Биохимия: Физико-химические основы жизни

Изменено: 13.06.2017 Posted on

Биология — часть 1   Сост. Седнев Ю.В. (2003, для РЗФМХШ, см.Учебник по химии система Нобелевские темы и работы

  1. Молекулярная биология. ч.1. БиохимияСодержание:
    1.1. Отличия и уровни живого: понятие жизни
    Физика и понятие жизни. Энергия, энтропия и организация
    Химическое сопряжение и энергия, значение АТФ.
    Химия и понятие жизни 2-6
    1.2. Химические компоненты клетки. Роль элементов.
    Роль воды и минеральных солей.
    Органические соединения. Углеводы
    Липиды (мембраны; изопреноиды)
    Аминокислоты и белки.Ферменты.
    Нуклеиновые кислоты. Коферменты и витамины. АТФ
    1.3. Типы питания. Обмен веществ и энергии. 7-18
    Анаэробное и аэробное дыхание.Основные стадии, кол-во АТФ.
    ЦТК и глиоксилат, другие субстраты и продукты, регуляция
    Окисление жиров и аминокислот
    1.4. Дыхательная цепь. Окислительное фосфорилирование, Н+
    1.5. Фотосинтез, световые и темновые реакции.
    Фотобактерии, эволюция и значение фотосинтеза
    Факторы и виды фотосинтеза. Фотодыхание. С3- и С4-растения. 19-27
    Вопросы (Контрольная работа №1) 29

(Здесь сырой материал 2003 г., кажется, связь с НП и др.- самостоятельно)

1.1. Введение в биологию. Отличия и уровни живого
  Биология(от. греч. bios — жизнь, logos — понятие) — наука о жизни. С древних времен она была связана с практическими задачами медицины, сельского хозяйства, пищевой и химической промышленности и других отраслей. Ее развитие г.о. путем последовательного упрощения предмета (“редукционизма”) и специализации привело к множеству биологических дисциплин. К зоологии и ботанике (от zoo- жизнь, животное, и botane- трава), анатомии и физиологии, изучавшим строение и функции организмов, основанным ещеАристотелеми его последователями, с открытием микроскопа, микроорганизмов и их функций в 19-20 вв. добавилась микробиология (включая микологию, бактериологию и вирусологию, изучающие грибы, бактерии и вирусы), цитология и гистология, биохимия и молекулярная биология, изучающие строение и функции клеток и тканей.
Редукционизму и материализму, изучению вместо единого целого отдельных его частей, сводимых к простейшим формам и частицам материи, противостоял “витализм”, рассматривавший “жизнь” (вита) как необъяснимую законами физики и химии.Берцелиусназвал органической “химию растительных и животных веществ, или веществ. образующихся под влиянием жизненной силы” (1827), связав ее с сохранением “сложных радикалов” и “катализаторов”, к которым могли относиться и белковые вещества и жизнь и организмы в целом.Пастертакже понимал ферменты лишь как живые клетки, доказав в 1850-х невозможность их самозарождения, возникновения жизни из неживого (и биологическую природу оптической ассиметрии и считавшихся химическими брожения, гниения, болезней). Это считалось триумфом витализма и стало основой современной микробиологии, клеточной теории и генетики (клетки и организмы происходят только из клеток, сохраняя их и их свойства, гены — “элементы”Менделя). Однако современная наука и молекулярная биология стремятся объяснять все из известных законов физики и химии, на молекулярном уровне — открыв “неорганизованные” ферменты, АТФ и ДНК, синтез белка, антител и т.п., хотя и не смогли решить проблему рождения жизни и целого. Вероятно, объяснения функций и свойств организма переносом их на молекулы должны дополняться отличиями целого типа симметрии — разделения его и т.п.(Приложение 2).
Обычно, не измышляя гипотез, лишь констатируют общие признаки живого, отличающие его от неживой материи (и различающие их типы, Т.1):1- химический состав (Раздел 1.2), помимо воды и неорганических соединений включающий и органические, отличаемые сохранением различного уровня — от “простых и сложных радикалов” до “катализаторов” и “элементов” Менделя, коферментов и ферментов, биополимеров типа белков и нуклеиновых кислот. Они обеспечивают все функции, организацию и сохранение с воспроизводством их самих, клеток и организма в целом, рост и размножение, наследуемость и развитие (Раздел 2 и 3), 2- сохранение через обмен веществ и энергии с питанием, дыханием и выделением (Р.1.3-1.5) (как связанных с окружением — открытых систем с динамическим равновесием). 3 — системы, обеспечивающие сохранение, гомеостаз и регуляцию, чувствительность и раздражимость — способность отвечать на изменения реакциями, как и негенетическое сохранение сочетания раздражений — реакций в используемых далее памяти и опыте (как ассоциации или условные рефлексы). Эти общие свойства сильно различаются у разных организмов, по типу питания и движения разделяемых на растительные и животные, с усложнением действия с развитием нервной системы (Т.1, Р.5-6). Поведение более развитых животных предполагает подобные человеческим процессы типа мышления, как и связь физической и духовной стороны изучаемые более не биологией и этологией (Р.5), а психологией.
Если физика и химия ограничивают область живого, биологию “снизу”, то психология — “сверху”. Поэтому важно их описание общими понятиями типа энергии и равновесия, связей систем и принципа ЛеШателье. Развитие интеллекта, по Пиаже, может описываться стремлением к все большему сохранению и равновесию, ростом числа возможностей и размеров управляемой системы в чередовании центрации и децентрации с интериоризацией, включением внешнего в идеальный план (подобно периодичности и развитию общего чувства — памяти — опыта и т.д., по Аристотелю). Не может ли аналогичное развитие генетической памяти, как и иммунной, объединение генов — полов, объяснить эволюцию, Т.1? Задания 4-5). Т.о. жизнь и ум могут осуществлять уже существующее в неживой природе на более высоком и управляемом уровне, отличаясь г.о. сохранением.
С прежней, господствовавшей практически до 18 века античной точки зрения, жизнь — не случайная и необъяснимая, как сейчас, а необходимая, центральная часть мира. Если физические вещи конечны и потому гибнут, переходя в другие, то само превращение их и составляет жизнь, сохраняемое как идеальное, но из-за связи с материальным, смертным — “только одним путем — порождением, оставляя всякий раз новое вместо старого” (Пир, 208). Это характеризует главное отличие живого от неодушевленной материи — сохранение через воспроизводство на всех уровнях. Простейшие отличия — рост, функции питания (усвоения, ассимиляции) и размножения связывались с “растительной душой” (“вегетативной”- лат.), характерной для “растений”. Более развитые “животные” отличаются тем, что могут еще и двигаться и реагировать.
Отсюда традиционные понятия “вегетативной” и “анимальной” частей и нервной системы, контролирующей их и далее связанной с высшей — разумной частью души. Иерархия от неживой материи до идей Платона — неодушевленного, растительной, животной и разумной души и неизменного разума, связанного с “энергией” и “первопричиной” — творцом всего мира в “лестнице существ” Аристотеля и обратной последовательности “деградации” была основой как его классификации живого, сравнительной анатомии и физиологии, так и последующего понятия развития (лат.- “эволюции”, по Бонне. Р.3-4), систем Ламарка и Линнея, использовавшего понятия, например, растений как перевернутых животных, гипотез единства плана строения и “перевернутости” позвоночных Сент-Илера, блестяще подтвержденных сравнитекльной анатомией в 1800-х и молекулярной биологией в 1990-х (спинные белки-организаторы лягушки вызывали развитие брюшных структур дрозофиллы и наоборот).
Т.о. общее понятие жизни определяло и общее и главные различия организмов, прежде всего растений и животных. Организмы, имеющие свойства и растений и животных (например, жгутиковые, грибы и слизевики) приходилось помещать в промежуточные группы — зоофитов, протистов Геккеля, третье царство грибов, и само развитие лучше изображать не линейным, а из-за связи всего идущим через противоречия, уничтожение прежде достигнутого и возвращения. Современная классификация организмов, растений и животных строится по типу их развития и может быть отражена в Т.1. Первый ряд ее занимают прокариоты, второй — эукариоты одноклеточные, третий — многоклеточные нерасчлененные (талломные, acoelomata), четвертый и пятый — расчлененные с разным развитием зародыша (сосудистые, целомические первично- и вторично-ротые животные). Число тысяч видов животных указано по Westheide W., Rieger R. Spizielle Zoologie:Fischer-Verlag,1996
Система типов организмов по типу развития, питания и движения Т.1

РастенияАвто-не-подвижные Гетеро- трофы:Зоофитымало- подвижные       Животные
сине-зеленые фото- архе- хемо- миксо микоплазмы эу-бактерии спирохеты
Alba 30     без-Водоросли: Жгутиковые (Mastigophora)phyta) фито- лейко- зоо (zoa саркодовыеSarcodina споровикиSporozoa инфузорииCiliophora
Красные 4              Бурые (Phaeo-(Rhodophyta)   14 Зеленые(Chloro Грибы:100 Fungi Слизевики(Myxo 1) Губки (Porifera) 8 Кишечнополостныe(Cnidaria) 9 Черви(низшие) 41Plat-(Нelmintes)Nemat-
лишайники(Lichenes) 20 печеночники (Hepaticae) архи-мицетыфико-мико- полипы-гидры-медузыPlacozoa планула плоские 13 круглые 28
лиственные , сосудистые(Cormophyta) Щупальцевые5(Tentaculata) Моллюски 130(Mollusca) Членистые (Articulata)
мхи(Bryopsida) 25 папоротники(Pterido-Lyco-Spheno-Ptero- 15 Мшанки, Плече-(Bryozoa) 2створч.,брюхо-голово-ногие кольчатые черви (Annelida) 18 членистоногие (Arthropoda) 1300
Семенные

(Spermatophyta)

Иглокожие 6(Echinodermata) Полухордовые 2(Protochordata) Позвоночные 42

(Vertebrata seu Craniata)

голо-             1(Gymnospermae покрыто-  250(Angiospermae) м.лилии-звезды,ежиголотурии крыло-кишечно-жабернличино-голово-хордов водные-рыбы(Pysces:Cyclo-Gnatho-stomata наземные4ногиеTetrapodAmph-Rept-Ave-Ma

 1.12. Физика и количественное описание жизни(Энергия и эн-тропия — число возможностей и функции системы [7,гл.13-14], Приложение 1).  По мере развития наука переходила от качественного описания к количественному, включая основные аристотелевские понятия “энергии” и “возможности”. В Новое время с Ньютона важнейшим стало понятие массы как количества материи, развитое в законах сохранения ее и ее элементов Лавуазье (и действующих и кратных масс Бертолле и Дальтона, ставших основой атомизма в химии). В 1780 г. Лавуазье показал, что мышь в банке с кислородом дает столько углекислого газа (СО2) и тепла, сколько образуется при сжигании ее пищи. Пристли открыл, что растения “исправляют” “испорченный” животными воздух, образуя кислород и пищу для них. Он описал обмен веществ в природе и организмах на основе “флогистона” — “горючего” начала типа водорода или современного понятия восстановителя и электрона. Лавуазье заменил его кисло-родом и тепло-родом, введенным им вместе со светом в число элементов и уравнение баланса реакций, и с Лапласом сформулировал первый закон термохимии — “изменения теплоты системы при переходе из одного состояния в другое совершаются в обратном порядке, когда система возвращается в исходное состояние”. Т.о. можно записать уравнение окисления и восстановления, например, сахара С6Н12О6+6О2<жив=раст> 6СО2+6Н2О +673 кДж, выражающее общие связи и балансы природы, экологии и каждого организма2(Т.1, раздел 5.2). Т.о. место жизненного начала, археев Парацельса и ВанГельмонта занял теплород, а когда обнаружилось образование его, теплоты при механическом движении и наоборот, более общее понятие меры движения — энергия (Аристотеля).“Биологи” Майер, Гельмгольц, Джоуль в 19 веке установили “закон сохранения силы” или “энергии” (первый закон термодинамики) как неизменной меры движения и всех изменений1. “Сохранение” означает, что если и кажется, что нечто исчезает, то оно должно появиться в другом виде и т.о. позволяет связать и расчитать все (как “невидимое” общее — идея греков). Джоуль установил механический эквивалент теплоты — для нагрева 1 г воды на 1 С (1 калория) нужна механическая работа, например, равная “живой силе” mv2/2 или А=Fs ~4 Н м, названная в его честь джоулем (хотя в медицине и биологии энергию чаще выражают в калориях, 1 кал=4.18 Дж).  Сколько нужно затратить для прыжка на 1 м вверх при весе 50 кг? А=Fs=mgh=1м х50кг х9.8м/с2~ 500 Дж (На деле еще нужно учесть КПД — коэффициент полезного действия). При падении они могут перейти в теплоту и нагреть 1 г воды 500/4.2>100 C — до кипения, или тело 50 кг примерно на 500/4.2х50000=0.012 градуса. Эта энергия может проявиться и в другой форме. Так, в газах и жидкостях сила связана с давлением, а перемещение с объемом, а те — с температурой, так что A=Fs=(F/S)sS=PV=nRT (Т.о. по мере развития понятия механические силы и двигатели были связаны с “пневматическими”, те — с тепловыми, далее — химическими и электрическими, став основой промышленной революции и современного мира). Эта же энергия может затрачиваться на разрыв и образование связей — внутреннюю или химическую энергию (обозначаемую U или H). Поэтому ее можно легко получить при сгорании органических веществ, например, 1 г углеводов дает ~17 кДж, а 16 г — 1 моль наиболее энергоемкого метана — 894 кДж. Эта — химическая энергия их запасается при фотосинтезе из световой — энергии Солнца, по Майеру, “Растения поглощают силу, свет, и производят силу, химическую разность”(врачи Майер и Гельмгольц также связали энергию Солнца с гравитационной — тяжестью, а “Сохранение силы” имело ввиду и “живую силу” солдат; т.о. связав и макро- и микро-космос организма). Отсюда следует связь различных видов энергии и работы, в т.ч. в организме, и необходимость ему для выполнения работы источников энергии, питания и дыхания как окисления органических веществ кислородом, получавшихся при фотосинтезе, за счет энергии Солнца (Т.1).  С чем связано общее потребление энергии в организме? Помимо физической работы (увеличивающей расход энергии на порядок) — с основным обменом, поддержанием физиологических функций в покое — около трети, в частности, идет на поддержание отличия состава и мембранных потенциалов (К-Na-АТФазу, см.ниже и приложения 1, 2), меньше — с терморегуляцией и пищеварением.  Рекомендуемое потребление энергии — 11 МДж в сутки для мужчин и 8 для женщин. При этом из 100 г жиров получается 930 ккал, из углеводов и белков, — 410 или 3890 и 1720 кДж (З.1.2.6). Расход энергии оценивается и поглощением кислорода — обычно 1 л О2соответствует 20 кДж.  Основным отличием и законом жизни (сущностью энергообмена, общей и технике) может считаться сопряжение связанных с полезной работой и организацией процессов, требующих затраты энергии и уменьшения энтропии и процессов с большим выделением энергии и энтропии (начиная от поглощения световой энергии и окисления пищи до каждой реакции).4  Можно сравнить это с блоком с противовесом, с тепловым — химическим двигателем и организмом  В равновесии каждая часть его может и изменять другую и изменяться ей, выполнять роль и двигателя и функции — в общей схеме машины:Энергия Еi — (Двигатель — Передача — Рабочий Орган) — Функции фi. Как и в схеме блока, здесь главное — связь ( функция передачи, матрица Аij). Это можно связать с биологическими системами, их границами (полости, различающие типы организмов) и принципом связи Жоффруа Сент-Илера (З.4-5).  Понятие системы связано с ее границами и поэтому путем расширения ее и включения других систем и сил можно полностью изменить термодинамику и возможности, сделав невозможное возможным.Т.о. главным вопросом стало установление конкретных связей — источников и потребителей энергии. Сопряжение на макроуровне отражает общий обмен энергией с окружающей средой. Энергия запасается именно в химической форме и обмен ее далее связан с конкретными химическими реакциями и связями. В ХХ веке это сопряжение изучили и на микроуровне, открыв связи реакций (метаболизма) и 2 общих вида его, сначала чисто химическое — “субстратное” (когда энергия не рассеивается, а передается другому, в т.ч. “высокоэнергетической” связи) и далее “хемиосмотическое”. Они осуществляются с помощью основных “энергетических валют” клетки и организма — АТФ и “протонного потенциала” (DmН+), связанного с электронным — окислением, организацией и другими физическими факторами (т.о. связанными с биологией). Это сопряжение определяет и особенности биохимии (1.3). Жизнь т.о. отличается связью, использованием продукта и следствия одного для другого. Как возможна такая связь на химическом уровне, для отдельных молекул?  Химическое сопряжение и энергетика, значение АТФ   Важнейший пример связи химических реакций — отнятие и обратное присоединение воды, сопряженное с образованием и разрывом — гидролизом химических связей. Наиболее сильное водоотнимающее средство — Р4О10, поглощающий воду с образованием поли-, потом пиро- и наконец орто-фосфорной кислот:Р4О10+2Н2О=(НРО3)4, +2Н2О=2Н4Р2О7, +2Н2О=4 Н3РО4+ 42 кДж. Живая природа использует гидролиз, конечно, не оксида, а поли- и пирофосфатов, и неорганических и органических (обычно с адениновой “ручкой”, см. АТФ, 2.33).

