости от типа мембраны может изменяться от 20 до 75 %. Примерно 30 % всех ферментов функционируют в составе клеточных мембран. Толщина биологических мембран обычно лежит в пределах от 5 до 10 нм. 1 – полярный фрагмент липида, 2 – углеводородный остаток, 3 – поверхностный белок, 4 – внутримембранный белок
ОМЫЛЯЕМЫЕ СЛОЖНЫЕ ЛИПИДЫ Фосфолипиды Обладают избирательной растворимостью в органических растворителях. Благодаря полярности молекул фосфолипидов обеспечивается односторонняя проницаемость клеточных мембран. Сфинголипиды. Природные сфинголипиды являются структурными аналогами фосфолипидов, содержащими вместо глицерина ненасыщенный двухатомный аминоспирт сфингозин или его ненасыщенный аналог дигидросфингозин.
ОМЫЛЯЕМЫЕ СЛОЖНЫЕ ЛИПИДЫ Гликолипиды. Могут быть как сложными эфирами глицерина – гликозилдиацилглицерины, так и сфингозина – гликосфинголипиды. В состав молекул гликолипидов входят остатки углеводов, чаще D-галактоза.
НЕОМЫЛЯЕМЫЕ ЛИПИДЫ Стероиды. Обширный класс природных веществ, в основе молекул которых лежит конденсированный фрагмент стерана. Наиболее распространенный стероид - холестерин. Холестерин – проявляет свойства вторичного спирта и алкена. Около 30% холестерина в организме содержится в свободном виде, остальное количество – в составе ацилхолестеринов, сложных эфиров с высшими карбоновыми кислотами, как насыщенными (пальмитиновой и стеариновой), так и ненасыщенными (линолевой, арахидоновой и др. ). Содержание холестерина в организме человека составляет 210– 250 г. (содержится в головном и спинном мозге, является компонентом биомембран).
НЕОМЫЛЯЕМЫЕ ЛИПИДЫ Холестерин играет роль промежуточного продукта в синтезе многих соединений стероидной природы: - гормона прогестерона, который является начальным субстратом биосинтеза стероидных половых гормонов; - витамина D и необходимых для пищеварения желчных кислот – холевой и 7 -дезоксихолевой: Анионы этих кислот являются поверхностно-активными веществами, участвуют в процессах эмульгирования жиров и тем самым способствуют их перевариванию в кишечнике.
НЕОМЫЛЯЕМЫЕ ЛИПИДЫ Терпены. Биологически активные углеводороды и их кислородсодержащие производные, углеродный скелет которых состоит из нескольких звеньев изопрена С 5 Н 8. Поэтому общая формула для большинства терпенов – (С 5 Н 8)n. Терпены могут иметь ациклическое или циклическое (би-, три- и полициклическое) строение. К терпенам относятся смоляные кислоты, которые имеют общую формулу С 20 Н 30 О 2 и составляют 4/5 смолы хвойных растений.
НЕОМЫЛЯЕМЫЕ ЛИПИДЫ Простагландины (PG) – биологически активные нейтральные липиды, производные простановой кислоты. Как правило, в ее 15 -м положении простагландины имеют гидроксильную группу. Обнаружены во всех клетках животных и клетках ряда растений, регулируют протекание разнообразных биохимических процессов, сходны с гормонами. Однако гормоны синтезируются железами внутренней секреции в одном месте, а используются в другом. Простагландины образуются и используются в одной и той же клетке (клеточные гормоны). Их насчитывается 9 типов. Осуществляют функции при концентрациях порядка 10 -9 моль/л. Регулируют иммунную активность.
Гормоны – это жизненно необходимые соединения, синтезирующиеся в клетках желез внутренней секреции и активно влияющие на все виды метаболических процессов в живых организмах. Изучением химического строения и молекулярных механизмов действия веществ, выступающих в роли регуляторов процессов метаболизма в живых организмах, то есть гормонов, занимается эндокринология. Можно выделить три уровня регуляции метаболизма:
Гормоны оказывают специфическое действие тремя способами: - воздействуют на скорость биосинтеза ферментов или других белков; - изменяют скорость ферментативных реакций; - влияют на проницаемость клеточных мембран по отношению к различным соединениям. Особенности специфики биохимического действия гормонов: 1. Дистанционность действия – гормоны, как правило, регулируют обмен и функции клеток на значительном расстоянии. 2. Строгая специфичность действия – даже очень близкие по химической структуре аналоги гормонов не дают нужного биологического эффекта (принцип структурной комплементарности). 3. Высокая биологическая активность – гормоны действуют при ничтожно малых концентрациях в организме (10 -6– 10 -12 моль·л-1). 4. Относительно небольшой период полужизни (обычно менее часа) – эффективное действие гормонов, направленное на поддержание определенного состояния организма, возможно лишь при непрерывном синтезе и секреции их в течение всего требуемого времени.
