Методы разделения белков и аминокислот

Исследование однородности белковых препаратов и выделение отдельных белковых фракций производится с помощью различных методов, наиболее важные из которых основаны на применении ультрацентрифугирования, электрофореза, хроматографии, а также на изучении растворимости белков.

1. Методы разделения белков и аминокислот, основанные на различиях веществ в молекулярной массе:

а) ультрацентрифугирование. В ультрацентрифуге сначала осаждаются более тяжелые молекулы, затем менее тяжелые.

б) гель-фильтрация. При этом методе хроматографическая колонка заполняется пористыми гранулами сильно гидратированного углеводного полимера, чаще всего сефадекса (специальным образом обработанные производные высокомолекулярного углевода декстрана). При фильтровании через такую колонку смеси низкомолекулярных и высокомолекулярных белков небольшие белковые молекулы, проникая через поры внутрь гранул сефадекса, будут протекать по колонке медленнее, чем белки, молекулы которых не помещаются в порах гранул и поэтому быстрее вытекают из колонки.

2. Методы разделения белков и аминокислот, основанные на различиях в их кислотно-основных свойствах (или различия их электрических зарядов):

а) метод электрофореза. Смысл электрофореза заключается в разделении находящихся в растворе веществ в электрическом поле на основе различий их электрических зарядов. Электрофоретическое исследование белка производят обычно при нескольких значениях рН, т.к. установлено, что если при одном рН препарат белка ведет себя как однородное вещество, то при другом рН этот же препарат может быть неоднородным.

За последние годы широкое распространение получил электрофорез растворов белков и пептидов на различных носителях – фильтровальной бумаге, целлюлозном или крахмальном порошке, полиакриламидном геле. Эти методы позволяют анализировать чрезвычайно малые количества белков.

б) диск-электрофорез в полиакриламидном геле, при котором смесь белков подвергается одновременному воздействию электрического поля и градиента рН. Он обладает особенно высокой разрешающей способностью.

Фильтрование через гель, так же как и электрофорез в полиакриламидном геле, широко применяется для быстрого приблизительного определения молекулярной массы белков.

в) ионообменная хроматография. В ионообменной хроматографии в качестве носителя используются полимеры, несущие на себе заряд – ионообменные смолы:

· катионообменные смолы (заряженные отрицательно) – обмениваются катионами;

· анионообменные смолы (заряженные положительно) – обмениваются анионами.

Например, часто используется катионообменная полистероидная сульфированная смола. Если раствор аминокислот имеет кислую среду, при загрузке колонки положительно заряженные аминокислоты и белки вытесняют натрий и соединяются с сульфид-анионом. При добавлении гидрооксида натрия рН увеличивается; когда рН достигнет значения, равного изоэлектрической точке молекулы белка, аминокислоты теряют заряд и становятся нейтральными. Под действием силы тяжести аминокислота выходит из колонки, потеряв заряд. Разные белки (аминокислоты) имеют разные значения изоэлектрических точек.

3. Методы разделения, основанные на различиях в веществ по растворимости:

а) метод фракционирования белков солевыми растворами. Основан на том, что каждый индивидуальный белок разделяемой смеси осаждается из нее при определенной концентрации той или иной соли, в то время как другие белки при данной концентрации соли остаются в растворе. Процесс осаждения белка из раствора под действием соли называется высаливанием. При дальнейшем насыщении солью выпадает следующий индивидуальный белок и, таким образом, можно один за другим выделить относительно чистые индивидуальные белки.

б) распределительная хроматография на бумаге. Этот метод основан на различной степени распределения компонентов смеси между двумя несмешивающимися жидкими фазами (подвижной и неподвижной) и заключается в том, что каплю гидролизата белка наносят на полоску хроматографической бумаги, один конец которой опускают в органический растворитель. Растворитель под действием капиллярных сил всасывается бумагой и, проходя по полоске бумаги, увлекает за собой аминокислоты.