Образование всех основных органических соединений — жиров, белков, полисахаридов и полинуклеотидов требует связи их мономеров путем отнятия воды с затратой энергии и потому может происходить только при отнятии воды полифосфатами с выделением большей энергии — сопряжении с гидролизом АТФ, обычно. Так, при образовании сахара:глюкоза+фруктоза=С12Н22О112О -5 ккал, АТФ+Н2О=АДФ+Н3РО4+7 ккал, в сумме 2С6Н12О6+АТФ= С12Н22О11+АДФ+Н3РО4+2 ккал.

Однако т.к. такая тримолекулярная реакция маловероятна, она требует специальной организации, ферментов, или идет через последовательность возможных бимолекулярных. Поэтому сначала глюкоза реагирует с АТФ, образуя фосфорный эфир, нужным образом изомеризуемый и реагирующий с другой молекулой (Бактерии могут фосфорилировать глюкозу за счет и полиР, особенно древние, эволюционно молодые уже используют больше, а эукариоты — исключительно — АТФ — более гибкий органический полифосфат, т.о. могущий заменить неорганический). Энергия же аддитивна и не зависит от пути, поэтому при любых превращениях с гидролизом АТФ или полиР используется одна энергия. Т.о. фосфорилирование — образование эфиров активирует соединения, также образуются гликоген и другие полисахариды, жиры и белки — через глицерол- и ацил-фосфат, далее реагирующий с ОН или NН2-группой другой аминокислоты.*

АТФ т.о. реагирует как водоотнимающее, как фосфорный ангидрид.3  Поскольку сопряженные реакции близки к равновесию, они могут также использоваться для отнятия воды от Н3РО4+АДФ с образованием АТФ и т.о. запаса энергии. Обычно — из более высоко-энергичных фосфо-эфиров Х-Ф (амид-, ацил-фосфатов и ФЕП с энергией гидролиза 10-14 ккал), запасающих энергию окисления, — т.о. сопрягая ее с энергией АТФ или полиР и потребителей — с помощью специфических ферментов — киназ (обычно не переносящих Ф между высоко- и низко-энергетическими соединениями без посредства АТФ):Х-Ф+ АДФ =Х+(АТФ)+У=АДФ+ У-Ф. Так, в мышцах энергия запасается в виде “фосфагенов” — аргинин-фосфата у безпозвоночных или креатин-фосфата у позвоночных (и всех вторичноротых), обратимых с АТФ.  Эта энергия сопряжена с равновесиями и концентрациями, важнейшими для клетки (См.Приложение 1). Эту связь биологи часто не понимают, например, в [1,11.21] пишется, что т.к. энергия синтеза АТФ 30.6 кДж/моль “АТФ может образоваться лишь в реакциях с выходом энергии более 30.6 кДж/моль. Вся энергия, высвобождающаяся сверх 30.6 кДж/моль, равно как и вся энергия от реакций, дающих менее 30.6 кДж/моль, не может быть запасена в АТФ и рассеивается в виде тепла”. Верно ли это? Могло ли бы при этом происходить сказанное далее “Если весь АДФ мышечной клетки превращается в АТФ, то фосфат от АТФ переносится на креатин с образованием креатинфосфата” — при энергии гидролиза того 43 кДж/моль?  На деле 30.6 кДж/моль относится только к стандартным условиям, а при другой энергии просто будут изменяться равновесные концентрации (С1/С2=е/\G/RT, см.Приложение 1). Например, если в эритроцитах человека концентрации АТФ, АДФ и Ф 2.25, 0.25 и 1.65 мМ, то /\G=/\Go+ RTln[ADP][Pi]/[ATP] =-7300+1360 lg1.83 10-4=-12.4 ккал/моль или 50 кДж/моль. Изменяя концентрацию, связывая продукты, например, АДФ или ФФ путем гидролиза (что равносильно двойной энергии гидролиза), можно “вытянуть” почти любую реакцию. За счет их связи т.о. и выполняются функции клетки по регуляции концентраций.  Поэтому же неверны и все расчеты, например, КПД — аэробного и анаэробного дыхания, сгорания жиров и т.д.- дающие порядка 40% — вдвое меньше действительных. Для производства же тепла применяются специальные механизмы — “замыкание” протонного потенциала в митохондриях (в “буром жире”), позже — “холостые”, или “футильные” циклы обратных реакций, +-АТФ.  Образование связи молекул белка может изменять ее форму, конформации, и использоваться для выполнения механической работы. Так, в мышцах волокна миозина связываются с АТФ и далее нитью актина, сокращаясь за счет гидролиза АТФ.

С чем еще может сопрягаться гидролиз полифосфатов? (см. Приложение 2). Гидролиз РОР-связи образует 2 Р-О-+ Н+ (а из кислот при отнятии воды образуются нейтральные ангидриды и оксиды) и т.о. сопрягается с градиентом Н+, с равновесием, обменом и переносом ионов, с динамикой заряженных цепей белков. Перенос Н+ сопрягается с гидролизом АТФ в Н+АТФазе, Н+ также может заменять Na+, K+ и связываться другими анионами, запасать энергию в их виде (Н+ более опасен, денатурируя белки), через поддерживающую потенциал и сигналы Nа+К+АТФазу (почки тратят 10% всей энергии организма, затрачивая на перенос натрия в мочу 2/3 АТФ их дыхания). Н+ и кислоты также получаются при о-кислении и так могут сопрягаться с переносом е-, сопрягать окисление и фосфорилирование.

Это т.н. хемиосмотическое сопряжение (1.42) связано с организацией, ассиметрией мембран и реакций — если бы протоны переносились равно во все стороны, то никакого бы потенциала и движущей силы не возникало бы. Оно более просто, чем химическое, как физическое — электрическое, позволяет давать и отбирать энергию в любой точке (Митчелл, 1976). Множество отдельных реакций при этом могут объединяться в общем потенциале (как и в случае общих коферментов, системы АТФ-НАДН), связываться с биологической целостностью и функциями, с ролью нервной системы, вообще организации и ассиметрии, установленной Пастером в 19 веке (см. Приложение 3 и з.1в.3).

Т.о. АТФ и сопряженный с ним Н+ потенциал могут получаться за счет окисления (не прямого, а через отнятие Н — дегидрогеназы и ряд промежуточных продуктов, выясненных в 1910-30-х и рассматриваемых далее в 1.3-1.4) и использоваться для основных потребляющих энергию процессов жизнедеятельности — биосинтеза, поддержания нужных концентраций и связей, механического движения.

Концепцию АТФ как универсальной энерговалюты и АТФ-цикла в клетке предложил в 1941 г. Фриц Липман, а в 1961 г. Митчел дополнил ееDmН+:ОкислениеО2_СО2)DН+(АТФ_АДФ+Ф)Работа:)хим (биосинтез) )осм.- (транспорт))мех (мышцы, жгутики)

Какие еще бывают потребители АТФ и ионного потенциала? Работа: тепловая (терморегуляция), электрическая (передача нервных импульсов, разряды угря или ската), световая (биолюминисценция светляков, глубоководных) [1,9,11].

  Химия и понятие жизни  Главные особенности живого, энергия и гены т.о. оказались химическими. Современная биология — молекулярная — также описывается химией. Принцип роста числа возможностей общ для всех уровней и может прослеживаться, начиная с элементов. Наибольшим числом возможностей характеризуются соединения углерода, поэтому и называемые органическими. В чем уникальная роль его?  Углерод стоит в центре — IV группе Периодической системы элементов и в отличии от других может равно легко и окисляться и восстанавливаться (от +4 до -4), образовывать связи с собой и другими близкой энергии, в т.ч. кратные, и потому длинные цепи Сп с разными функциональными группами и функциями (Для выделения их обычно изображается только скелет без указания С-Н-связей, легко определимых из четырех-валентности С, например, \/\соон — масляная кислота).  Как источники энергии могут использоваться реакции окисления-восстановления и других элементов — у хемо-трофов (азот-, серо-, железо-бактерий — см.1.3.1), но по мере эволюции уже у эукариот, вероятно, по тем же причинам, они также сводятся к углеродным. Основные органические соединения — углеводы, жиры и белки отличаются степенью окисления углерода и связанной с ней гидро-филией/фобией, определяющих их структуру и функции.10

Во-вторых, для равновесия и максимума числа возможностей важны более слабые, легко изменяемые нековалентные связи — ионные и водородные (3-7 ккал/моль), ван-дер-ваальсовы — гидрофобные, дисперсионные, особенно с водой, главной составляющей клеток, межмолекулярные(энергия их 1-2 ккал/моль изменяет константу равновесия на порядок. Уравнение ее и теплового движения обеспечивает максимальную скорость, восстановление катализатора, освобождение от субстрата и диффузию).11

Отличия биохимии определяет г.о. сопряжение. Если химические реакции идут лишь с ростом энтропии, либо требуют больших температур (тепловой энергии кТ для преодоления барьеров, Еакт или уменьшения энтропии), биология, биохимические реакции отличаются связью с другими, сопряжением и катализом — с помощью ферментов. Век назад выяснили, что они могут функционировать и вне клеток, и что для каждого этапа распада глюкозы необходим особый фермент — при простейшем уравнении С6Н12О6<=> 2СН3СНОНСООН включают около десятка их, требуемыми для сопряжения и биологических целей. Поэтому реакции кажутся необычными и включают много дополнительных стадий. Каждую особенность, источники энергии, средства сопряжени. регуляции и т.д. нужно объяснять12. Т.о. химические свойства и связи связаны с биологическими функциями и нужны для понимания биологии.  Нужно ли биологу знать химию и в каком объеме?  Биология основывается именно на различиях химии, часто более тонких, чем в той — от связи переходных металлов и сопряженных систем до химически неразличимых зеркальных изомеров. “Связь всего со всем”, например, углеводов и жиров (з.3в.2:за счет чего откармливается скот, а мы толстеем от мучного), биоструктур, материи и энергии также осуществляется через общие химические единицы, из которых строятся совершенно разные соединения. Изомерия — различие единиц одинакового состава, их энергии и функций также широко используется жизнью — при гликолизе, превращении углеводов в сахарные кислоты, начиная с СН2ОНСНО и СН3СООН и конденсации их (см.задачи), цис-транс-изомерии жирных кислот, изомеризации ретиналя.  Часто в биологической и медицинской литературе даже при описании реакций и метаболических путей приводят не формулы, а только названия веществ. Но для понимания, например, определяющих энергетику организма сопряжения (где обычное изображение реакции АДФ+Ф=АТФ упускает главное, воду, также при хемиосмотическом, за счет Н++ОН-=Н2О) или связи углеводов и жиров показ химизма конденсации или окисления составляющего жиры глицерина в глицеральдегид — триозу (по уравнению НОСН2СНОНСН2ОН -> НОСН2СНОНСНО) и ее конденсации в другие углеводы и обратно дает гораздо больше и проще, чем труднозапоминаемый перечень названий, как в начале 19 века — до структурной химии. Поэтому ее нужно рассматривать как упрощение и объяснение, а не усложнение биологии, во многом определяемой химией. Это соответствует реальному понятию и развитию, где главные достижения биологии ХХ века вызывались не ей самой, а физико-химическими достижениями.? С какими достижениями связана расшифровка строения ДНК и развитие современной молекулярной биологии и генетики?  Т.о. биология связана с химией трояко — использует ее возможности, энергию и свойства различных соединений, определяется ими как целью и сама развивает ее, выявляя общее, например, связи ред-окс и кислотно-основных процессов, неорганических и органических составляющих.   Это требует знания функций химических компонент в биосистемах. 1.2.  Химические компоненты клетки:минеральные и органические  На Земле находится около 90 химических элементов и большинство их можно обнаружить в клетках, но только у двух десятков выяснена биологическая роль, а 99% составляют “макроэлементы” С, Н, О (входящие в состав всех органических веществ и воды, составляя — 20, 10 и 62%), азот и сера (3 и 0.3%), входящие в состав белков, фосфор — в составе нуклеиновых кислот (НК далее), АТФ, коферментов, фосфатидов и фосфатов — в костях вместе с кальцием — 1 и 2.5%, K, Na и галогены, остаток — входящие в состав коферментов переходные металлы — микроэлементы. Они необходимы в качестве минерального питания, для плодородия почв.

  1. Какие основные химические элементы находятся в живом и какие функции выполняют?

О функции и кругообороте углерода (фотосинтеза — дыхания, где 90% СО2 дают бактерии и грибы и только 10% — животные) говорилось выше, азот в составе аминогрупп АК и белков выполняет роль органического основания, иногда и ред-окс (хемотрофы, азотфиксация и нитратное дыхание, цикл азота и оксида его), сера — функции ред-окс и дисульфидной связи в белках (Цис) и коферментах (тиамин, В1), у прокариот — в цикле сероводорода- серы- “активного сульфата”. Галогены — фтор важен для костей, эмали, хлор — анион, Росм, бром — неизвестно, применяют как успокаивающее, I — для тироидных гормонов, щитовидной железы, регулирующей обмен. Металлы — Na, К поддерживают осмотический баланс и потенциалы, Са — кости, регуляцию (в растениях связывает пектат и оксалат), Mg — тоже, реагирует с АТФ, НК и рибосомами, входит в хлорофилл. Важны и переходные металлы до Zn, особенно Fe, Cu — ред-окс и переносчики кислорода (даже летгемоглобин бобовых), реже — Ti, V, Cr (асцидии концентрируют их в 10-100 тыс.раз), Mn — в нитрогеназах, Co — в В12, в некоторых ферментах — Ni, чаще — Zn, из тяжелых металлов- Mo — участвует в связывании азота и нитратов (встречается и вольфрам).

Крик и Оргел выдвигали гипотезу возникновения жизни не на Земле, а на “молибденовой звезде”. С чем это связано? (С несоответствием состава Земли и живого. В живом содержание Мо намного выше, тогда как Ni, Cr, также как и основных на Земле Al, Si — неизмеримо меньше). По общему составу живое ближе не Земле, а исходному Космосу и звездам, где преобладают легкие элементы.

Из чего состоит человек? В 70 кг человека более 40 кг — вода, в сухом остатке кроме оргавники — 1.05 кг Са, 245 г К, 105 Na, 35 Mg, 3 Fe, 2.3 Zn, 1.2 Rb — при 0.1 Cu, 20 мг Mn, 5-6 мг Co и Сг, выявили роль Sn, V. Из неметаллов 700 г Р, 175 S, 105 С1,необходимы Sе, фтор, I, кремний, бор для растений. В эритроците -80 мк3 0.3 млрд.молекул белка, порядка 105 атомов Си, As -7, В, А1- по 3, Sn — 1, 0.7 Pb, 0.2- Ag, Ni, концентрация серебра 10-7 М предполагает его важные функции (до урана только Ac, Po, Pa, Ra менее 1 на клетку). Содержание элементов различается в разных частях клетки и тканях — в мозге накапливается Си, в слизистой глаз Ва, в составе волос и ногтей Al, As, I, V, в почках Cd, Hg, Mn, в кишечнике Sn, в предстательной железе Zn, Sr.

  1. Различия состава организмов. Согласно Лавуазье азот и белки долго считали содержащимися лишь в животных. С чем это связано, какое различие состава отражает? Как биология определяется потребностью в элементах?