Гормоны Каждый из гормонов влияет на метаболические процессы в сложном взаимодействии с другими гормонами ( «гормоны – дирижеры жизни» ); Ни один гормон не проявляет ни ферментативных, ни коферментных функций, т. е. действие гормонов сводится к регуляции уже существующих биохимических процессов; Исходя из химического строения, гормоны можно разделить на три группы: Пептидные и Производные Стероидные белковые аминокислот гормоны Кортикотропин Соматотропин Тиротропин Пролактин Лютропин Окситоцин Паратгормон Кальцитонин Инсулин Адреналин Норадреналин Трийодтиронин Тироксин Альдостерон Кортизол Тестостерон Эстрадиол Прогестерон Кальцитриол
Гормоны По месту биосинтеза гормонов в организме различают гипофизарные, гипоталамические, половые гормоны, кортикостероиды (гормоны коры надпочечников), гормоны щитовидной железы (тиреоидные гормоны) и т. д. МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ГОРМОНОВ Гормоны служат химическими посредниками, переносящими соответствующую информацию (сигнал) от центральной нервной системы (ЦНС) к строго определенным и высокоспецифичным клеткам-мишеням соответствующих органов или тканей. Узнающими центрами клеток-мишеней, с которыми связывается гормон, являются высокоспецифичные рецепторы. Роль таких рецепторов, как правило, выполняют гликопротеины, специфичность которых обусловлена природой углеводного компонента. Рецепторы большинства гормонов (белковых и производных аминокислот) находятся в плазматической мембране клеток.
МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ГОРМОНОВ
МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ГОРМОНОВ Между железами внутренней секреции складываются сложные взаимодействия, среди которых можно выделить следующие основные типы: Взаимодействия по принципу положительной прямой или отрицательной обратной связи. - Один гормон стимулирует образование другого (положительная прямая связь), тогда как повышение концентрации второго тормозит образование первого (отрицательная обратная связь). Синергизм и антагонизм гормональных влияний. Как адреналин, синтезируемый надпочечниками, так и глюкагон, выделяемый поджелудочной железой, вызывают увеличение содержания глюкозы в крови за счет распада гликогена в печени (синергизм). Среди группы женских половых гормонов прогестерон – ослабляет, а эстрогены усиливают сократительные движения матки (антагонизм).
МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ГОРМОНОВ Основных механизмов три: 1) мембранный; 2) мембранновнутриклеточный (косвенный); 3) цитозольный (прямой). Мембранный механизм заключается в том, что гормон за счет межмолекулярных взаимодействий с рецепторной белковой частью мембраны клетки и ее конформационных перестроек изменяет (увеличивает) проницаемость мембраны для некоторых биомолекул (глюкозы, аминокислот, неорганических ионов и др. ). Поступившие в клетку вещества оказывают влияние на протекающие в ней биохимические процессы, например, ионы изменяют электрический потенциал клеток. Мембранно-внутриклеточный механизм действия характерен для пептидных гормонов и адреналина, которые не способны проникать в клетку и влияют на внутриклеточные процессы через химического посредника, роль которого в большинстве случаев выполняют циклические нуклеотиды, например, циклический 3′, 5′-АМФ (ц. АМФ). Фермент аденилатциклаза, отвечающий за синтез нуклеотидов, поддерживается в активном состоянии до тех пор, пока существует комплекс «гормон-рецептор» . При этом на одну молекулу гормона внутри клетки синтезируется 10– 100 молекул ц. АМФ.
МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ГОРМОНОВ Цитозольный механизм характерен для липофильных гормонов, проникающих внутрь клеток через липидный слой мембраны (стероидные гормоны, тироксин). В клетке образуют молекулярные комплексы с белковыми цитоплазматическими рецепторами, транспортируются в клеточное ядро, где вызывают изменение активности генов, регулируя процессы транскрипции или трансляции. Таким образом, стероидные гормоны оказывают воздействие на геном клетки. ГОРМОНЫ БЕЛКОВОЙ ПРИРОДЫ И ПРОИЗВОДНЫЕ АМИНОКИСЛОТ Гормоны гипоталамуса. Гормонам гипоталамуса принадлежит ключевая роль в системе гормональной регуляции организма. В клетках гипоталамуса синтезируются пептидные гормоны (релизингфакторы) – либерины и статины. Либерины обладают активирующим, а статины – подавляющим действием на секрецию гормонов гипофиза. По химическому строению они представляют собой низкомолекулярные пептиды, часто отличающиеся необычным строением (отсутствие С- и N- концевых групп). Известно около 10 гормонов гипоталамуса.
ГОРМОНЫ БЕЛКОВОЙ ПРИРОДЫ И ПРОИЗВОДНЫЕ АМИНОКИСЛОТ Гормоны гипофиза. В гипофизе синтезируются тропины, оказывающие стимулирующее действие на эндокринные железы: - гормон роста – соматотропин, представляющий собой полипептид, состоящий из 191 аминокислотного остатка. Соматотропин отвечает за нормальный рост организма. - лютропин, отвечающий за половое созревание; - вазопрессин Благодаря действию вазопрессина сохраняется необходимый организму объем жидкости, при этом количество выводимого Na. Cl не изменяется. В гипофизе обнаружено более 50 нейропептидов, названных эндогенными морфинами – эндорфинами. Это вещества пептидной природы, обладают обезболивающим действием, эффективность которого во много раз превышает эффект действия морфина. Эндорфины влияют на поведенческие реакции, процессы памяти, сна, обучения.