Скорость перемещения аминокислот по бумаге зависит от их химического строения и способности растворяться в подвижном и неподвижном растворителях. В качестве подвижного растворителя используют водонасыщенный фенол, n-бутиловый спирт и др. Неподвижным растворителем является вода, пары которой насыщают бумагу. Чем меньше растворимость аминокислот в воде и чем больше их растворимость, например, в феноле, тем быстрее они движутся вслед за фронтом органического растворителя.

4. Определение первичной структуры белка

Наиболее ответственной процедурой при установлении первичной структуры белков является определение последовательности аминокислотных остатков. В настоящее время эту работу ведут преимущественно либо фенилизотиоцианатным методом Эдмана.

Метод Эдмана реализуется в специально созданном для этой цели приборе, получившем название секвенатор (от sequence – последовательность). Метод Эдмана сводится к обработке фенилизотиоцианатом белка или пептида, присоединенного через С-концевую аминокислоту к инертному носителю (полистиролу или пористому стеклу) в колонке секвенатора. После промывки колонки растворителями (метанол, дихлорэтан) образовавшийся фенилтиокарбамилпептид подвергают воздействию безводной трифторуксусной кислоты, в результате чего высвобождается анилинотиозолинон и в его составе N-концевая аминокислота, а укороченный на один аминокислотный остаток пептид или белок остается связанным с носителем.

Раздел 3. НУКЛЕОТИДЫ И НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Лекция 4. Строение и функции нуклеотидов

1. Общая характеристика нуклеотидов

Нуклеотиды – сложные органические вещества, состоящие из 3-х обязательных компонентов:

1) азотистого основания;

2) пятиуглеродного сахара;

3) остатка фосфорной кислоты.

Сложные органические соединения, состоящие только из азотистого основания и сахара-пентозы, называются нуклеозидами. Следовательно, нуклеотиды – фосфорнокислые эфиры нуклеозидов.

Азотистые основания

Азотистые основания являются производными двух гетероциклических соединений – пурина и пиримидина:

· пуриновые азотистые основания:

Аденин Гуанин

· пиримидиновые азотистые основания:

Урацил Цитозин Тимин

Пятиуглеродные сахара:

β-рибоза β-дезоксирибоза

Фосфорная кислота

В состав нуклеотидов обязательно входит остаток фосфорной (ортофосфорной) кислоты.

Помимо указанных выше трех обязательных компонентов, в состав молекул нуклеотидов могут входит и другие функциональные группы.

При образовании нуклеозидов первый атом рибозы (дезоксирибозы) связывается с N-1 атомом пиримидинового или N-9 атомом пуринового основания.

С рибозой соединяются аденин, образуя аденозин; гуанин, образуя гуанозин; цитозин, образуя цитидин; урацил, образуя уридин.

С дезоксирибозой соединяются аденин, гуанин, цитозин и тимин, образуя соответственно дезоксиаденозин, дезоксигуанозин, дезоксицитидин, тимидин.

Наиболее распространено в природе присоединение по 5 положению сахара и оно не указывается.

В организме нуклеотиды являются мономерами нуклеиновых кислот, либо функционируют самостоятельно. В зависимости от того, в каком количестве в нуклеотидах представлены их основные компоненты, все нуклеотиды подразделяют на мононуклеотиды, динуклеотиды и полинуклеотиды (полинуклеиновые кислоты).

2. Строение и функции моно- и динуклеотидов

Моно- и динуклеотиды не входят в состав нуклеиновых кислот; они функционируют самостоятельно. В состав самостоятельных нуклеотидов в качестве сахара всегда входит рибоза.

К мононуклеотидам относятся АТФ, АДФ, АМФ, коэнзим А и другие нуклеотиды.

АТФ – аденозинтрифосфорная кислота:

АТФ – энергетический эквивалент клетки, она является посредником между реакциями, идущими с выделением энергии (экзергоническими) и реакциями, идущими с поглощением энергии (эндергоническими). Иными словами, в форме АТФ клеткой запасается энергия, которая затем используется для процессов жизнедеятельности.

Химические связи между различными атомами в органических соединениях делятся на 2 типа:

1) нормальные

2) макроэргические

Нормальные связи – связи, при возникновении или распаде которых изменение уровня свободной энергии соединений составляет 12,5 Дж/моль.