Азот входит не во все вещества клетки, г.о. в белки. В растениях содержание белков и потому азота во много раз меньше, чем в животных. Росянка, мухоловка — хищные растения питаются насекомыми для получения азота и могут расти на бедных им почвах. Потребность в соли, кальции, железе видна у ищущих их животных, ребенке. Многие элементы накапливаются лишь в отдельных видах организмов, могущих концентрировать их в десятки тысяч раз, морские — почти все кроме NaC1. Так, бурые водоросли накапливают В и As (как и губки и кишечнополостные), вместо Ca используют Sr, бактерии, планктон и хвощи накапливают Fе, папоротники — Y, асцидии — Ti, V, кишечнополостные, отдельные виды- Zn, Ba, Co, Li, Ni, Ti, Se, La, Nb. В связи с расходом элементов для роста урожайности с 19 века, с Либиха вносят удобрения (N, P, K) и микроэлементы.

Кругооборот азота. В атмосфере содержится 79% азота N2, но он инертен и доступен для живого только в связанной форме. Способность связывания азота — азотфиксации характерна лишь для некоторых прокариот (их гены азотфиксации — нитрогеназы давно надеются включить в растения). Человек искусственно получает до половины связанного азота (азотные удобрения, при больших Т и Р), 5-10% связывается в природе при ионизации, молниями. Основной вклад в азотфиксацию дают сине-зеленые водоросли и бактерии, особенно симбиотические — в клубеньках бобовых (клевер, горох, соя). Азотфиксаторы включают азот в NН3, входящий в NН2-группы АК и белков. Сапрфитные баатерии и грибы возвращают азот из них в кругооборот, хемосинтезирующие окисляют NН3 до NО3-, растения получает нитрат из почвы, а животные из растений (в форме АК). Денитрифицирующие могут использовать NО3- как окислитель вместо О2, восстанавливая его до N2 (возможно, иначе весь атмосферный азот был бы связан, в океане или осадочных породах); они могут уменьшить плодородие почвы. Почему его можно увеличить вспашкой и дренажем? Т.к. NО3- используется вместо О2, только в анаэробных условиях (1.3.1).

Как выяснили роль фосфора? Зачем нужны фосфорные удобрения? (См. химическое сопряжение и АТФ).

Как известно, фосфор открыли в 16 веке именно в моче, позже — в костях. Фосфаты нужны для сопряжения и запасания энергии, входят в состав АТФ и НК, фосфата кальция костей. В природе фосфор, как и азот, часто лимитирует продуктивность биосистем и вносится человеком в виде фосфорных удобрений (СаНРО4, (NH4)2HPO4). Его круговорот связан с равновесием 3 форм фосфатов — в организмах, поглощающих его из воды, почв (возвращают редуценты), связанных с отложениями и эрозией горных пород (Са3(РО4)2). Необходимость фосфорных удобрений обнаружили в 19 веке, их рекомендовал создатель “агрохимии” Либих.

В 1905 г. Гарден и Йонг обнаружили, что без неорганического фосфата спиртовое брожение прекращалось (При замене на арсенат гексозодифосфат не накапливался, но брожение продолжалось до превращения всей глюкозы в этанол и СО2. Арсенат подобен фосфату и может заменять его, но его производные менее стабильны, тогда как фосфаты превращаются только ферментами; поэтому АТФ не накапливается. Эта замена объясняет и ядовитость мышьяка). Значение выделенных тогда фосфорилированных продуктов стало ясно в 1930, с понятием АТФ.

  1. Зачем нужны калийные удобрения? (см.Приложение 3)

К+ — главный внутриклеточный ион, его концентрация поддерживается за счет гидролиза АТФ (Na+,K+АТФазой), определяет различие состава живого и мертвого, осмотическое давление и мембранный потенциал, нервные импульсы.

  1. С чем связана биологическая роль воды?

Вода составляет большую часть, 60-95% массы всех клеток, в зависимости от вида ткани и интенсивности обмена :если в сухих семенах и эмали ее 10%, в костной и жировой ткани — 20-40%, то в нервной — 85%, в среднем — 80%, у стариков — 60%, а эмбрион (как и огурцы, медузы) на 95% состоят из воды. Традиционно жизнь определялась отношением влажного-сухого (и теплого- холодного). Вода при этом служит и главным средством сопряжения и химическим реагентом — как в реакциях гидролиза — конденсации и присоединения, так и в ред-окс реакциях, как продукт дыхания и источник Н в фотосинтезе. Из 4 фаз вода и воздух отличались от твердого и огня отсутствием формы и переход в воду определял изменение, переход форм. В этом смысле вода как растворитель и среда служит главным условием осуществления химических реакций, обмена веществ и энергии, и размножения живого. Недостаток воды — важнейший фактор естественного отбора, развития и системы растений, определяет способы размножения и движение гамет. Она выполняет механические функции, определяет объем клетки и упругость (тургор), смазку суставов и др. Высокая полярность и водородные связи воды определяют не только ее важные для клетки физические свойства, большие теплоемкость и теплопроводность, теплоту испарения (важную для терморегуляции, охлаждения путем потоотделения и транспирации), но и взаимодействия, разделение гидро-фобных и гидро-фильных составляющих, определяющих организацию и конформации макромолекул и структур клетки.

Гидрофильные вещества — полярные, растворимые в воде (для растворимости и вывода из организма он может использовать гидроксилирование и присоединение углеводов, как в гликозидах).

Гидрофобные — неполярные, нерастворимые в воде, взаимодействуют с ней слабее, чем молекулы воды между собой. Гидрофобные липиды составляют мембрану, гидрофобные аминокислоты собираются внутрь глобулы белка, вне — гидрофильные.

Запасы жира, например, у верблюда, используются как источник и энергии и воды.

Сколько воды образуется при окислении равной массы жиров и углеводов? Жиры по степени окисления приближаются к -2 (СН2), углеводы — 0 (СН2О), согласно уравнениям (СН2) +3/2О2->СО22О и (СН2О) +О2->СО22О образуя 18 г воды из 14 и 30 г вещества, поэтому из жира можно получить воды больше, чем взяв саму воду (18 г), обычно из-за большей степени окисления и непредельности жиров из 100 г его получается не 18х100/14=128, а ~110 г воды (и 930 ккал, при 410 — из углеводов и белков, или 3890 и 1720 кДж).

Согласно этим расчетам, расход энергии можно (более удобно) оценивать поглощением кислорода — обычно 1 л О2 соответствует 20 кДж.

*Рассчитайте для трипальмиата количество выделяемой энергии, АТФ, воды и потребляемого кислорода.

  1. Минеральные соли.

Осмотическое давление. Растворенные вещества, как обнаружил Вант-Гофф в 19 веке, ведут себя подобно частицам газа, оказывая “осмотическое давление” идеального газа РV=nRT или Ро=сRT. Осмосом называется прохождение растворителя через непроницаемую для растворенного перегородку. Мембрана клеток полупроницаема, пропускает молекулы воды, но не ионы солей. Поэтому если концентрация солей в клетке больше, то вода будет проникать внутрь и клетка набухает, создавая внутренее давление — тургор, если меньше — вода выходит и клетка сморщивается. Равенство осмотического давления в клетке и растворе, называемом физиологическим, достигается при 0.9% NaCl. Оно также важно и для неэлектролитов.

Почему варенья при недостатке сахара, а соленья — соли прокисают? Сахар и соль создает большое осмотическое давление раствора, бактерии теряют воду и не выживают. Почему углеводы в клетке хранятся в виде полисахаридов, крахмала или гликогена, но не моно- и ди-сахаридов? Число моль вещества и давление Ро=пRT уменьшается прямо пропорционально степени полимеризации.

Разность концентрации ионов внутри и вне может создавать и электрический — мембранный потенциал. Как он связан с осмотическим? Если количество одних ионов равно

Основными катионами внутри и вне клеток являются K+ и Na+, менее- Mg++ и Са++, основными анионами — С1-, НСО3и НРО4. С какими функциями они связаны?

Разность концентраций Na+ и К+ вне и внутри определяет трансмембранный потенциал (-0.1 В), важный для ее жизни (исчезает с гибелью), возбуждения, и требующий затраты энергии, работы K-Na-АТФаз.

Разность концентрации Са++ вне и внутри клетки и скачок ее при проникновении на порядки может использоваться для сигнализации, регуляции.

Основные анионы — НСО3и НРО4определяют и поддержание кислотно-основного баланса, буферные системы организма, крови (рН=7.4-7.7).

Насколько изменится рН при добавлении 1 мл 1 н НС1 или щелочи к 1 л воды и 1 н раствора НСО3или НРО4? При добавлении 1 мл 1 н НС1 к 1 л воды [H+]=0.001 н и рН изменится с 7 до 3, с 1 н НСО3— — образуется смесь 0.99 моль НСО3— и 0.01 моль Н2СО3и /\pH<0.1.

При пищеварении используются разные рН, например, в вакуоли амебы рН изменяется с 5.6 до 7.3, у инфузории с 2 до 8, у человека в желудке рН~1, в кишечнике ~8-10. [1, 10.2.1] Какие функции это выполняет и как достигается?

Гидролиз одними ферментами, например, пепсином связан с Н+ и имеет оптимум в кислой среде, у других, особенно для омыления жиров — в щелочной. Понижение рН до 2 у инфузории и 1 желудка позволяет умерщвлять бактерии.

При засолке огурцов, помидор, грибов, квашении капусты молочнокислые бактерии создают кислую среду, угнетающую других. Также консервируют продукты, маринуют их в уксусе, силосуют корма (Также используют высушивание, замораживание и нагревание — до 65 С — пастерилизация- или 120 С в автоклавах — стерилизация против спор).

Желудочный сок кроме 97-99% воды содержит слизь, пищеварительные ферменты и 0.2-0.5% НС1 (рН -1). Выделение НС1 аналогично механизму секреции Н+ из Н2СО3(из СО2с карбоангидразой) почечных канальцев (и “хлоридного сдвига” эритроцитов) за счет мембранной К+АТФазы (в отличии от Nа/К-АТФазы нечувствительной к уабаину). Выделение Н+ в просвет желудка сопряжено с обменом С1- плазмы на НСО3— (в парентальных клетках его) и из-за образования бикарбоната прием пищи часто сопровождается выделением щелочной мочи.

Изменение концентраций требует энергии, обычно за счет АТФ. Гидролиз АТФ, как и любого ангидрида, создает кислоту. В 1945 г. Г.Лундегард писал о возможности концентрации ионов (как Na+/K+АТФаза) и разделения кислоты и щелочи окислительными, дыхательными ферментами поперек мембраны, как в нервных клетках, в 40-е Конвей и Брейди т.о. объясняли образование кислоты в желудке, в 50-х об этом говорил и открывший ЦТК Г.Кребс, в 1961 г. Митчелл выдвинул гипотезу хемиосмотического сопряжения, где фермент синтеза Н2О+АТФ ориентирован в мембране для разделения НОН на Н+ и ОН- с разных сторон ее. Т.о. удаление воды стимулирует синтез, образование же Н+ — кислоты можно связать с о-кислением, переносом е- [1,11.5.4]

 

 1.2.2.  Органические соединенияеще с 1830-х разделяли на углеводы, жиры, белки. Они могут выполнять сходные функции — энергетическую (при окислении до СО2и Н2О давая 17.6, 39 и -18 кДж/г), структурные, составляя оболочки и другие компоненты клеток, и специфические для каждого. Специфика и различия их свойств во многом связаны со степенью окисления (0, -2, 1-1).

Вся химия, в т.ч. органическая, по Лавуазье и Берцелиуса, определялась прежде всего степенью окисления, в “лестнице сгорания”. Но большие успехи были достигнуты на основе теории биологии. Жерар использовал понятие гомологии Сент-Илера как принцип классификации, разделяя “семейства” гомологов Сп на роды по количеству кислорода (Оп), и роды на виды (например, семейство С1включало род метана СН4и его заместителей, род метилового спирта СН4О и его заместителей типа эфиров, гомологичные им С2— этан С2Н6, этанол С2Н6О или СН3СН2ОН и т.д.). К типам НГ (галогензамещенных), воды Н2О (спирты) и аммиака NH3 (амины) Кекуле добавил тип метана СН4, установив 4-валентность углерода, ставшую основой структурной теории. Следовавший Жерару Менделеев на основе общей степени окисления выделил группы и самих химических элементов, построив их Периодическую систему, и органических. Переходы в этой системе, например, линии окисления метана, этана, в т.ч. гликолата (этилен — гликоль — гликолевый альдегид — гликолат — глиоксилат — оксалат) оказываются основой биохимии и энергетики организмов, сами растения и животные также связаны с восстановителями и окислителями (см.Т.1-3).

Степень окисления кроме энергии, теплоты сгорания и количества образуемых АТФ определяет и гидрофильность и конформации соединений. Наиболее восстановленные — жирные соединения, не имея полярных ОН-групп, нерастворимы в воде, требуя при получении и давая при окислении больше всего энергии, НАД(Ф)Н и АТФ. Углеводы и белки имеют много полярных групп и растворимость их велика при малом размере молекулы, но мала при большой степени полимеризации. Углеводы с формулой Сn(Н2О)m имеют среднюю степень окисления углерода 0. Белки же включают аминокислоты разного состава, как более окисленные (дикарбоновые Асп, Глу, тогда как типичная Ала имеет среднюю степень окисления 0), так и жирные — гидрофобные (“лейцины”) и это определяет их конформацию в растворах и мембранах, где гидрофильные остатки контактируют с водой, а гидрофобные — между собой и с липидной мембраной.

Чем отличаются полимеры? Полимеры состоят из повторяющихся звеньев одинаковых, как полисахариды, или разных, как белки и НК, поэтому несущие информацию и рассматриваемые в ч.2. Молекулярной биологии. Полимеры составляют ~90% сухой массы клеток. Как органические вещества все они могут быть источником энергии (п.в. углеводы), в отличии от мономеров могут храниться без вступления в реакции и большого осмотического давления (З.-) и давать гораздо большее разнообразие, химических и структурных функций.

Почему полинуклеотиды и белки выполняют функции передачи генетической информации и катализа, а не наоборот, есть ли исключения?  Гораздо большее разнообразие 20 аминокислот, чем 4 нуклеотидов, дает больше возможностей для химических реакций и катализа. Для информации достаточно и двух знаков, полинуклеотиды могли произойти от мононуклеотидов как коферментов, как поли-А из АТФ (см.доп.мат.). Пример НК-ферментов — рибозимы, “белковой наследственности” — прионы, возможно, определяющие сворачивание шапероны.

Для изучения макромолекул важнейшим стало изобретение в 1920 г. ультрацентрифуги Сведбергом (по его имени единицу седиментации обозначают S). Скорость седиментации в ней пропорциональна молекулярной массе — т.о. обнаружили, что веса белков варьируют от 10000 ло млн., разделили РНК на и рибосомы на 5, 50 и 80 S.

  Углеводыобычно имеют общую формулу Сn(Н2О)m и разделяются на моно-, ди — и поли-сахариды. Они составляют основную массу растений (до 90%) и -1% животных (до 5% в печени, в виде гликогена).

Моносахариды по числу Сп называются п-озы, имея альдегидную или реже кето-группу, наиболее важны триозы (глицериновый альдегид НОСН2СНОНСНО и диоксиацетон НОСН2СОСН2ОН), пентозы (рибоза и рибулоза) и гексозы (глюкоза и фруктоза). Они могут легко восстанавливаться в также сладкие спирты (глицерин, рибит, сорбит), реже- в дезоксисахара (дезоксирибоза входит в ДНК), изомеризоваться в сахариновые и окисляться в т.н. сахарные кислоты — альдоновые, уроновые и сахарные, также могущие выполнять функции в организме.(Для экскреции метаболитов и ксенобиотиков в виде глюкоуронидов важен путь уроновых кислот, образования глюкоруновой и аскорбиновой кислот, и альдоновой — глюконатный или пентозофосфатный (ПФЦ)- альтернативного окисления глюкозы без синтеза АТФ. У диабетиков при повышении глюкозы активируется “путь сорбитола” — получения фруктоза из глюкозы восстановлением НАДФН с альдозоредуктазой в сорбитол, окисляемый НАД с сорбитолдегидрогеназой).