ГОРМОНЫ БЕЛКОВОЙ ПРИРОДЫ И ПРОИЗВОДНЫЕ АМИНОКИСЛОТ Гормоны щитовидной железы. Щитовидная железа синтезирует и секретирует как гормоны – производные аминокислот – тиреоидные гормоны, так и пептидные гормоны – кальцитонин и паратгормон. Биосинтез первых осуществляется из тирозина. Вред наносит как избыток, так и недостаток йода в организме. В клетках щитовидной железы, помимо йодтиронинов, синтезируются пептидные гормоны кальцитонин, (32 аминокислотных остатка), и паратгормон, (84 аминокислотных остатка). Регулируют обмен кальция и фосфатов, причем кальцитонин работает при увеличении концентрации кальция в крови, а паратгормон – при снижении.
ГОРМОНЫ БЕЛКОВОЙ ПРИРОДЫ И ПРОИЗВОДНЫЕ АМИНОКИСЛОТ Гормоны поджелудочной железы. Исключительно важное значение среди гормонов, синтезируемых в поджелудочной железе, имеют инсулин и глюкагон. Инсулин состоит из 51 аминокислотного остатка и имеет две цепи Комплекс инсулин-рецептор обладает способностью резко изменять проницаемость клеточных мембран для глюкозы, аминокислот, ионов Са 2+, К+, Na+, тем самым ускоряя их транспорт во внутриклеточное пространство. При дефиците инсулина развивается сахарный диабет – одно из самых распространенных заболеваний (100 млн. больных). Глюкагон, напротив, увеличивает концентрацию глюкозы в крови (антагонист инсулина).
ГОРМОНЫ БЕЛКОВОЙ ПРИРОДЫ И ПРОИЗВОДНЫЕ АМИНОКИСЛОТ Гормоны надпочечников. Мозговое вещество надпочечников вырабатывает катехоламины: адреналин, норадреналин, изопропиладреналин. По химической структуре данные гормоны являются производными L-тирозина. Секреция адреналина вызывается стрессовыми состояниями и низким содержанием глюкозы в крови. Адреналин стимулирует аденилатциклазу в органах-мишенях. Действует на функцию сердечно-сосудистой системы, вызывает сосудосуживающий эффект, повышает кровяное давление и частоту сердечных сокращений. Действия адреналина и норадреналина различаются немного.
СТЕРОИДНЫЕ ГОРМОНЫ Все стероидные гормоны образуются в организме из холестерина и имеют стерановую структуру. Стероидные гормоны надпочечников. В коре надпочечников вырабатываются стероидные гормоны трех классов: глюкокортикоиды, минералокортикоиды и андрогены. Все эти гормоны синтезируются из холестерина. Глюкокортикоиды представлены кортизолом и кортикостероном, влияют на генетический аппарат клеток.
СТЕРОИДНЫЕ ГОРМОНЫ Основным представителем минералокортикоидов является альдостерон. Альдостерон регулирует в организме баланс жизненно важных ионов Na+, K+, Cl- и воды. Секреция альдостерона увеличивается при снижении концентрации Na. Cl в крови.
СТЕРОИДНЫЕ ГОРМОНЫ Половые гормоны синтезируются в половых железах из общего предшественника – холестерина. Многие стадии синтеза половых гормонов совпадают, поэтому определенные количества женских и мужских половых гормонов синтезируются как у мужчин, так и у женщин (гормоны представителей противоположного пола – в меньших количествах). Женские половые гормоны по особенностям химического строения и физиологическому действию делятся на эстрогены (эстрадиол, его производные – эстрон и эстриол) и прогестины (прогестерон). Эстрогены обеспечивают формирование у организма половых признаков, психического статуса, полового инстинкта и детородной функции по женскому типу. Они индуцируют синтез специфических белков, определяющих характерные метаболические пути, сдвиги в росте и дифференцировке клеток. Эффект прогестерона проявляется в тормозящем влиянии на ряд физиологических процессов в женском организме.
СТЕРОИДНЫЕ ГОРМОНЫ Женские половые гормоны
СТЕРОИДНЫЕ ГОРМОНЫ Мужские половые гормоны – тестостерон, 5 -αдигидротестостерон и андростерон по химическому строению близки к прогестерону. Действуют на хроматин ядра клеток-мишеней и увеличивают скорость синтеза белков, нуклеиновых кислот, структурных липидов и полисахаридов, вызывая анаболический эффект (возникновение положительного азотистого баланса в организме). Вследствие этого усиливаются процессы наращивания мышечной массы и минерализации костной ткани (на фоне развития вторичных половых признаков по мужскому типу).
Скачать презентацию Углеводы В большинстве своем это бифункциональные органические соединения
Углеводы_нукл кислоты_липиды_гормоны_.ppt