Макроэргические связи – связи, при возникновении или распаде которых уровень свободной энергии соединения составляет 25-50 кДж/моль вещества.

Понятие «макроэргическая связь» учитывает энергетический эффект преобразованной связи посредством химической реакции вещества с нормальными свойствами.

Связи между остатками фосфорной кислоты являются макроэргическими – при их гидролизе выделяется энергия. Такие связи принято обозначать волнистой черточкой.

Энергия 1-й молекулы АТФ может служить только для 1-й реакции. АДФ и АМФ – не способны быть источником энергии.

В живых клетках имеются 3 способа образования АТФ:

1) Субстратное фосфорилирование.

2) Окислительное фосфорилирование.

3) Фотосинтетическое фосфорилирование.

Коэнзим А (КоА). КоА является переносчиком ацильных групп; участвует во многих процессах. В его состав входит аденин, рибоза, пирофосфат, пантотеновая кислота (витамин В3) и тиоламин. Упрощенно коэнзим А представляют в виде следующей формулы: HS-KoA. При взаимодействии коэнзима А с уксусной кислотой образуется ацетилкоэнзим А, в молекуле которого появляется макроэргическая (высокоэнергетическая):

Ацетилкоэнзим А

Ацетилкоэнзим А является ключевым метаболитом, благодаря которому осуществляется не только распад и синтез различных веществ, но и взаимосвязь между процессами обмена белков, липидов и углеводов.

К динуклеотидам относятся НАД, НАДФ, ФАД и др.

НАД – никотинамидадениндинуклеотид;

НАДФ – никотинамидаденин динуклеотид фосфат.

В состав этих динуклеотидов входит никотинамид (амид никотиновой кислоты, являющееся важным витамином – витамином В5). Молекула НАДФ идентична по структуре НАД с той лишь разницей, что у НАДФ у С-3 атома рибозы ОН-группа замещена остатком молекулы фосфорной кислоты.

Молекулы НАД и НФДФ способны к обратимому окислению и восстановлению (благодаря окислительно-восстановительной способности никотинамида), поэтому они участвуют в качестве переносчиков водорода; в реакциях биологического окисления НАД и НАДФ являются кофакторами ферментов дегидрогеназ.

Структура НАД (окисленная форма)

ФАД – флавинадениндинуклеотид. В его состав входит рибофлавин (витамин В2).

Структура ФАД (окисленная форма)

ФАД, как и другие динуклеотиды, способен обратимо окисляться и восстанавливаться, присоединяя к своей молекуле 2 атома водорода, поэтому он участвует в биологическом окислении в качестве переносчика водорода. Является кофактором дегидрогеназ, так же, как и НАД и НАДФ.

3. Строение и функции нуклеиновых кислот

Самое замечательное свойство живых клеток – их способность воспроизводить себе подобных с почти предельной точностью и не один-два раза, а в сотнях и тысячах генераций.

Живые клетки обладают такой способностью благодаря наличию в них нуклеиновых кислот.

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота;

РНК – рибонуклеиновая кислота.

ДНК и РНК – высокомолекулярные соединения, которые построены на основе нуклеотидов, соединенных 3, 5 – фосфодиэфирными связями. Их молекулярная масса сильно варьирует (от 15 тыс. до 1 млрд).

Нуклеиновые кислоты хорошо растворяются в фенолах; плохо – в слабых растворах кислот.

Различия между ДНК и РНК:

1. В составе ДНК – аденин, гуанин, цитозин, тимин;

в составе РНК – аденин, гуанин, цитозин, урацил.

2. В составе ДНК – дезоксирибоза; в составе РНК – рибоза.

3. Молекулы ДНК двухцепочечные; РНК – одноцепочечные.

Особенности структуры ДНК

· ДНК состоит из двух правозакрученных полинуклеотидных спиралей, имеющих общую ось.

· Две цепи ДНК антипараллельны, т.е. 3 и 5 фосфодиэфирные мостики ориентированы в противоположных направлениях.

· Основания плоские, гидрофобные, расположены в параллельных плоскостях и перпендикулярно длинной оси спиралей.

· Основания 2-х цепей спарены. Напротив А-Т; напротив Г-Ц;

Спаренные основания являются комплементарными по отношению друг к другу.