З:Как связаны простейшие углеводы и их производные? Монозе СН2О соответствует формальдегид, ядовитый для большинства организмов (его 40% раствор — формалин), он восстанавливается в метанол и окисляется в муравьиную и угольную кислоты. В большинстве организмов важную роль играют С2-соединения — соответствующий простейшему углеводу гликолевый альдегид НОСН2СНО, восстанавливаемый в гликоль, изомеризуемый в уксусную и окисляемый последовательно в гликолевую, глиоксалевую и щавелевую кислоты. Они т.о. представляют начало рядов сахариновых, альдоновых, уроновых и сахарных кислот. Среди С3-соединений им соответствуют стольже важные молочная (и в-оксипропионовая), глицериновая, тартроновая кислота и ее полуальдегид (образуемый, например, и из глиоксилата — карболигазой, и из гексаровых кислот, и из пуринов). Последние могут восстанавливаться редуктазой в глицерат, триозы и глюкозу. С4-сахарная — винная кислота может получаться окислением фумаровой и превращается в оксалоацетат (дегидратазой) или в глицерат и т.д. Тетрозы встречаются редко (у бактерий), возможно, в связи с циклизацией с дегидратацией в фуран — пиррольные гетероциклы, тогда как С5— и С6-сахара циклизуются без осложнений.

* Составьте таблицу из клеток для всех возможных степеней окисления С1-2-3-4соединений, заполните ее всеми соединениями из учебников биологии и химии и покажите стрелками связи их.  Т.2

Линии \ полиолыдезокси- углеводысахарин. альдоновые уроновые сахарные кислоты
Э1   -оС1   -о ЭНпСН4 ЭНпОСН3ОН ЭНпО2СН2О ЭНпО3НСООН ЭНпО4СО22О
С2-1 -о С2-2 — гликоля Э2Н2п-2С2Н6 этан С2Н5ОНэтанолСН2=СН2 СН3СНОацетальдег.(СН2ОН)2 СН3СООНуксусная к.СНОСН2ОН НОСН2СООН-гликолевая СНОСООНглиоксилат (СООН)2щавелевая
С3-1С3-2С3-3-глицер Э3Н3п-4С3Н8 С3Н7ОНС3Н6D С2Н5СНО(СН2)3Х2 С2Н5СООНС3Н5(ОН)3 глицерин СН3СНОН)СООН молочная СН3СОСООНпировиноградная СН2(СООН)2 малоноваяСНОСНОНСООН НОСН(СООН)2 тартратНОСН(СООН)2  ОС(СООН)2
С4Н10 С4Н9ОН С3Н7СНО С3Н7СООН масляная СН3СН=СНСООН окси СН3СОСН2СООН ацетоуксусная (СН2СООН)2 янтарная НООССН2СН(ОН)СООН яблочная (малат) НООССН2СОСООНоксалоацетат НООССН(ОН)СОСООН (СОСООН)2

Глицериновый альдегид и последующие сахара включают разные заместители у одного атома С, называемого ассиметричным, несовместимы со своим зеркальным отражением и потому существуют в виде оптических изомеров (вращающих плоскость поляризации в разные стороны). В природе почти все сахара находятся в D-форме (но D-глюклза вращает плоскость поляризации вправо, а D-фруктоза — влево), тогда как аминокислоты — в L-форме, возможно, в связи с направлением спирали НК и белков.

Присоединение аминогрупп дает аминосахара, например, глюкозамин для хитина, галактозамин для хряща.

Циклизация у гексоз 5-ОН-группы с С=О дает пиранознное кольцо у альдоз и фуранозное у кетоз (как и у пентоз). Это обычные формы моносахаридов (в растворе открытых доли %) и остатков полисахаридов. При циклизации образуется еще один ассиметричный атом С* — а-изомер с \ОН входит в крахмал, в- с /ОН — в целлюлозу, поэтому ее остатки повернуты на 180о.

Дегидратация сахаров внутримолекулярно может приводить к ароматическим соединениям, при конденсации с другими — к полимерам.  Взаимодействие с другими молекулами углеводов посредством глюкозидной связи, обычно 1-4- между противолежащими ОН дает олиго (2-10-остатков) и полисахариды.

Дисахариды. Наиболее важны сахароза и лактоза — обычный (тростниковый и свекловичный) и молочный сахар. Сахароза состоит из фруктозы и глюкозы, чья альдегидная группа связана в гликозидной связи (нередуцируемый сахар), поэтому инертна и откладывается как запасное вещество растений. К редуцируемым относятся моносахариды, из дисахаридов — лактозы из глюкозы и галактозы, и мальтозы из двух глюкоз, образуемой при переваривании крахмала под действием ферментов — амилаз.  Реакция на редуцирующие сахара — Фелинга или Бенедикта основана на восстановлении ими Сu++в щелочном растворе до Сu+в красном Сu2O.  Полисахариды. Крахмал растений и гликоген животных — разветвленные полисахариды из а-глюкозы, служат резервом пищи и энергии, целлюлоза — линейный из в-глюкозы, составляет клеточные стенки растений (древесина, ткани из хлопка, льна) и не переваривается животными (но расщепляется ферментами бактерий в желудке жвачных). Полисахариды также составляют основу соединительной ткани и хитина — оболочек грибов и насекомых.  Крахмал состоит из линейных цепей амилозы из тысяч остатков глюкозы, могущих компактно спирально свертываться, и вдвое большего амилопектина, ветвящегося за счет 1,6-гликозидных связей. С раствором I2/KI они дают синюю и красно-фиолетовую окраску (проба на крахмал). Крахмальные зерна находятся в хлоропластах листьев и запасающих органах, семенах злаков, клубнях.  Гликоген ветвится еще сильнее амилопектина, встречается в виде гранул у гладкого ЭПР в печени и мышцах позвоночных — местах активного метаболизма, как источник глюкозы для дыхания. Встречается и у грибов.  Целлюлоза — составляет 20-40% клеточной стенки растений, встречается у оомицетов и низших позвоночных. Она занимает первое место среди всех органических соединений, заключая половину всего углерода. Однако ее переваривают только грибы, бактерии и содержащие их как симбионтов животные, включая жвачных. Из нее изготавливают бумагу и х/б-ткани. Ее волокна — цепи из ~10 000 остатков глюкозы за счет водородных связей ОН-групп жестко сшиты в микрофибриллы, а те — в пучки — макрофибриллы, погруженные слоями в матрикс из других полисахаридов — пектинов и гемицеллюлозы. При всей прочности, видной на хлопке — почти чистой целлюлозе, они хорошо пропускают воду и соли, важные для клеток.  Пектины — полимеры галактозы и галактуроновой кислоты (полигалактуроновой — пектиновой) образуют гели, используются для желе. Гемицеллюлозы включают больше пентозы и сахарные кислоты, резервируется в семенах, например, фиников.  Хитин — структурный полисахарид у грибов (опорные волокна) и в наружном скелете членистоногих и других, отличается от целлюлозы заменой 2-ОН на NHCOCH3— то есть представляет поли-ацетилглюкозамин. Из него и близкого состоит муреин прокариот — клеточных стенок бактерий.  Некоторые полисахариды являются антигенами грамм+ бактерий. У животных клеток ими, “узнающими” участками и “смазкой” бывают глико-протеины, гликолипиды, гиалуроновая кислота — из чередующихся аминосахара и сахарной кислоты — содержится в соединительной ткани, синовиальной жидкости — смазке суставов и стекловидном теле глаза. Ей близок и хондроитинсульфат — основной компонент хряща, костной и другой соединительной ткани, роговицы, и гепарин — секретируемый бльшинством клеток ингибитор свертывания крови.

Из других полисахаридов встречаются инулин — поли-фруктоза, резервный у сем.Compositae, георгинов и др., маннан, арабинан (из маннозы и арабинозы) у других, каллоза — аморфная поли-глюкоза с 1,3-гликозидными связями, образуется при повреждении и в ситовидных трубках флоэмы, также защитные камеди и слизи из незамкнутых и часто разветвленных молекул включают сахара (арабиноза, ксилоза, рамноза, галактоза), глюкуроновую и галактуроновую кислоту. “Мукополисахариды” — из дисахаридов с глюкозамином, сахарные спирты и кислоты.

  Липиды— составляют 5-15% массы клеток, в жировых — до 90%, у млекопитающих сосредоточены в подкожно-жировой клетчатке, сальниках, молоке (у дельфинов — до 40%, возможно из-за дефицита воды), мозге и желтке яиц, у растений — в семенах. Основные липиды — жиры — это сложные эфиры глицерина с длинноцепочечными кислотами, также называемыми жирными — от масляной С3Н7СООН до стеариновой С17Н35СООН (\/\/\/\/\/\/\/\/\соон). Они обычно четные, так как строятся из С2-единиц — уксусной кислоты.  При этерификации ими всех трех ОН образуются триацилглицеролы. Твердые обычно называют жирами, жидкие — маслами. Температура плавления их уменьшается при росте ненасыщенности ЖК и важна для функций мембран (у стеариновой кислоты Тпл=70 С, у непредельной олеиновой /\/\/\/\=/\/\/\/\соон — 13 С). У теплокровных больше насыщенных, у холоднокровных и особенно растений — ненасыщенных. Рыбий жир поэтому — жидкий, а кокосовое масло — твердое соответственно температуре среды. Масла обычно накапливаются в хлоропластах, семенах и плодах, промышленно добываются из семян подсолнечника, сои, кокосов.  Эфиры с также длинноцепочечными спиртами — воска — используются как водооталкивающие, образуют защитный слой на кутикуле органов растений, ксерофитов, как хитин, входят в наружный скелет насекомых, покрывают кожу, шерсть и перья, пчелы строят из них соты.

Защитная функция жирового слоя — механическая (от ударов), тепло- и гидро-изоляция — смазка перьев водоплавающих птиц. Киты имеют слой жира до 1 м для терморегуляции, теплоизоляции и обогрева, а составляющий ~треть веса питающихся ниже 1 км кальмарами кашалотов спермацет (до 4 т) за счет изменения плотности при кристаллизации около 30 С поддерживает плавучесть и глубину, заменяя плавательный пузырь. Плотность и температура плавления жира определяются длиной цепей и степенью ненасыщенности синтезируемых жирных кислот триацилглицеролов.

Как связано строение и функции липидов?

Длинные цепи обеспечивают гидрофобность, нерастворимость в воде и высокое энергосодержание. Они связаны и со степенью восстановления и общим происхождением из ацетата. Три гидроксила глицерина позволяют получать много различных, разветвленных структур мембран, при этерификации фосфорной кислотой — фосфолипиды.

Изопреноиды — холестерол, стероидные гормоны и соли желчных кислот, эфирные масла и терпены, каротиноиды, витамины А, Д, Е, К, фитол, каучук и гуттаперча синтезируются также из ацетил-СоА через изопентилпирофосфат. Компактное строение терпенов и стероидов позволяет им служить носителями информации, холестерину — определять подвижность мембран.

При окислении холестерина образуются желчные кислоты (холевая и др., их соли эмульгируют липиды при переваривании), и стероидные гормоны — половые — эстроген, тестостерон, и коры надпочечников (минерал- и глюко-кортикоиды — альдостерон, кортизон), витамин Д — кальциферол, регулирующий обмен Са++ и предотвращающий рахит. Связанные с сахаром в гликозидах они влияют на К+Na+АТФазу и сердце животных — сердечные гликозиды наперстянки и других применяются в медицине. Все стероиды включают С17-фенантреновое ядро с боковой цепью.

Терпены входят в эфирные масла, определяют аромат (камфора, ментол в мяте), включают 2-4 единиц изопрена (С10-20). С20— 4 изопрена включают фитол, входящий в состав хлорофилла, витамин К и гибберилины — ростовые вещества растений. 6 единиц — С30, холестерол, 8 — С40— каротиноиды, тысячи единиц — натуральный каучук.

Сложные, включающие сахара и белки липиды входят в состав клеточных мембран, полярные гликолипиды — в хлоропластах и нервных клетках, миелиновой оболочке. Липопротеины переносятся с кровью и лимфой, служа транспортной формой липидов.

Полярные липиды, включая фосфоглицеролы, сфинголипиды и гликолипиды в строго определенных отношениях встраиваются в клеточные мембраны, начиная с места синтеза — эндоплазматического ретикулума, встраиваясь в его липидный бислой — предшественник мембран аппарата Гольджи, постоянно выделяющего мембранные пузырьки с продуктами секреции, сливающиеся с плазматической мембраной. В митохондрии фосфоглицеролы могут переноситься транспортными белками. Т.о. направляется поток синтезируемых полярных липидов, расщепляемых фосфолипазами г.о. в лизосомах, аномалии их ферментов связаны со многими генетическими болезнями (Тея-Сакса, Фабри, Херлера, Гоше, Крабе).

   Аминокислоты и белки.  С 19 века отличающими жизнь считались белки, включая и ферменты и гены. В начале ХХ века стало ясно, что они состоят из аминокислот, после выделения кристаллического белка — фермента уреазы в 1926 г. Самнером — что это обычные макромолекулы, с 1940-х — их структура.  Каковы строение и функции АК?  Общая формула АК RCH(NH2)COOH, где R- определяет специфику АК, при Н- Гли, СН3— Ала и т.д. Благодаря R= СН2ОН — Сер, например, может образовывать эфиры, фосфорилироваться в белках, -СН2SH — Цис, — окисляется, давая дисульфидные связи -S-S-, дополнительные -NH2(Лиз, Арг) и СООН-группы (Асп, Глу) определяют основные и кислотные свойства, + и — заряды, изоэлектрическую точку (рН нейтральности), взаимодействия белков и т.д. Ионная связь гораздо слабее ковалентной и может разрываться при изменении рН.  NН2— и СООН- группы определяют общие свойства АК, существование биполярных ионов +NН3-СНRCOO- и пептидной связи с другими -NH-CO-. При взаимодействии двух АК путем конденсации с выделением воды образуется дипептид, имеющий также NH2— и COОН-концы и могущий реагировать дальше, образуя полипептиды. Атомы Н в NH и ОН- группах частично несут положительный заряд и притягиваются к электроотрицательным N и О, образуя слабые водородные связи, из-за многочисленности важные для структуры белков.

Пролин и гидроксипролин — иминокислоты, не содержат NH2- группы, не образуют водородных связей и поэтому нарушают обычные а-спирали белков, как и Гли. Гидроксипролин вместе с гидроксилизином входит в коллаген и представляет пример нестандартных АК, не кодируемых и получаемых модификацией основных после включения в полипептидную цепь. В клетках находят еще более 150 АК, не входящих в состав белков. Так, орнитин и цитрулин — промежуточные продукты синтеза Арг и цикла мочевины, у-аминомасляная кислота (ГАМК) играет роль ингибитора нейромедиаторов в ЦНС.

АК разделяются по строению, гидрофобности, заряду, происхождению — из С3, С4 и С5- кетокислот — семейства аспарагиновой, глутаминовой и других кислот. Их можно отразить в таблице на основе степени окисления и длины скелета Сп. Они могут различаться по функциям — например, если часть функций Глу и Асп связана с второй СООН-группой, поэтому кислотностью и — зарядом, то организм использует и их “модификации” без таковых — в Глн и Асн — нейтральных амидах с -СОNH2-группой (поддерживая определенное отношение их. Такое же отношение характеризует и нуклеотиды Ц и У, поэтому превращаемые).