Комплементарность – пространственная взаимодополняемость поверхностей взаимодействующих молекул или их частей, приводящая к возникновению между ними вторичных связей.

Между А и Т возникает 2 водородные связи; между Г и Ц – 3 водородные связи.

Остатки сахаров и фосфорные группы остаются на поверхности молекулы и контактируют с водой. Отрицательно заряженные группы остатков фосфорной кислоты легко вступают во взаимодействие с белками, среди которых преобладают гистоны – белки, отличающиеся своей основной природой.

4. Нуклеиновые кислоты отличаются друг от друга по функциям.

Функции ДНК – хранение, репликация (удвоение) и передача наследственной информации (наследственная информация – это информация о первичной структуре белков).

Функции РНК определяются типом РНК.

Типы РНК:

а) м-РНК – матричная или и-РНК – информационная.

Матричная РНК выполняет функцию переноса наследственной информации из ядра клетки от ДНК в цитоплазму, к месту синтеза белка.

Реализация наследственной информации – синтез белка.

Существуют сотни тысяч видов м-РНК в клетке.

б) т-РНК – транспортная.

Переносит к месту синтеза белка необходимые аминокислоты.

в) р-РНК – рибосомальная.

Рибосомы – органоиды, выполняющие функции синтеза белка.

5. Нуклеиновые кислоты отличаются по локализации.

Основное количество ДНК находится в ядре клетки (в составе хромосом). Часть ДНК располагается в митохондриях и хлоропластах (ее называют цитоплазматической ДНК). РНК находится в цитоплазме.

4. Основные биохимические функции нуклеотидов

Таким образом, нуклеотиды объединяют группу веществ, которые выполняют самые разнообразные функции:

1. Являются строительными блоками нуклеиновых кислот, участвуют в молекулярных механизмах, с помощью которых генетическая информация хранится, реплицируется и транскрибируется.

2. Выполняют важную роль в энергетическом (фосфорном) обмене, в аккумулировании и переносе энергии.

3. Служат кофакторами ферментов, относящихся к различным классам.

4. Играют важную роль в синтезе и распаде углеводов, жирных кислот и липидов.

5. Некоторые нуклеотиды являются посредниками в сложных процессах сигнальной трансдукции (передачи сигналов в живых клетках).

Раздел 4. ФЕРМЕНТЫ

Лекция 5. Строение, механизм действия и классификация ферментов

1. Строение и основные свойства ферментов

Ферменты (энзимы) – вещества белковой природы, присутствующие во всех живых клетках и выполняющие роль катализаторов биохимических процессов.

По своему составу ферменты делятся на:

1) простые – состоят только из аминокислот;

2) сложные – состоят из 2-х частей:

- из белковой, которая называется апоферментом и

- небелковой части – кофактора.

Комплекс апофермента и кофактора называется холоферментом.

Ни апофермент, ни кофактор по отдельности не способны катализировать реакцию. Функционально активен только их комплекс.

Виды кофакторов:

По своей химической природе кофакторы могут быть представлены как органическими, так и неорганическими соединениями.

Органические кофакторы можно разделить на две группы:

1) простетические группы – кофакторы, которые прочно соединены с апоферментом и при выделении из организма не отсоединяются от белковой части.

Например, ФАД в составе фермента сукцинатдегидрогеназы из цикла Кребса.

2) коферменты – кофакторы, которые соединены с апоферментами слабыми связями и легко от него отщепляются: например, НАД, НАДФ, а иногда и ФАД.

Неорганические кофакторы представлены ионами металлов (чаще всего ионами железа, меди, марганца, цинка и т.д.). Ионы металлов как кофакторы либо непосредственно участвуют в акте катализа, либо образуют мостики, связывающие фермент с субстратом.

Субстрат (S) – вещество, химические превращения которого катализирует фермент.

Строение фермента, или энзима (Е):

Поскольку молекулы субстрата обычно мельче молекул ферментов, то в непосредственный контакт с субстратом вступает только часть молекулы фермента – активный центр. Причем, геометрическая форма поверхности участка молекулы субстрата является комплементарной поверхности активного центра.

Активный центр фермента – уникальная комбинация аминокислотных остатков, обеспечивающая взаимодействие с молекулой субстрата и участвующая в акте катализа. У сложных ферментов в состав активного центра обязательно входит кофактор.

Активный центр может иметь 2 участка:

· якорный (субстратный);

· каталитический.

Якорный участок обладает геометрическим сходством (соответствием) молекулы субстрата и обеспечивает специфичность действия фермента.

Сходство между ферментами и небиологическими катализаторами

1. Любой катализатор (неорганический и органический) уменьшает энергию активации молекулы. Энергия активации – количество энергии в калориях, необходимая для перевода всех молекул 1-го моля вещества в активированное состояние, т.е. состояние, при котором они способны вступить в химическую реакцию.

2. Любой катализатор может ускорять только химические реакции, возможные с точки зрения термодинамики.

3. Катализаторы не изменяют направление химической реакции.

4. Катализаторы не расходуются в процессе реакции.

Отличия ферментов от неорганических катализаторов

1. Катализ осуществляется в очень мягких условиях (Т, рН)

2. Высокая эффективность: ферменты увеличивают скорость реакции

в 1010 – 1012 раз.

Пример: в организме есть фермент каталаза (кофактор – Fe).

1 мг железа в каталазе действует как 10 т неорганического железа.

3. Специфичность действия. Каждый фермент ускоряет только 1 реакцию. Виды специфичности:

- абсолютная (1 фермент действует только на 1 субстрат, например, фермент уреаза катализирует гидролиз мочевины);

- относительная (1 фермент может действовать на группу сходных по строению субстратов).

4. Возможность тонкой и точной регуляции скорости реакции изменением условий среды (связано с белковой природой фермента)

Для каждого фермента есть свой температурный оптимум.

Пример: температура тела – 36,6 град.; при Т=40-41град. может быть необратимая денатурация. При низких температурах наблюдается снижение скорости ферментативного катализа (из-за броуновского движения молекул).

Ферменты очень чувствительны к изменению кислотности среды, в которой они действуют. Активность фермента проявляется в пределах довольно узкой зоны рН, называемой оптимумом рН. Можно считать, что для каждого фермента имеется определенная оптимальная концентрация протонов, при которой он наиболее активен.

Изменение рН приводит к изменению зарядов на активном центре и на молекуле в целом; в результате этого изменяется конформация белковой молекулы, вследствие чего нарушается пространственное соответствие активного центра и субстрата, а значит, скорость реакции снижается.

5. Возможность насыщения фермента субстратом (особенности кинетики).

6. Ферментативный катализ – это строго запрограммированный процесс (1 реакция; 1 субстрат; 1 фермент) – серия элементарных превращений вещества, строго организованных в пространстве и времени.

2. Механизм действия ферментов

Действие фермента основано на образовании фермент-субстратного комплекса. Под действием субстрата изменяется конформация фермента, затем изменяется субстрат.

Механизм действия ферментов можно представить в виде следующей схемы:

E+S → ES → EZ → EP → E+P

Можно выделить 4 фазы:

1. Между субстратом и ферментом возникают соединения (ES), в которых соединения связаны ионной, ковалентной или другой связью.

2. Субстрат под действием присоединенного фермента претерпевает изменения (S→Z), делающие его более доступным для соответствующей реакции.

3. Происходит химическая реакция с образованием фермент-продуктного комплекса (EP).

4. Продукты реакции высвобождаются из фермент-продуктного комплекса.

3. Номенклатура и классификация ферментов

Номенклатура ферментов (правила образования их названий)

1. Случайная (по случайным признакам) – тривиальная

Пример: папаин (carica papaja – из дерева).

2. Рациональная: субстрат +”аза” (липиды – липаза)

3. Систематическая: субстрат + тип катализируемой реакции + «аза» (лактатдегидрогеназа), либо субстрат + название класса, к которому относится данный фермент+ «аза» (лактат-оксидоредуктаза).

Классификация ферментов

Принята в 1961 году.

В основу классификации положен тип катализируемой реакции:

1. Оксидоредуктазы (сложные ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции). Пример: изоцитратдегидрогеназа из цикла Кребса.