  Азотсодержащие соединения и обмен веществ в организме                                              

Период      А М И Н О К И С Л О Т Ы

Ред-окс: Н —> O ———> 2 О —

 <-+Н  +NAD Углеводы

глюкоза

 +Н-> Липидыне-предел.
С3-оксиг-фильн. T Тре  6

       6.16

С Цис32

/ss1   5.0

S Сер 3                  5.68 G Гли 1

          5.973

<—— глиоксилат  глицерат (триозы)глицераль глицерин+жирные к. ацилглицериды Воск
жирныег-фобны I Иле  8

538      6.02

L Лей 3

538     5.98

V Вал  1

513    5.96

A Ала 1

438    6.01

лактат (спирт) пируват  малонилКо пропионил-АцетилКоА АцилКоАацетоацет неполярны/мевалонат\простагланд
С4 +K Лиз8

511       9.82

М Мет5                          5.7 N Асн 1

336      5.41

D- Асп 1

335      2.77

 <——- малат ->фумарат|<- оксалоацетЦиклТКК С6-цитратаконитат ->(С5Н8-)п :терпеныкаучук
С5- сем. глутамата +R Арг7

Орн485 10.8

P Про 3

486      6.3

Q Глн 1

396      5.65

E- Глу 1

395     3.24

-NH3->  <——- сукцинат сукцКоА < кетоглутарат+СО2 изоцитратоксалосук. Стероидыполярные:сфинголип.
сем.ароматических F Фен10

478      5.48

Y-Тир+1460    5.66 W Трп 5

450      5.89

+H Гис6

385      7.59

         
Нуклеотиды — Основания урацил2-е:У (Т) цитозинЦ аденинА гуанинГ Е: фос форил. Фосфаты АМФ (г,ц,у ФФ

АДФ

цАМФ

  АТФ

ФофолипидСерин-ЭА-Холин-Иноз
Генетический  код Кофермент (витамины нуклеотиды, Н2 аминокислотные-S циклические изопреноиды
Кодоны1-е: У Фен

Лей

Сер Тир

Цис

— |Трп

О:Окс-Ред ФАД+Н2     (В2) Глутатион Флавоноиды  (Р) Убихинон (Q)
Ц(3:УЦ      АГ Лей Про Гис

Глн

Арг (Н-перенос НАД/Ф+Н- (РР) Липоевая к.   (N) Аскорбин.к. (С) нафтохинон (К)
А  УЦ    АГ Иле

| Мет

Тре Асн

Лиз

Сер

Арг

C:R- Пиридоксин (В6 КоА (В3)

SAM1(U

Фолат

ТГФ

ретин(А

пренол

Г  УЦ    ГА Вал Ала Асп

Глу

Гли ОУФ:+СО2 Тиамин

(В1)

Биотин

(Bn)

Пиррольн. (В12) феролы

(Д,Е)

1— Цистин,2— число реакций — ферментов у прокариот,3— pI

Какие аминокислоты незаменимы и с чем это связано?

С трудностью, числом реакций получения — г.о. из кислот ЦТК- и потому со степенью окисления — незаменимы более восстановленные (в таблице слева), получаемые легче из пищи, растений. Заменяя натуральные продукты на химические эквиваленты, Ф.Хопкинс (1906, 1910) открыл незаменимые АК и неравноценность белков (и связь уносивших миллионы заболеваний бери-бери, скорбута и рахита с другими незаменимыми компонентами — см. витамины ниже)

Синтез и распад, обмен аминокислот рассматриваются отдельно. Они — п.в. заменимые образуются из кислот в левой части таблицы — С3- глицерата и пирувата, С4- оксалоацетата, С5- кетоглутарата, ароматические — из С7-углеводов через шикимат. При распаде помимо ацетата (из кетогенных) и С3-4 — пирувата (из глюкогенных) путем декарбоксилирования могут образоваться амины, биологически важные — ГАМК из Глу, ди- и полиамины из Лиз, Арг, Орн, гистамин из Гис, тирамин и дофамин из Тир и Дофа, из них — адреналин и норадреналин, триптамин и серотонин из Трп.

 

Свойства аминокислот суммируются и в состоящих из них полипептидов. Чем определяется заряд полипептидов при разных рН? Вычислите изоэлектрическую точку (рН нейтрализации) миоглобина кита состава

  Белки— гетерополимеры (Мг-104-6дальтон), состоящие из остатков 20 а-аминоксилот (со средним весом -110 и г-0.36 нм), связанных пептидной связью (-NH-CO-).

Белки — важнейшая часть пищи и состава животных, составляя больше половины сухой массы их клеток. Неограниченное разнообразие белков позволяет выполнять им множество основных функций, определять фенотип, кодируясь генотипом. Небольшие белки, например, рибонуклеаза и лизоцим состоят всего из 124 и 129 остатков АК, наиболее крупные — у вирусов, например, ВТМ включает 2130 полипептидных цепей из 336 тыс. остатков (Мг — 40 млн.).  Простые белки называются протеинами, сложные — содержащие небелковую часть, называемую простетической группой — протеидами.Например, липо-, глико- и нуклео-протеиды в качестве простетической группы содержат липид, углевод и НК (например, вирусы, хромосомы и рибосомы), фосфо- и флаво-протеины — фосфат (казеин, вителлин желтка) и ФАД (дегидрогеназы), хромо- и металло-протеины — пигмент и металл, как фитохром, гемо-протеиды, нитратредуктаза. Так, обычные дыхательные пигменты содержат окисляемые металлы:гемоцианин (в плазме ракообразных, головоногих и улиток) — медь, синеет при окислении, зеленый хлорокруонин, бесцветный гемоэритрин и пурпурный гемоглобин — железо, краснеют при присоединении О2 (Без пигментов растворимость О2 в 100 мл крови 0.2 мл, с гемоцианином — 2-8, с гемоглобином — от 2-7 в плазме молюсков и червей, 9, 10 и 11 мл в клетках рыб, рептилий и амфибий, до 18 и 25 мл у птиц и млекопитающих).  Строение белков.Обычно рассматривают 4 уровня организации белков — первичная структура — линейная последовательность АК, вторичная — пространственная, определяемая Н-связями внутри (предложенная Полингом в 1951 г. а-спираль) или вне цепи (в-структура), третичная, определяемая дисульфидными связями и гидрофобными взаимодействиями (см.выше), и четвертичная — при взаимодействии субъединиц.  Первичную структуру белка — гормона инсулина всего из 51 АК (Мг=5733) впервые расшифровал Ф.Сэнгер в 1944-54 гг. (после изобретения распределительной хроматографии — разделения АК в двух растворителях, на бумаге). Замена даже единственной аминокислоты, например, Глу на Вал в гемоглобине, может привести к частичной потере функции его (серповидной анемии). Сравнение последовательностей гомологичных белков разных видов позволяет судить об их общности, таксономическом родстве.  Вторичная структура типа а-спирали — фибриллярная характерна для кератина — структурного белка волос, шерсти, ногтей, когтей и рогов, перьев и кожи позвоночных. Его твердость и растяжимость зависят от степени окисления и сшивки цепей — числа дисульфидных мостиков (при “перманентной” прическе восстанавливаемых и замыкаемых снова). в-слой- складчатый — характерен для глобулярной формы, фиброина из ряда антипараллельных цепей, обеспечивающего гибкость шелка. У фибриллярного белка коллагена три цепи тропоколлагена из ~1000 остатков свиты в тройную спираль и нерастяжимость его важна в сухожилиях, костной и другой соединительной ткани.  Свертывание большинства белков в компактную глобулу называется третичной структурой, а полипептидных цепей — четвертичной. Кроме водородных, ионных и дисульфидных связей их определяют и гидрофобные взаимодействия — неполярных групп, скрываемых внутри.  Так, после открытия в 1953 г. расшифровки дифракционных картин белков при присоединении тяжелых атомов — металлов Кендрью и Перутц с помощью ренгеноструктурного анализа определили структуру миоглобина. Первичная структура его представляет цепь из 153 АК (Мг=16890), вторичная — на 3/4- а-спирали, третичная — компактно свернутая глобула с простетической гемо-группой. Она близка одной в-цепи более сложного — гемоглобина (574 АК, Мг=64458), состоящего из 4 субъединиц, а- и в-цепей из 141 и 146 АК. Их взаимодействие — четвертичная структура определяет био-функции, например, эффект Бора, вытеснение СО22, отсутствующие у миоглобина.  Денатурация и ренатурация белков  При нагревании (например, яичного белка до 65 С), действии кислот, щелочей и солей, органических растворителей (спирт поэтому “дезинфицирует”), радиации и даже механическом движении происходит денатурация, разрушение нековалентных связей, начиная с четвертичной структуры, и белок теряет активность, сохраняя последовательность АК. Но так как вся структура определяется первичной, то может иногда восстанавливаться. Так, в 1960-х Анфинсен показал, что полностью денатурированная рибонуклеаза из 124 АК в солевом растворе сама свернулась и приобрела ферментативную активность (НП-72).  Функции белков:строительная — структурные белки (органоидов, цитоскелета, волос и сухожилий), двигательная (актин и миозин мышц, тубулин микротрубочек), каталитическая — ферменты всех реакций клетки, транспортная (гемоглобин — О2, СО2, мембранные насосы), защитная (антитела — В-лимфоцитов, связывающиеся с чужими — антигенами), регуляторная (гормоны), запасная (запас АК, могущих превращаться в другие белки, глюкозу или кетоновые тела) и энергетическая (обеспечивает 10-15% энергии, образуя Н2О, СО2, NH3— ядовитый и превращаемый печенью11). Они и ферменты подробнее рассматриваются в ч.2. Молекулярной биологии (Второе задание).  Ферменты — биокатализаторы, увеличивающие скорость реакции, не расходуясь в ней. После того как вопреки Пастеру в 1897 г. Бюхнер обнаружил брожение без клеток, выяснили, что для каждого его этапа нужен особый фермент, а в 1926 г. Самнер доказал, что кристаллизованный им белок является ферментом (уреазой). Все ферменты — глобулярные белки (хотя в 1980 открыли и “рибозимы”), соединяясь с субстратом (активным центром) в фермент-субстратный комплекс и осуществляя до миллиона превращений в минуту. Большинство ферментов узкоспецифичны (за исключением ряда гидролитических, общих для типа, например, пептидной связи), что Фишер в 1890 г. объяснял соответствием формы их, как “ключа и замка”. Исходя из данных о динамике, Кошланд в 1959 г., предложил гипотезу “индуцированного соответствия”, с изменением формы фермента- подобно перчатке. В 1967 г. на основе расшифрованной трехмерной структуры фермента лизоцима Филлипс предложил механизм гидролиза им полисахаридов, в 70-х — трипсина и химотрипсина с близкиси активными центрами и функциями Сер, Гис и Асп.

Скорость ферментативной реакции измеряется количеством субстрата или продукта, изменяемым за единицу времени. Она зависит от концентрации фермента, субстрата и ингибиторов, Т и рН. Аллостерическими (от алло- другой) называют ферменты, регулируемые не субстратами, а другими веществами, связываемыми с удаленными от активного центра участками. Так, фосфофруктокиназа гликолиза аллостерически ингибируется АТФ, включаясь при его расходе. Конечный продукт может быть ингибитором (по принципу отрицательной обратной связи) и первого на пути фермента, аллостерическим.

Каковы функции и классы ферментов? В 1961 г. биохимики утвердили номенклатуру ферментов, разделенных на 6 групп по типу катализируемой реакции. Рабочее название включает субстрат, тип реакции и окончание -аза.

Группа Катализ.реакция Схема реакции Примеры Применения
1. оксидоредуктазы перенос Н, О, е- АН+В<=>A+BH

A+O<=>AO

дегидрогеназа, оксидаза глюкозоксидаза- удаление О, каталаза
2. трансферазы перенос С,P, N- AB+C<=>A+BC трансаминаза

киназа

АСТ, АЛТ- диагност.креатинкиназа
3. гидролазы гидролиз на два AB+H2O<=>AOH+BH липаза, пептидаза протеазы,амилаза
4. лиазы негидр. присоед.-отщепление RCOCOOH<=>RCHO+CO2 декарбоксилаза, альдолаза,фумара
5. изомеразы перестройки AB<=>BA мутаза глюкозо-изомераза
6. лигазы соед.за счет АТФ X+Y+ATP<=>XY +ADP+P синтетазы

Как ферменты применяются в промышленности?

Из ред-окс ферментов глюкооксидаза и каталаза широко применяется в пищепроме, виноделии, производстве напитков, молока для удаления кислорода, глюкозы, Н2О2, стабилизации цитрусовых терпенов, также используются нитрат- и диацетил-редуктазы, алкогольдегидрогеназа из дрожжей, в резиновой промышленности каталаза применяется наоборот, для получения кислорода для превращения латекса в губчатую резину. Однако абсолютное большинство применяемых ферментов — гидролазы — амилазы, пектиназы, целлюлазы — для удаления или осахаривания полисахаридов, осветления соков, фильтрации, в хлебопекарной — для СО2, танназы — для удаления полифенолов в пивоварении, липазы — в производстве сыров и жирных кислот гидролизом масел, для аромата. Больше же всего используются протеазы — в пищепроме — для обеспечения азота для брожения, пепсин, трипсин — в производстве “готовых каш” и детского питания, в фармацевтике для пищеварения, папаин — в пивоваренной и мясной — для регулирования пены и мягчения мяса, добавки к зубным пастам (для удаления налета), в сыроделии, для свертывания молока в казеин применяется реннин, бактериальные протеазы — в получении гидролизатов, кормов, текстиля- для извлечения шерсти из шкур, в кожевенной для отделения волоса и смягчения кожи, фицин — в фотографии для смывания желатины.

В иммобилизованном виде применяется, например, глюкозо-изомераза для конверсии в фруктозу, эстеразы для производства терпеновых эфиров — запахов, липазы — для взбивания и эмульгирования яичных продуктов, получения триацилглицеролов из кормов (межмолекулярной этерификацией), в-галактозидаза и протеазы для стабилизации молока.

Белки в отличии от других биомолекул синтезируются только на матрице ДНК — генах.

В типичной клетке содержится более 500 различных ферментов (чаще — более 1000), минимальный геном типа микоплазмы — столько же генов.

Согласно данным Celera Genomics геном человека состоит из 39192 белок-кодирующих генов, из определенных функций включая -1/7 ферментных:656 оксидоредуктазы, 610 трансферазы, 1227 гидролазы (4% всех), 117 лиазы, 163 изомеразы, 56 лигазы, 313 синтетазы и синтазы, 868 киназы; еще 7.5% — 2308 составляют ферменты, обслуживающие НК, 1850 — факторы транскрипции и т.д.

Также приводились данные по числу генов органов и тканей человека — из 30 тыс. больше всего связаны с системой воспроизводства ( по -2 тыс. — эмбрион и матка, по 1.2 тыс. — простата, яичко, 500 и 370- яичник и семенник), 3.2 тыс. — мозг, по 2 тыс.- печень, легкие, порядка 1 тыс. — сердце, железы — щитовидная, поджелудочная, селезенка, молочные, устилающие клетки, кисть и т.д.

  Нуклеиновые кислоты— полинуклеотиды. Нуклеотиды состоят из трех частей — азотистого основания, сахара — пентозы и остатков фосфорной кислоты. Если сахар — рибоза, то кислота называется рибонуклеиновой (РНК), если дезоксирибоза — дезоксирибонуклеиновой (ДНК) — из-за замены ОН на Н она более инертна и используется для хранения генетической информации. В НК обычно встречаются 4 основания — 2 пурина — аденин или гуанин, и 2 пиримидина — цитозин или урацил — в РНК, или тимин (метилурацил) — в ДНК. При конденсации с сахаром они образуют нуклеозиды, а те с Н3РО4— нуклеотиды. Нуклеотиды конденсируются реакцией фосфата одного с сахаром другого, полинуклеотиды связаны фосфодиэфирными мостиками между 3` и 5`- сахаров.   Нуклеиновые кислоты назвали так из-за обнаружения в ядрах клеток (Мишер, 1868), но рассматривали их как инертную часть нуклеопротеидов до открытия в 1940-х Эвери и другими изменения генетических свойств пневмококков с помощью ДНК — роли генетической информации (ранее связываемой с белками).  В 1947 Э.Чаргафф сообщил, что количество 4 нуклеотидов в разных ДНК различно, в 1951 г. — что количества А и Т, Ги Ц примерно равны — у человека — 30.9 и 29.4 А и Т, 19.9 и 19.8 Г и Ц, у пшеницы — 27.3 и 27.1, 22.7 и 22.8, у дрожжей 31.3 и 32.9, 18.7 и 17.1, у Е.соli 24.7 и 23.6, 26 и 25.5 (хотя у бактериофага фХ174 24.6 и 32.7, 24.1 и 18.5). Уотсон и Крик предположили, что ДНК состоит из двух спиральных полинуклеотидов, удерживаемых спариванием этих оснований в соседних цепях за счет Н-связей, и может определять удвоение (Тогда Л.Полинг, установив а-структуру фибриллярных белков, собирался установить ее и у ДНК. Рентгенограммы М.Уилкинса говорили в пользу спирали с периодом 0.34 нм. Оборот спирали приходится на 3.4 нм- 10 оснований). Число пуринов и пиримидинов, как и размер пар их поэтому постоянны, цепи комплементарны и последовательность нуклеотидов одной цепи определяет другую, может быть матрицей для образования другой.  Т.о. структура была связана с функцией на молекулярном уровне, а ген из таинственного стал реальным “молекулярным” объектом и основой современной молекулярной биологии. Предполагают, что и все другие свойства живых организмов (движение, чувство, память) могут быть полностью поняты на молекулярном уровне (или на более фундаментальном, например, электронном, по Сент-Дьерди). При весе п.н. 660 для среднего белка из 300 АК нужна ДНК 660х3х300=6х105и т.о., по Уотсону, из ее веса можно оценить число белков и веществ в ее клетке ~10-6M, например, для бактерий с порядка 109— порядка тысячи генов и белков (минимальный геном порядка 500) — и большинство их мы уже знаем.  Помимо НК нуклеотиды входят в коферменты — АТ-Д-ТФ, цАМФ, СоА, НАД, ФАД и др.  Для работы многих ферментов нужны небелковые “кофакторы”, могущие быть неорганическими ионами (могущими изменять форму ферментов), “простетическими группами” типа гема, ФАД или коферментами.