2. Трансферазы (катализируют реакции переноса функциональных групп или молекулярных остатков между молекулами). Пример: киназы – трансферазы 1-й стадии гликолиза.

3. Гидролазы (простые ферменты, катализируют реакции гидролиза крахмала, олигосахаридов, жиров). Примеры: липаза, инвертаза, мальтаза и др.

4. Лиазы (катализируют негидролитическое отщепление от субстратов определенных групп атомов с образованием двойной связи, либо присоединением по двойной связи). Пример: альдолаза из гликолиза.

5. Изомеразы (катализируют реакции изомеризации – пространственной или структурной перестройки в пределах 1-й молекулы). Пример: триозофосфатизомераза из гликолиза.

6. Лигазы (часто называются синтетазами) – катализируют реакции синтеза, сопряженные с распадом богатых энергией связей (АТФ).

Каждый фермент имеет 4-х-значный шифр: класс-подкласс-подподкласс- индивидуальный номер фермента.

4. Кинетика ферментативных реакций

Особенностью кинетики ферментативной реакции является насыщение фермента субстратом, при котором дальнейшее увеличение [S] не приводит к увеличению скорости реакции. Эмпирическим путем установлено, что кинетика ферментативной реакции может быть выражена следующим графиком:

Концентрация субстрата, при которой фермент достигает насыщения, является постоянной характеристикой для каждого конкретного фермента.

Кинетику ферментативной реакции можно описать с помощью уравнения, которое было выведено теоретическим путем учеными Михаэлисом и Ментен, и именно в честь них было названо.

Уравнение Михаэлиса – Ментен

Км – константа Михаэлиса. Это такая концентрация субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной.

Константа Михаэлиса характеризует сродство фермента к субстрату: чем меньше эта константа, тем больше сродство фермента к субстрату, тем эффективнее реакция.

5. Регуляция ферментативных процессов в клетке

Многочисленные способы регуляции ферментативных процессов можно разделить на две группы:

1. Регуляция содержания фермента за счет изменения скорости его синтеза и распада. Следует отметить следующие процессы:

репрессия – процесс подавления (или снижения) скорости синтеза фермента;

индукция – процесс ускорения синтеза ферментов под действием специфических низкомолекулярных соединений – индукторов.

2. Регуляция активности имеющихся в клетке ферментов.

а) путем изменения температуры, значения рН, количества субстрата, кофакторов и т.д.;

б) аллостерическая регуляция (характерна только для аллостерических ферментов). Аллостерическими называют ферменты, имеющие кроме активного центра дополнительный центр связывания (аллостерический центр). Активность аллостерических ферментов регулируется путем изменения конформации молекул ферментов, вызванного присоединением специального метаболита к аллостерическому центу. Метаболит-регулятор (аллостерический эффектор) выполняет функции либо активатора, либо ингибитора;

в) ковалентная модификация ферментов – регуляция каталитической активности ферментов может осуществляться за счет ковалентного присоединения фосфатной группы или нуклеотида. Например, фосфорилированная форма гликогенфосфорилазы обладает более высокой каталитической активностью;

г) изменение активности ферментов с помощью активаторов – химических соединений, повышающих активность ферментов (например, аминокислота цистеин и трипептид глутатион активируют действие многих протеаз).

д) изменение активности ферментов с помощью ингибиторов – химических соединений, подавляющих активность ферментов.

Ингибирование

Ингибирование – снижение или полное подавление активности ферментов под действием определенных веществ (ингибиторов).

Ингибирование может быть двух основных видов: небратимое и обратимое.

При необратимом ингибировании фермент и ингибитор образуют недиссоциирующий комплекс. Необратимое ингибирование в организме встречается редко и если оно есть, то из-за веществ, поступающих извне.

При обратимом ингибировании фермент и ингибитор образуют диссоциирующий комплекс.

Обратимое ингибирование, в свою очередь, делится на конкурентное и неконкурентное.

Конкурентное ингибирование – ингибирование, при котором субстрат и ингибитор обладают сходным строением и конкурируют за активный цент фермента. Конкурентное ингибирование в организме часто встречается и является способом регулирования активности фермента.

Скорость реакции при конкурентном ингибировании зависит от соотношения концентраций субстрата и ингибитора. Чем выше концентрация субстрата, тем выше вероятность формирования комплекса, тем выше скорость реакции. Таким образом, конкурентное ингибирование можно подавить путем увеличения концентрации субстрата.

Неконкурентное ингибирование – ингибирование, при котором субстрат и ингибитор взаимодействуют с разными частями молекулы фермента. При этом ингибитор, соединяясь с молекулой фермента, так модифицирует его структуру, что достижение максимальной скорости реакции невозможно.

При неконкурентном ингибировании увеличение концентрации субстрата не приводит к устранению действия ингибитора. Неконкурентное ингибирование в организме, как правило, связано с поступлением в организм тяжелых металлов.

Раздел 5. УГЛЕВОДЫ И ИХ ОБМЕН

Лекция 6. Химическое строение и свойства углеводов

1. Общая характеристика и классификация углеводов

К углеводам относятся соединения, обладающие разнообразными и часто совершенно противоположными свойствами. Среди них есть вещества низкомолекулярные и высокомолекулярные, кристаллические и аморфные, хорошо растворимые в воде и совершенно в ней нерастворимые, способные окисляться и сравнительно устойчивые к действию окислителей.

Общая формула, характерная для подавляющего числа углеводов, Сn2О)m

По химической природе углеводы делятся на:

· моносахариды (простые сахара);

· олигосахариды;

· полисахариды.

Моносахариды содержат 3-8 атомов углерода и не подвергаются гидролизу с образованием простых углеводородов.

Олигосахариды – полимеры моносахаридов, которые содержат 2-10 остатка моносахаров.

Полисахариды – полимеры моносахаридов, которые содержат более 10 остатков моносахаров.

2. Строение, свойства и функции моносахаридов

Моносахариды делятся на следующие группы:

1. По количеству атомов углерода:

· Триозы (3)

· Тетрозы (4)

· Пентозы (5)

· Гексозы (6)

· Гептозы (7)

· Октозы (8)

2. По химическому строению:

· Альдозы

· Кетозы

Все моносахариды являются спиртами, либо альдегидоспиртами, либо кетоспиртами. В их молекулах, как правило, количество атомов углерода равно количеству молекул воды (т.е. m = n).

D-глюкоза (альдоза) D-фруктоза (кетоза)

Альдозы и кетозы являются изомерами.

Основные химические свойства моносахаридов:

1.Мутаротация – переход аномера из одной формы в другую (например, α-глюкоза →β-глюкоза). Аномерами называют энантиомерные формы моносахаридов, различающиеся положением полуацетального гидроксила.

2. Восстановление до многоатомных спиртов (например, глюкоза восстанавливается до сорбита, рибоза – до рибита).

3. Окисление с образованием соответствующих кислот (например, в зависимости от окисляемой группы глюкоза может образовывать глюконовую, глюкуроновую и глюкаровую кислоты).

4. Эпимеризация (например, в слабощелочной среде D-глюкоза находится в равновесии с кетогексозой (D-фруктозой) и альдогексозой (D-маннозой).

5. Образование гликозидов. Конденсация аномерной ОН-группы со спиртовой группировкой молекулы приводит к образованию О-гликозидов. Именно за счет этих связей построены олиго- и полисахариды. При взаимодействии аномерной ОН-группы с NH2-группой образуются N-гликозиды.

6. Этерификация. Гидроксильные группы моносахаридов образуют эфиры с различными кислотами. В метаболизме особо важную роль играет фосфорилирование сахаров.

7. Способность реагировать с азотсодержащими соединениями при высокой температуре с образованием специфических окрашенных веществ – меланоидинов.

8. Способность глюкозы (и других гексоз) подвергаться расщеплению (путем гликолиза) и сбраживанию микроорганизмами.

Основные функции моносахаридов:

1. Энергетическая (моносахариды легко расщепляются с выделением энергии, которая затрачивается на образование АТФ).