Что такое коферменты и витамины?

Большинство реакций и ферментов (кроме 3 и 4 классов, гидролизующих) функционируют с помощью коферментов — малых молекул, обратимо выполняющих соответствующие реакции (ред-окс — НАД+ и НАДН, ФАД и ФАДН2, переноса и т.п.). Они поэтому необходимы, но часто не синтезируются и дефицитны, вызывая болезни — авитаминозы.

Витамины часто являются основой или предшественником коферментов (РР — против пеллагры — никотиновая кислота — не синтезируется животными, но необходима для никотинамида и НАД, рибофлавин, В2— ФАД и т.д.). Витамин С — аскорбиновую кислоту (от скорбут — цинга, потребность ~0.1 г в сутки) большинство животных синтезирует сами. Название вит-амины связывало их с жизненно важными аминами, но многие (А, С, Д и другие) не содержали азота. Исторически еще Гиппократ лечил куриную слепоту печенью, цингу описал летописец 8 крестового похода Жуанвиль, англичане в 17 веке лечили ее лимонами, рахит — рыбьим жиром. Марзари в 1803 г. связывал пеллагру с неполноценностью питания кукурузой, Ф.Мажанди в 1816 г. установил невозможность нормального роста животных, “если они получают только основные поддерживающие жизнь вещества — сахар, маслообразные и альбуминоидные вещества”. В 1880-х тоже показал Н.Н.Лунин и К.Такаки, лечивший бери-бери, Х.Эйкман создал ее модель на курицах, излечиваемых фактором рисовых отрубей (1897) (она вывела из строя 1/6 японской армии, а цингой болело полмиллиона русских). Польский биохимик Казимир Функ в 1912 г. сформулировал “теорию витаминов” и “авитаминозов” (разделив с Эйкманом НП-29) — вопреки убежденности всех в связи всех болезней с бактериями, по Пастеру. Выделенный им фактор — “витамин В” — тиамин стал первым выделенным в чистом виде и синтезированным (Р.Ульямс, 1936). Позже выдвинули идею антивитаминов (Боас, 1926) и метаболизируемых в активные провитаминов, типа А — каротинов.

Какое значение может иметь отсутствие синтеза коферментов и витаминов? Поскольку они функционируют циклически, необходимы в крайне малых количествах, и из-за специфики и сложности синтеза выгоднее получать их из пищи, экономя гены и ферменты. Это же позволяет бороться с синтезирующими их микроорганизмами — например, первое антибактериальное средство — сульфаниламиды действуют благодря подобию аминобензойной кислоте — составляющей фолата, кофермента обмена С1-фрагментов, заменяя его у бактерий, но не у получающего фолат готовым человека.

Как важнейшие коферменты можно рассматривать нуклеотиды и АТФ.

Каковы строение и функции АТФ?  АТФ- аденозинтрифосфат — нуклеотид из аденина, рибоза и трех остатков Н3РО4. Он выступает в роли г.о. “энерговалюты”. За счет гидролиза связи полифосфатных остатков выделяется энергия ~40 кДж/моль и она называется макро-эргической, столько же требуется для обратной реакции синтеза — фосфорилировании:АТФ+Н2О<=> АДФ+ Н3РО4+40 кДж. Чтобы потенциал, гидролиз АТФ не сводился к выделению тепла необходимо сопряжение, обычно путем переноса части АТФ (к нуклеофилу — нуклеофильного замещения у одного из трех атомов фосфора. При реакции концевого Ру освобождается АДФ, внутреннего Ра- пирофосфат и аденилат, реже затрагивается средний Рв с переносом пирофосфата и освобождением АМФ, еще реже- С5’ — с освобождением триполифосфата). Так, синтез ацетил-КоА требует +35 кДж/моль и осуществляется по схеме СН3СОО- +АТФ=СН3СО-ОФ+АДФ, СН3СOOФ+СоАSH -> CoA-S-COCH3+Ф.

Роль как химического субстрата — для других нуклеотидов, Гис, полинуклеотидов (возможно — де-ароматизации, фотореакции). С реакционноспособностью и возможностями конденсатов вида (HCN)5+(CH2O)5мог быть связан и выбор аденозина как носителя “макроэргических” связей фосфора. Аденозиновый фрагмент может служить “ручкой”, связываемой с белками-катализаторами; их несут и другие НТФ, КоА, НАД, ФАД. УДФ-глюкоза участвует в метаболизме сахаров, ЦДФ-холин — в синтезе фосфолипидов, ацетил-АМФ — в синтезе ацетил-КоА. Группы сахара и фосфатов могут давать ионные и водородные связи с белками.

Т.о. энергия АТФ используется для большинства процессов клетки — синтеза, движения, тепла, потенциалов и импульсов, свечения, сопряжена с энергией /\Н+ через Н+АТФазу. Энергию для фофорилирования поставляет дыхание или фотосинтез (в митохондриях и хлоропластах, по схеме :солнечная энергия ->АТФ<=дыхание=> органические вещества ->рост). Около половины энергии при этом обычно не запасается в АТФ, связаны с изменением концентраций или теряется, рассеивается в виде тепла. При концентрация в клетке ~0.04%, в клетках мышц~0.5% общее количество — десятки грамм его должны расщепляться тысячи раз.

Задачи:1. Сколько АТФ нужно при 50% запасании энергии пищи — 2 Мкал/сутки, с какой частотой обновляется? (46 кг — 2/3 веса, за минуты)

  1. Какая энергия нужна для синтеза АТФ в печени при физиологической концентрации ее, АДФ и Ф 3.5, 1.5 и 5 мМ, при стандартных (1М) /\G=7.3 ккал? (11 ккал/моль).
  2. Концентрация АТФ и креатинфосфата в мышцах ~8 и 40 мМ, насколько хватит их спринтеру при расходе 300 мкмоль/мин на 1 г мышц. Как возможен длительный бег? (1.6 и 8 с, за счет расщепления глюкозы, АК и ЖК).

1.3. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ  Организмы разделяют по способу питания, источникам вещества и энергии. Источником энергии может быть световая или химическая — соответственно у фото- и хемо-трофов (от греч. troph — питание). Поскольку органическое вещество — соединения углерода, то важнейшим является источник углерода — другой органический у гетеротрофов и неорганический — СО2— у автотрофов. Среди главных царств живого растения являются фотоавтотрофами, животные и грибы — хемогетеротрофами, питающимися за счет растений(гетеротрофны и клетки растений без хлорофилла, паразитических цветковых, например, повилики (Cuscuta). Миксотрофные организмы типа эвглены совмещают оба типа. К фотогетеротрофным относят некоторые бактерии, например, пурпурные несерные, к хемоавтотрофным — азотбактерии типа Nitrosomonas).Гетеротрофы питаются готовыми органическими веществами мертвых остатков (сапротрофы) или живых организмов (паразиты). Важнейшими сапротрофами являются бактерии гниения и брожения, расщепляющие соответственно азот- и углерод-содержащие вещества. Они возвращают неорганические NH3, H2S, CO2 в атмосферу, энергия расщепления поддерживает их жизнедеятельность, может вызывать воспламенение сырой соломы, зерна.  При дыхании всех организмов выделяется СО2, путем фотосинтеза превращаемый в органические соединения. Это составляет основные потоки обмена веществ, углерода и энергии организмов и биосферы, важные для экологии (раздел 5).  Источники энергии хемотрофов связаны с геохимическими циклами и круговоротами вещества в природе, с окислением и восстановлением элементов разных групп Периодической системы Менделеева — серы, азота, водорода, железа и марганца — у серо-, азот-, железо-бактерий. К ним близки и использующие неорганические соединения углерода — С1— от СН4и СН3ОН до СО, НСООН и СО2, метанобактерии. Изменение степени окисления их возможно от ЭНп до НпЭО4, где 8-п — номер группы. Бактерий соответственно разделяют на окисляющих и восстанавливающих (редуцирующих).  Так, бесцветные серобактерии (например, Thiobacillus) окисляют сероводород (-2) до серы (0) или, при его недостатке, до сульфата (+6):H2S+1/2 O2= S + H2O +136 кДж, +3/2 O2—>H2SO4+318 кДж. Нитрифицирующие бактерии — аммиак NH3(-3) до +3,+5: NH3+3/2 O2=HNO2+H2O+332 кДж (Nitrosomonas), далее +1/2 O2-> HNO3+ 71 кДж (Nitrobacter), тогда как азотфиксирующие восстанавливают атмосферный азот N2(0) до -3 — аммиака NH3и аминогрупп АК, денитрифицирующие — обратно. Водородные бактерии окисляют водород Н2+1/2 О22О+118 кДж, другие — образуют водород, железобактерии — окисляют Fe+2в+3(+81 кДж).  Хемосинтез поэтому важен для экологии и кругооборотов азота и серы (1.21). Образуемая серная кислота разрушает горные породы, каменные и металлические сооружения, выщелачивает руды. Серобактерии также применяются для очистки сточных вод, окисления до сульфатов, водородные — для пищевого и кормового белка, регенерации атмосферы. Железобактерии образуют залежи Fe(OH)3, болотную руду.  Пластический обмен всегда должен основываться на соединениях углерода и если хемотрофы используют для энергетического другие соединения, то большинство и все эукариоты — те же соединения углерода. Поэтому у них пластический и энергетический обмен неразрывны.  Обмен вещества и энергии, обеспечивающий сохранение жизни, включает диссимиляцию — расщепление и ассимиляцию — синтез составляющих организма из поступающих извне и изнутри.Пища должна превращаться в вещества организма, хотя не содержит большинства их, должных синтезироваться им, из простейших (так микробы могут все строить из глюкозы, ацетата, даже С1- и минеральных солей и в каждой клетке, нпаример, ~1 мкм с 10-12г — 1012а.е. E.coli содержит тысячи их, как и генов и белков. Однако при большем разнообразии они растут лучше — на глюкозе E.coli удваивается при 37оза час, при добавке АК и пуринов-пиримидинов — за 20 мин (но при 20оза 2 ч), а для большинств же животных и человека необходимы и другие. Синтез углеводов и жиров больше связан с энергетическими затратами, других липидов и белков, тысяч ферментов — с обновлением мембран и компонент, согласно геному).Расщепление обычно связано с окислением и выделением энергии, и синтез поэтому требует затрат энергии и восстановителей (1.4).  Расщепление сложных веществ до общих низкомолекулярных (могущих служить источником обратного синтеза сложных) обычно включает 3 этапа:1- подготовительный — расщепление полимеров до мономеров, полисахаридов до моносахаридов — глюкозы, белков до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот (гидролитические ферменты — амилазы, пептидазы и липазы, например, находятся у человека в пищеварительном тракте). 2 — бескислородный распад глюкозы, сопряженный с образованием АТФ в цитоплазме клеток. При гликолизе расщепление глюкозы до 2СН3СНОНСООН дает ~200 кДж/моль и запасается 2 АТФ, порядка 2х40/200 или 40%. 3- окисление в митохондриях, включает еще три стадии. На первой пируват из глюкозы, аминокислоты (через пируват и С4-5-кислоты) и жирные кислоты окисляются до активного ацетата, на второй — в цикле Кребса до СО2и Н2О, восстанавливая переносчики НАД+ и ФАД до НАДН и ФАДН2, окисляемых на третьей стадии в дыхательной цепи кислородом с образованием АТФ.  Что такое дыхание, анаэробное и аэробное?  Дыхание является основным источником энергии, получаемой за счет окисления. Помимо физиологического — вдыхания О2с выделением СО2легкими (называемого внешним или газообменом), оно означает и окисление на молекулярном уровне (называемое внутренним, тканевым или клеточным) и даже внутримолекулярное, не требующее внешнего окислителя — в анаэробных условиях, открытое Пастером.  Какие преимущества имеют аэробное и анаэробное дыхание? При “анаэробном дыхании” не нужен внешний окислитель и организация обеспечения им, поэтому микроорганизмы могут экономить органеллы, ферменты и гены, а крупные организмы, в т.ч. человек — получать энергию гораздо быстрее, для быстрой реакции и выживания. Но при аэробном дыхании возможны гораздо большие окисление, энергия и множество субстратов. Поэтому у человека и позвоночных анаэробный гликолиз включается лишь на короткое время при необходимости, например, беге на 100 м — когда кислород не успевает обеспечить ткани. Для этого существуют и быстрые и медленные мышечные волокна, работающие за счет анаэробного гликолиза и аэробного дыхания (различаемые и цветом — как белое и красное мясо и рыба — так как для обеспечения кислородом нужен железо-содержащий гем, митохондрии и миоглобин — красного цвета).  (После Лавуазье думали, что кислород непосредственно окисляет органические соединения, но большая часть реакций биоокисления идет без О, путем дегидрогенирования, как предположил в 1912 г. Виланд).  Первые стадии аэробного дыхания совпадают с анаэробным, сводясь к дегидрогенизации — отнятию водорода окислительными коферментами (НАД+ и ФАД). В соединении с белками они образуют активные ферменты, а далее передают Н (или е-, Н+) другим коферментам и кислороду (т.о. подобно ферментам не расходуясь).  Глюкоза в анаэробном процессе гликолиза расщепляется до двух молекул пирувата по суммарной реакции:С6Н12О6+ 2НАД+ +2АДФ+2Н3РО4=2СН3СОСООН + 2НАДН+2Н+ + 2АТФ.  Если кислорода не достаточно, то для возвращения окислителя НАДН может восстанавливать пируват до молочной кислоты и НАД+ может реагировать с глюкозой снова. В результате она расщепляется с образованием двух молекул АТФ и молочной кислоты:НАДН+СН3СОСОО- + Н+=СН3СНОНСООН+НАД+. Эта реакция происходит в мышцах. Раньше их утомление и боль объясняли накоплением молочной кислоты (но т.к. при искусственном возбуждении мышцы усталость не мешала, ее связали с недостатком питания нейтронов), она должна удаляться с кровью и превращается позже в печени обратно в глюкозу. Таже реакция лежит в основе скисания молока, приготовления молочнокислых продуктов, квашеной капусты. Молочная кислота может декарбоксилироваться до этанола (СН3СНОНСООН=СН3СН2ОН+СО2), образуемого и из пирувата СН3СОСООН ->CH3CHO -[H]->CH3CH2OH.  Эта реакция при процессе брожения (Гей-Люссак, 1810) лежит в основе приготовления вина и алкогольных напитков. В 1837 г. установили, что она требует живых организмов — дрожжей, Пастер установил химические и физиологические функции микроорганизмов, в т.ч. анаэробную жизнь — что кислород не нужен для распада глюкозы (и что кроме спирта образуются молочная кислота и глицерин). Он считал ферменты только живыми, но в 1897 г. Бюхнер обнаружил брожение и без живых клеток, в экстракте дрожжей, после этого подробно изученное. Мейергоф обнаружил, что в мышце без кислорода гликоген через глюкозу также превращается в молочную кислоту и стало ясно единство биохимии и энергетики живого, связанное и с эволюцией.  В отличии от факультативных анаэробов типа дрожжей для облигатных анаэробов типа редуцирующих бактерий или клостридий — возбудителей ботулизма, столбняка кислород вообще губителен.  Количество АТФ, образуемого при гликолизе, оказалось гораздо меньше образуемого в анаэробных условиях. Это означает, что кислород окисляет пируват и НАДН далее, до СО2и Н2О. Этот процесс можно разделить на три этапа — окислительное декарбоксилирование пирувата до “активного ацетата” (ацетил-КоА, где КоА- кофермент ацилирования), цикл Кребса (ЦТК) и цепь переноса электронов (окислительного фосфорилирования). Суммарные реакции имеют вид:1. СН3СОСООН+ КоА+НАД+=СН3СО-КоА+ СО2+НАДН+Н+.2. СН3СО-КоА+3НАД+ +ФАД+АДФ+Н3РО4+3Н2О= 2СО2+ КоА+3НАДН+Н+ +ФАДН+АТФ(условно:СН3СООН+2Н2О=2СО2+8[H], для глюкозы:С6Н12О6+6Н2О= 6СО2+4АТФ +24[H]3. 4[H]+O2=4Н+ +4е- +О2=2H2O, или 24[H]+ 6О2=12Н2О +34АТФ.  Детали расщепления, катаболизма этих и других соединений довольно сложны.  Какая энергия выделяется при расщеплении глюкозы и почему?  Энергия примерно обратно пропорциональна степени окисления С, ~ числу Н, но так как в ряду СН4-> СН3ОН -> СН2О -> НСООН-> СО2энергия каждой стадии растет, возможен выигрыш энергии, например, за счет перехода от СНОНСНО — групп сахаров к СН2СООН группам кислот (Е=200-150=50 кДж/моль), достаточный для синтеза АТФ. Поэтому в реакции Глюкоза ->2 лактат+2Н+, /\G=-47 ккал/моль, тогда как Глюкоза+6О2->6 СО2+6Н2О, /\G=-686 ккал/моль (2880 кДж/моль).  Какое количество АТФ получается из молекул глюкозы, лактата, пирувата, ацетата?  Образование АТФ происходит при окислении [H]-коферментов в дыхательной цепи, обычно из 1 НАДН получается 3 АТФ (см.далее, 1.33). Из ацетата поэтому образуется 12 АТФ (экв.4 НАДН как из СН4+СО2), из пирувата еще НАДН — 15, из лактата еще НАДН — 18, но 1 тратится на АцСоА (1300 кДж/моль выделяется, 585 рассеивается), из Ала с затратами и на вывод азота — 15 АТФ, из глюкозы 2х18+2=38. В стандартных условиях (1 М) выход 38х7.3/686=0.4 или 40%, но при реальных концентрациях (<<1 М) ближе 80%.  В разных тканях число АТФ может различаться, т.к. НАДН гликолиза из цитоплазмы может пройти через мембрану митохондрий только с помощью переносчиков (челночного механизма, т.о. окисляющего Н цитоплазмы, предотвращая накопление молочной кислоты), передающих [H] либо НАДН- в клетках сердечной мышцы, либо флавопротеину — в мышечных и нервных клетках, и в них из ФАДН2образуется 2, а из глюкозы — 36 АТФ.  Как может использоваться пируват? Как осуществляется окисление до ацетата?  Пируват — важное промежуточное соединение, объединяющее различные пути метаболизма. Он может превращаться в разные соединения, обратно в углеводы и аминокислоты, и получается при их окислении. В митохондриях он окисляется, соединяясь с коферментом ацилирования — КоА в ацетил-СоА и СО2(В пируватдегидрогеназный комплекс входит 3 фермента и 5 коферментов, связанных с необходимыми человеку витаминами — тиамин (ТРР), рибофлавин и никотинамид (в ФАД и НАД), липоевая и пантотеновая кислота (СоА)).  Как происходит окисление ацетата, в цикле Кребса?  В 1930-х Сент-Дьерди обнаружил, что прибавление С4-кислот — янтарной, фумаровой, яблочной и щавелеуксусной вызывает поглощение кислорода в 7 раз больше, чем нужно для полного сгорания их. Кребс нашел, что они, а также С6— лимонные и аконитовая кислоты, и С5— кетоглутаровая стимулируют и окисление пирувата, во много большем количестве, и что оно ингибируется малонатом с накоплением сукцината, кетоглутарата и цитрата. Щавелеуксусная же конденсировалась с ацетатом в лимонную. Т.о. эти кислоты могли образовать цикл, обнаруженный во всех тканях (Кребс разделил НП-53 с Липманом, “отцом” АТФ-цикла).

?:Как средство борьбы с грызунами применяется фторацетат, встречающийся в природе в африканском растении. При его действии уменьшалась концентрация всех полупродуктов ЦТК кроме цитрата (увеличилась в 10 раз). Почему? Смертельно ли отравление?

Превращение С4-кислот:сукцинат — фумарат — малат — оксалоацетат подобно пути в-окисления жирных кислот (с СООН вместо СН3)- и завершает его- для ацетата.  Зачем нужен такой цикл? Предельная СН3-группа ацетата окисляется только в жестких условиях, поэтому выгоднее соединить ее с другим, СО-группой для более легкого окисления (ОН-группы). Возможны и другие схемы расщепления, показывающие общее и различие реакций в разных комбинациях.  В глиоксилатном цикле изоцитрат расщепляется не до С5+ СО2, и не обратно в оксалоацетат+ ацетат, а в сукцинат и глиоксилат (соединяемый с ацетилом в малат, окисляемый обратно в оксалоацетат), В результате ацетат конденсируется в сукцинат и может далее превращаться в глюкозу и служить не только “топливом”, но и источником скелета углеводов. (Интересно, что впервые циклический механизм — для окисления дегидрогеназами предложил еще в 1920 г. Турнберг, включая подобную конденсацию 2СН3СООН -[O]->(СН2СООН)2и далее -О-> фумарат -Н2О-> малат -О-> оксалоацетат -О-> СО2+ пируват -О-> СО2+ СН3СООН (ацетат) — обнаруженные позже. В этом смысле цикл Кребса может считаться вторичным).  Где важен глиоксилатный цикл? Животные не имеют изоцитрат-синтазы и малат-лиазы и получают углеводы иначе. У растений же до фотосинтеза — в прорастающих семенах жиры через ацетат в глиоксисомах (разновидности пероксисом, содержащих каталазу) превращаются в глюкозу и целлюлозу, до израсходования. Кроме того, глиоксилатный цикл может пополнять запасы С4-кислот — катализаторов ЦТК, т.к. они могут использоваться в других реакциях.  Какое значение еще имеет ЦТК и где используются его соединения? Кроме энергетического, ЦТК имеет большое биосинтетическое значение. Оксалоацетат и кетоглутарат превращаются трансаминазами в Асп, Глу и АК их семейств. Аммиак т.о. выводит кислоты из ЦТК и может быть поэтому сильно токсичен. Для функционирования ЦТК их запасы должны пополняться (вспомните опыты Сент-Дьерди). Это обеспечивается т.н. анаплеротическими (“пополняющими”, по Корнбергу) реакциями, например, из тех же аминокислот или пируват-карбоксилазой (СН3СОСООН+ СО2+АТФ+Н2О<=> НООССН2СОСООН+АДФ +Н3РО4, /\G=-0.5 ккал/моль) — подобной используемой для фиксации СО2С4-растениями (1.43).  Какие еще продукты могут получаться из глюкозы? Окисление глюкозы может давать и другие продукты — например, сахарные кислоты и их производные, пентозы и восстановители — если вместо гликолиза осуществляется пентозофосфатный путь (шунт). Он может давать в разных клетках 10-90% энергии расщепления углеводов при дыхании.

Т.н. фосфоглюконатный или пентозофосфатный цикл (ПФЦ) используется для получения рибозы для нуклеотидов (коферментов и НК) и восстановителя НАДФН. НАДФ+ окисляет глюкозо-6ф до 6ф-глюконата и далее рибулозо-5ф, изомеризуемый в рибозо-5ф (НОСН2(СНОН)4СНО -> НОСН2(СНОН)4СООН -> C5Н10О5+СО2). Пентозы также могут перегруппироваться обратно в глюкозу, как в цикле Кальвина при фотосинтезе (1.4). Также может образоваться глицеральдегид-3ф для гликолиза и ЦТК. В итоге ПФЦ дает 36 молекул АТФ и имеет меньше реакций и ферментов, чем в гликолизе и ЦТК. В жировой ткани этот путь обеспечивает НАДФН для восстановления ацетилКоА до жирных кислот, синтеза липидов, в эритроцитах — для защиты ненасыщенных ЖК мембран и Fe++ гемоглобина от окисления, а при наследственных болезнях с нарушением дегидрогеназ ПФЦ гемолиз, разрушение мембраны эритроцитов приводит к анемии (у миллионов людей Африки и Азии).

Глюкоза через УДФ может окисляться и в глюкуронат СНО(СНОН)4СООН (входящий в полисахариды (1.22), соединительные ткани, способствующий обезвреживанию чужеродных веществ). Он восстанавливается в изомерный глюконату L-гулонат и окисляется, через циклизацию его в гулонолактон, в аскорбиновую кислоту С6Н8О6. У человека, обезьян и морской свинки нет гулонолактон-оксидазы и аскорбат они должны получать с пищей, как витамин С (Вероятно, она нужна как восстановитель, окисляясь в дегидроаскорбиновую кислоту. Она участвует в гидроксилировании Про в коллагене и без нее соединительная ткань разрушается — при цинге — скорбуте).

Какие углеводы еще могут вступать в гликолиз, с чем связаны первые стадии его?  Гликоген сначала фосфорилируется в глюкозо-1-фосфат, как и галактоза, далее в 6-фосфат, как и глюкоза, тот — в фруктозо-6-фосфат, как и фруктоза и манноза, далее через главный регулятор — фосфофруктокиназу (ингибируемую АТФ и цитратом и стимулируемую АМФ) и фруктозо-1.6-бифосфат распадается на 2 глицеральдегид-3-фосфата (могущих получаться и триозокиназой — из триоз и связанных с глицератным путем).  Как используются дисахариды? Сами по себе они не способны включаться в гликолиз, без гидролиза ферментами кишечника до гексоз, всасываемых в кровь- например, сахароза при введении в кровь не утилизируется. У многих групп населения из-за дефекта лактазы кишечника молочный сахар — лактоза не переваривается и не всасывается, вызывая понос — и они не употребляют молока. Гораздо реже встречается галактоземия с отсутствием фермента УДФ-глюкозы, превращающего галактозу из лактозы молока в глюкозу и 1-фосфат.  Использование жиров  Жиры дают гораздо больше энергии, чем углеводы. Способность животных запасать углеводы, гликоген мала и избыток их запасается в жирах. Поэтому когда требуется наибольший запас энергии, например, впадающие в спячку животные и перелетные птицы почти 100% энергии получают из жиров; человек в развитых странах — до половины. Скелетные мышцы при наличии глюкозы и жирных кислот также предпочитают последние.

У человека при весе 70 кг 15% приходится на триацилглицеролы. Сколько энергии т.о. запасается и как долго можно прожить при потреблении 2 Мкал в сутки, сколько теряется веса? (95 Мкал, 48 дней, теряя по 227 г в день).

При участии ферментов — липаз жиры сначала гидролизуются до жирных кислот и глицерина (фосфорилируемого и дегидрируемого НАД+ до триоз-фосфатов, глицеральдегидфосфат через путь гликолиза и ЦТК дает 17 АТФ, в сумме 20-1=19 АТФ). Жирные кислоты путем в-окисления дают гораздо больше, например, стеариновая — 147 АТФ, и покрывают половину энергозатрат мышц скелета, сердца, печени и почек.   Как углеводы превращаются в жиры? Промежуточные триозы, глицеральдегид может и восстанавливаться до глицерина и окисляться через пируват до ацетил-СоА. Если количество ацетилСоА превышает возможности ЦТК, избыток его направляется на синтез жиров или, при потребности в энергии, кетоновых тел.

При диабете больные вместо глюкозы окисляют жиры. У них, как и у голодающих и при кетозе скота возможен запах ацетона. С чем это связано?

СН3СО-СоА конденсируется в ацетоацетат, могущий восстанавливаться в СН3СНОНСН2СООН и ацетон СН3СОСН3+ СО2. Эти т.н. “кетоновые тела” используются для переправки энергии с кровью в другие ткани, где обратно превращаются в ацетил и окисляются в ЦТК.

Каковы общие этапы окисления ЖК и ацетата (ЦТК)? 1-3 этапы в-окисления аналогичны превращениям сукцинат — фумарат — малат — оксалоацетат в ЦТК, далее транскетолазы отщепляют от CnH2n+1COCН2СООН (в ЦТК- наоборот, присоединяют) ацетат и цикл повторяется с Cn-2H2n-3CO-SCoA до С2— или С3-ацил-КоА.

Так как почти все ЖК в организме — четные (от масляной СН3СН2СН2СООН до пальмитиновой и стеариновой С16-18), то предполагалось их образование и распад через С2-фрагменты. Это доказал в 1904 г. Кноп, впервые использовав “меченые” соединения — присоединив к цепи ЖК фенил. При скармливании меченых ЖК собаке он обнаружил в моче образование 2 разных соединений — бензойной кислоты (точнее, ее конденсата с Гли — гиппуровой) из нечетных и фенилуксусной из четных кислот. О чем это говорит?  Ленинджер обнаружил, что для реакции кислот и ацетата необходим АТФ и что окисление их идет в митохондриях.

Каково уравнение окисления пальмиата? Требуется 7 разрывов и коферментов ФАД, НАД+ и КоА, а т.к. из ФАДН2и НАДН получается 2 и 3 АТФ, то всего C15Н35СО-SCoA+ 7 CoASH+ 7O2+35(ADP+H3PO4)-> 8CH3CO-SCoA+35ATP+42H2O. Т.к. из ацетил-СоА в ЦТК образуется 12 АТФ, то всего из пальмиата — 8х12+35=131 АТФ, 1 затрачивается для Ацил-СоА.

Как окисляются нечетные ЖК? Отщепление С2-фрагментов у них заканчивается не С2— ацетил-, а С3— пропионил-СоА. Пропионат образуется также из АК и при брожении у жвачных и используется необычно — карбоксилируется до метилмалоната (не по С3, а по С2, причем с “неправильной” стороны, возможно, свидетельствуя о необходимости всех изомеров для организма), изомеризуемого с участием В12в сукцинат. При неспособности этого превращения и недостатке В12возникают болезни.

Использование аминокислот и белков  При недостатке энергии из других источников, при голодании и диабете, неспособности использования сахара окисляются и АК из белков (Основную массу их составляют мышцы, поэтому уменьшающиеся). Для превращения в обычные метаболиты АК дезаминируются в оксокислоты, в зависимости от вида далее превращаемые как жирные кислоты или углеводы — пируват. Это окислительное дезаминирование — у позвоночных в печени — отщепляет от них аммиак и 10-15% энергии их тратится на вывод его — азота в цикле мочевины.

Сначала все АК трансаминируются с кетоглутаратом в кетокислоты и Глу, т.о. собирающий аммиак, выполняющий коллекторную функцию:RCH(NH2)COOH +HOOC/\/COCOOH <=>RCOCOOH +HOOC/\/CH(NH2)COOH. Глу — единственная АК, способная отщеплять аммиак. NH3 токсичен, вызывает кому (возможно, из-за обратной реакции с кетоглутаратом ЦТК, млекопитающие не переносят его с>0.02 мг/100мл крови) и обезвреживается в печени Глу с образованием глутамина Глн (-COOH +NH3<=> -CONH2+ H2O), а из мышц переносится, образуя из пирувата Ала — одновременно с С3, идущим на глюконеогенез, возобновление углеводов.

В каком виде выводится азот у различных видов животных? Ввиду токсичности аммиак может использоваться только при избытке воды — у простейших, кишечнополостных, ракообразных и пресноводных костистых рыб, удаляясь в жабрах. Морские животные сталкиваются с проблемой получения пресной воды, наземные — сохранения ее. У других — пластиножаберных рыб, земноводных и млекопитающих он обычно обезвреживается в виде мочевины. Однако она повышает Росм, для вывода ее с мочой также нужно много воды и для птиц, рептилий, брюхоногих и насекомых выгоднее выводить азот в виде твердой, малорастворимой мочевой кислоты (образует залежи гуано, используемые как удобрения). Эти три типа экскреции называют аммонио-, урео- и урико-телией. В виде мочевой кислоты выводятся и нуклеотиды, пурины млекопитающих и человека (у пауков, свиней может выводиться сам гуанин и аденин), у большинства других фермент уриказа окисляет ее далее в аллантоин, у некоторых рыб — до аллантоевой кислоты. Как может изменяться форма вывода с развитием, в разных условиях? Например, живущие в воде головастики выводят азот с аммиаком, но при переходе на сушу, у лягушек образуются ферменты цикла мочевины.