2. Пластическая (метаболическая). Моносахариды являются предшественниками для образования многих важных веществ: резервных и структурных полисахаридов, аминокислот, жирных кислот, глицерина и др.

3. Строение, свойства и функции олигосахаридов

Олигосахариды различаются по следующим показателям:

1. Количество моносахаридов.

2. Качественный состав.

3. Характер гликозидной связи между моносахаридами.

В растворах моносахариды всегда присутствуют в циклической форме; в состав олиго- и полисахаридов они также входят в циклической форме.

Первый углеродный атом, соединенный с кислородом, является наиболее реакционноспособным. Как правило, связь образуется за счет гликозидного (полуацетального) гидроксила.

Для олигосахаридов характерны некоторые свойства, отмеченные для моносахаридов. Следует также отметить, что олигосахариды, поступающие в организм человека с пищей, в желудочно-кишечном тракте подвергаются гидролизу до своих структурных блоков – моносахаридов. Поэтому в клетки они попадают уже в виде простых сахаров и, соответственно, выполняют те же функции, что и моносахариды.

Из олигосахаридов наибольшее распространение получили дисахариды. Рассмотрим химический состав наиболее важных из них.

Сахароза состоит из остатков α-глюкозы и β-фруктозы, соединенных β-гликозидной (или фруктозидной) связью. Гидролиз сахарозы происходит при участии фермента инвертазы (сахаразы):

сахароза α-глюкоза β-фруктоза

Инвертаза в больших количествах содержится в дрожжах и в кишечнике организмов. Смесь глюкозы и фруктозы в равных количествах, которая образуется при гидролизе сахарозы, называется инвертным сахаром.

Мальтоза – дисахарид, состоящий из 2-х остатков α-глюкозы. Это основной продукт гидролиза крахмала.

Мальтоза → α-глюкоза + α-глюкоза

Гидролиз мальтозы проходит при участии фермента мальтазы.

Мальтаза есть в слюне и поджелудочном соке.

Лактоза – молочный сахар, образуется в организме животных.

Лактоза = β-галактоза + α-глюкоза.Гидролиз лактозы катализируется ферментом лактазой.

Лактаза очень активна у младенцев; у некоторых взрослых лактаза не сохраняется, что влечет за собой непереносимость молока.

4. Строение, свойства и функции полисахаридов

Полисахариды подразделяются на гомосахариды и гетеросахариды.

В состав гомосахаридов входят моносахариды одного типа. Если мономер–фруктоза, то полисахарид нзывается фруктан; галактоза – галактан; глюкоза – глюкан.

Мономерами гетерополисахаридов являются моносахариды 2-х или нескольких типов. К примеру, арабиноза и глюкоза входят в состав арабиноглюканов; арабиноза и ксилоза – арабиноксиланов.

Крахмал (гомосахарид) – запасной полисахарид растений; существует в 2-х формах: амилоза и амилопектин.

Амилоза – линейный полисахарид, состоит из остатков α-глюкозы, соединенных α –1, 4 связью.

Амилопектин – разветвленный полисахарид, в котором на каждые 12 остатков глюкозы, соединенных α –1, 4 связью, приходится α –1, 6 связь.

Эти вещества сильно различаются по своим физическим и химическим свойствам. Так, например, от йода амилоза окрашивается в синий цвет, а амилопектин – в красно-фиолетовый. Они различаются и по растворимости: амилоза легко растворяется в теплой воде и дает растворы со сравнительно невысокой вязкостью, в то время как амилопектин растворяется в воде лишь при нагревании под давлением и дает очень вязкие растворы.

Гликоген(«животный крахмал») – по строению сходен с крахмалом, но характеризуется большей разветвленностью.

Является резервным питательным веществом (образуется главным образом в печени и мышцах).

Целлюлоза (клетчатка) – полисахарид, состоящий из большого количества остатков β-глюкопиранозы.

Функции полисахаридов:

1. Запас питательных веществ (крахмал, гликоген – наиболее распространенные вещества).

2. Источники энергии (при использовании их в качестве источников энергии они должны сначала подвергаться расщеплению до моносахаридов).

3. Структурная (целлюлоза – образует клеточные стенки у растений, хитин – у животных, муреин – у бактерий).