Как образуется мочевина? Было известно, что одна АК — Арг может превращаться в орнитин и мочевину, но так как ее количество было гораздо меньше выводимой мочевины, то Кребс предположил циклический механизм и обнаружил каталитическое действие, увеличение скорости образования той при добавлении орнтитина, цитрулина и аргинина.

Нарушение каждой стадии этого цикла мочевины обнаруживается в соответствующих болезнях.

Азот выделяется также с креатинином, пропорционально массе мышц (2% образуемого в печени из Арг, Мет, Гли креатина), гиппуровой кислотой (при детоксикации фенолов, бензоата Гли).

Скелет 20 АК может превращаться в ацетил -СоА через глутарат или ацетоацетат (кетогенные) или пируват, в кислоты ЦТК и пропионат (глюкогенные).

Как аминокислоты распадаются и какие могут превращаться в глюкозу (глюкогенные)?

Малые кислоты (С2-4) распадаются до пирувата (Ала, Сер, Цис, Гли, Тре) или оксалоацетата (Асп, Асн), Глн, Про, Арг и Гис — через Глу до кетоглутарата — кислот ЦТК, Мет, Вал, Иле — как нечетные — через пропионат и сукцинат, все они могут превращаться в глюкозу. Кетогенными называют превращающиеся в ацетоацетат — ароматические Фен, Тир (также дающие фумарат и потому и глюкогенные), Трп, Лиз (через глутарат) и Лей. (Обычно измеряют содержание гликогена в печени животного после голодания. Увеличится ли оно, если дать ему пропионат, бутират, глутарат, лизин, лейцин?)

Связь и регуляция расщепления и синтеза.  Глюконеогенез.

В присутствии кислорода анаэробный путь подавляется. Пастер заметил, что потребление глюкозы в присутствии кислорода резко падает — при аэробном пути ее нужно гораздо меньше. Этот эффект Пастера объясняется регуляцией и подавлен в поврежденных и раковых клетках, по Варбургу, “возвращающихся” к более простому гликолизу.

Как регулируется окислительное фосфорилирование? Согласно общему уравнению перенос е- требует АДФ и фосфата, обычно избыточного. Поэтому потребление кислорода митохондриями лимитируется АДФ, в состоянии покоя мало и растет при потреблении энергии — АТФ с образованием АДФ (т.н. акцепторный контроль дыхания, его коэффициент — отношение потребления О2 максимального и в покое — 10 у человека, 100 при взлете мухи. Его нарушение может вызываться генетическим дефектом, когда дыхание всегда сильно.

Известно “динамическое действие пищи” — усиление дыхания через 0.5-1 ч после еды, у белков — на ~15%> углеводов >жиров:Чем это может объясняться? Белки отличаются наличием аминокислот и вывод азота из них в цикле мочевины требует большого расхода АТФ (-15% общей энергии их). При этом образуется много АДФ, увеличивающего дыхание.

При большей мышечной работе кислорода не хватает для окислительного фосфорилирования и пируват восстанавливается в молочную кислоту — возникает т.н. “кислородная задолженность” — поскольку потом кислород окисляет ~1/5 ее до СО2 и Н2О, используя энергию для восстановления остальной в глюкозу, превращаемой в гликоген печени и мышц (Время этого превращения и есть период О-задолженности).

Анаэробный метаболизм важен для крупных и глубоководных животных, в связи с недостатком циркуляции О2, для быстрых движений. Запас гликогена в мышцах невелик и в них накапливается лактат. Кислородная задолженность соответствует количеству О2для синтеза АТФ для пополнения израсходованного запаса гликогена в мышцах. Если спортсмену для восстановления после бега достаточно полчаса, то аллигатору после броска — многочасовой отдых. Аналогичное длительное восстановление нужно слонам, китам — и динозавры т.о. могли уступить мелким животным. У глубоководных обитателей метаболизм преимущественно анаэробный, у некоторых морских позвоночных глюкоза сбраживается до этанола и СО2.

? Почему во время бега на 400 м концентрация лактата в крови подскочила с 30 до 200 мкМ, через 20 и 60 мин составила 100 и 40 мкМ? Скачок гликолиза, пирувата и НАДН увеличивает концентрацию лактата, превращаемого в глюкозу через пируват более медленно. Стационарная концентрация лактата определяется сдвигом лактатдегидрогеназной реакции.

 

Восстановленные тем или иным путем коферменты могут идти либо на обратное восстановление и синтез органических соединений, либо окисляться кислородом в дыхательной цепи для получения АТФ, энергии. В организме 90% О2восстанавливается в конце ее — цитохромоксидазой(остаток — ди- и моно-оксигеназами. Монооксигеназы требуют два субстрата для 2 О, обычно это гидроксилазы (АН+ВН2+ О2=А-ОН+В+ Н2О), включая МАО и цитохром Р-450, гидроксилирующий и стероиды и лекарства, повышая растворимость и способствуя выведению).

  Окислительное фосфорилирование.  На последнем этапе окисления водород и электроны переходят от органических соединений через ряд переносчиков — НАДН, ФАДН2, Q, цитохомы и цитохромоксидазу к кислороду, а энергия запасается в АТФ.

Переносчики электронов, как и АТФ-синтетазы и почти все дегидрогеназы ЦТК находятся во внутренней мембране митохондрий — матриксе (в 1 митохондрии печени может быть более 10 000 цепей переноса и АТФ-синтетаз, в сердце — втрое больше, они составляют 3/4 массы мембраны). Перенос электронов означает окислительно-восстановительные реакции и ред-окс пары (аналогичные кислотно-основным — донорам-акцепторам протонов) и может осуществляться разными способами — прямой перенос, например, между парами Fe2+-Fe3+и Cu+-Cu2+:. Fe2++Cu+2=Fe3++Cu+, перенос в составе Н или Н- в НАДН (АН2+В=ВН2+А) или при прямом взаимодействии с О2:СН4+О=СН3ОН. В дыхательной цепи сначала переносится водород, потом — только электроны (цитохромами, содержащими пары Fe+2/+3), а Н+ поступают в окружающую среду, востребуются позже). Каждая ред-окс пара характеризуется своим потенциалом, для Н+/Н2принимаемым 0 (при рН=7 -0.41 В). При переходе пары е- от пары НАДН/НАД+ с Е=-0.32 В к паре Н2О/1/2О2с Е=+0.82 В /\G=-nF/\E=-2×23062 (0.82- -0/32)=-52.6 ккал. Для синтеза 3 АТФ достаточно 3х7.3=21.9 ккал. В цепи переноса более 15 ред-окс-групп, многие неясны.

Коферменты бывают общими для разных классов реакций, для множества субстратов и ферментов.

НАД+ выполняет эту (обобщающую — коллекторную) функцию, собирая восстановительные эквиваленты от разных субстратов (глицеральдегид и лактат в цитозоле, пируват, изоцитрат, кетоглутарат и малат, 3-гидроксиацил-СоА и глутамат в митохондриях) в общей форме НАДН. Далее они передаются флавинзависимой НАДН-дегидрогеназе, восстанавливая ФМН до ФМН-Н2и далее убихинон — кофермент Q, также собирающий Н и от других флавинзависимых дегидрогеназ — сукцинат- и ацил-СоА. Далее — цитохромы вплоть до аа3 — цитохромоксидазы (кроме железа содержащей Си+-Си++), способной передавать 4 е- О2, захватывающим из среды 4Н+ и восстанавливаемым до 2 Н2О.  При неполном восстановлении О2, при присоединении 2 е- образуется Н2О2, 1 е- супероксид-радикал О2-. Они могут реагировать с ненасыщенными ЖК, повреждая мембраны и потому очень токсичны. Аэробные клетки разрушают их с помощью ферментов супероксиддисмутазы и каталазы:2О2— +2Н+=Н2О22, 2Н2О2=2Н2О+О2. Сейчас с такими — т.н. активными формами кислорода (АФК) связывают множество нормальных и патологических процессов, в т.ч. старение и апоптоз, запрограммированную смерть клетки (Интересно, что жуки-бомбардиры научились накапливать Н2О2в железе с гидрохиноном, в момент опасности смешивая их и выстреливая кипящую струю хинона во врага).  Существуют ингибиторы разных этапов переноса е-:ротенон — яд индейцев блокировал участок от НАДН до убихинона, антибиотик антимицин А из Streptomyces и снотворное амитал- до цитохрома с, цианид, как и СО и H2S — цитохромоксидазу. На этих трех этапах энергия переноса е- передается АТФ-синтетазе, как предполагали путем сопряжения химического (типа гликолиза, но “высокоэнергетических” промежуточных продуктов не обнаружили), конформационного или хемиосмотического — с синтезом АТФ за счет осмотической энергии градиента Н+, выкачиваемого при переносе е- из матрикса наружу.  Хемиосмотическое сопряжениеОкислительное фосфорилирование требует целостности — замкнутости мембраны, непроницаемой для ионов, а вещества, могущие переносить Н+ или друние катионы через мембрану, разрывают связь переноса е- и синтеза АТФ (т.н. разобщители и ионофоры типа динитрофенола и валиномицина. Их пробовали использовать для борьбы с ожирением, но обнаружили токсичность).  Митчел предположил, что при работе е-транспортной цепи протоны поступают изнутри, из матрикса, а освобождаются снаружи — из-за расположения принимающих и отдающих их ферментов (наличие присоединения и отдачи Н каждым переносчиком может использоваться для разделения их в пространстве), а фермент образования АТФ+Н2О освобождает протоны изнутри — откуда они удаляются переносчиками, а ОН- снаружи, где ОН- связывается с Н+, сдвигая фосфорилирование по закону действующих масс.  В уравнении 3 [H] обозначает связанный с НАД, ФАД водород, разделяемый на электроны и протоны, переносимые переносчиками электронтранспортной цепи мембраны. Благодаря ее ассиметрии протоны переносятся в одну сторону, в митохондриях — из матрикса в межмембранное пространство, создавая электрохимический градиент протонов, включающий 2 компонента — мембранный потенциал и рН -больший заряд и кислотность вне:Dmн+=Dy-ZDpH (Dycоставляет ~75%). Он может использоваться для выполнения полезной работы — осмотической, механической, для транспорта веществ (в т.ч. АДФ, АТФ через мембрану, против градиента их концентрации. — также как и АТФ) и для синтеза АТФ — посредством Н+-АТФаз, расположенных на той же мембране. При разности потенциалов 0.2 В протоны проходят по каналу Н+АТФазы снаружи во внутрь, синтезируя АТФ из АДФ+Ф.  Менее ясно, как перенос е- переносит Н+. Митчелл предположил, что Н- и е- переносящие цепи чередуются, образуя три “петли”. В каждой 2Н переносятся наружу, 2Н+ идут в окружение, а 2е- переносится обратно. Однако чередование пока неясно, а на каждую пару е- в петле переносятся 3-4 Н+, возвращаемые с каждой АТФ. Неясно, и как поток Н+ создает ковалентную связь АТФ.  Т.о. клетка имеет две взаимопревращающихся формы энергии — АТФ и Н+.  Для каких целей может использоваться перенос е- и Н+?- биосинтеза (АТФ и др) — химической работы- для выработки тепла:у новорожденных и впадающих в спячку около шеи есть жир, бурый из-за цитохромов множества митохондрий. Их мембраны имеют поры для Н+, минующих АТФазу и энергия рассеивается в виде тепла.- для транспорта АТФ и АДФ (адениннуклеотид-транслоказой, ингибируемой атратилозидом из ядовитого для скота чертополоха), ионов фосфата (фосфат-транслоказой) и кальция (т.о. митохондрии поддерживают низкую концентрацию Са++ (10-7 М), важнейшего регулятора. Рост ее усиливает мышечное сокращение, распад гликогена и окисление пирувата. Поскольку митохондрии накапливают и фосфат и Са++, они могут быть началом био-кальцинирования. В митохондриях печени внутренняя мембрана также содержит транспртные системы для переноса моно (пирувата), ди- и три-карбоксилатов, Асп и Глу.- для механической работы:вращения жгутиков бактерий  У аэробных бактерий переносчики е- и механизмы сопряжения находятся в плазматической мембране и они выкачивают Н+ наружу (это подтверждает гипотезу о происхождении митохондрий от них). “Протонные насосы” вращают их жгутики. Аналогичен и механизм в хлоропластах.  Чем отличается процесс фотосинтеза?  В фотосинтезе реакция направлена обратно, на получение восстановителей и О2 за счет энергии света — в аналогичной электронтранспортной цепи. Сходство световых реакций и дыхания подчеркнул Арнон, показавший в 1958 г., что изолированные хлоропласты на свету могут синтезировать АТФ, НАДФН (и О2), а в их присутствии СО2 восстанавливается даже в темноте. Он предсказал, что фотофосфорилирование также должно сопрягаться с переносом электронов в мембранах. ФОТОСИНТЕЗ  Суммарная реакция фотосинтеза 6СО2+6Н2О= С6Н12О6 + 6О2 — была установлена уже в 18 веке.

В 1941 г. с помощью радиизотопов выяснили, что кислород выделяется не из СО2, а из воды:СО2+2Н218О-hv-> [CH2O]+18O2+H2O. Тогда же Ван-Нил показал, что фотобактерии используют СО2 вообще без выделения О2, требуя только источник водорода (например, Н2S ->S+2H вместо Н2О->2Н+1/2О2). Т.о. доказали, что фотосинтез включает 2 стадии — фотолиз Н2О с выделением ненужного О2 и 2Н, используемых во второй стадии — восстановления СО2 до углеводов. Световые реакции идут в тилакоидах, а темновые в строме хлоропластов.

В световой фазе квант света возбуждает электрон хлорофилла, могущий возвращаться с флуоресценцией (красным свечением) или отрываться акцептором электрон-транспортной цепи, т.о. восстанавливаемым. Т.о. световая энергия переходит в химическую, а та — в электрическую и осмотическую и обратно путем переноса е- на поверхность (-) и сопряжения с переносом протонов из стромы внутрь тилакоида и обратно — с синтезом АТФ. Концентрация Н+ растет за счет расщепления Н2О и окисления переносчика пластохинона внутри мембраны. При обратном возвращении протонов в строму по градиенту синтезируется АТФ (АТФ-синтетазой). В конце пара электронов и Н+ присоединяются к переносчику НАДФ+ :НАДФ+ +2Н+ +2е- =НАДФН+Н+ (переходящий в строму). “Дырки” хлорофилла отрывают е- от Н2О через ряд переносчиков (Мп и др.) с фотолизом воды:2Н2О=4Н+ +4е- +О2. Т.о. световая энергия затрачивается на образование АТФ и пары сильных восстановителя НАДФН и окислителя — О2, могущего использоваться для дыхания или выделяться в биосферу.

На деле обнаружилось поглощение двух частей света разной длины, две световые реакции и две фотосистемы и е- движется по т.н. Z-схеме. Р690 (ФС11) восстанавливается е- воды с образованием О2, а Р700 — е- вниз от акцептора Х до Н+НАДФ, а энергия запасается в АТФ. При циклическом же фосфорилировании е- от У снова возвращаются на Р700, отдавая энергию АТФ.

В 1939 г. Р.Хилл обнаружил, что изолированные хлоропласты могут высвобождать кислород в присутствии окислителя — акцептора е-, отличных от природного НАДФ (Например, голубой краситель дихлорфенолиндофенол обесцвечивался по реакции

ДХФИФ (окисл.- синий) -(свет,хлоропласты) -> ДХФИФхН2+ 1/2О2.

Темновые реакции не требуют света. В них в строме хлоропластов АТФ и НАДФН используются для восстановления СО2 до уровня органических веществ (от -СООН-группы кислот до (СН2О) и (СН2)- групп углеводов и жиров. По теории Байера, 1870, это определяет и изменение вкуса от кислого к сладкому по мере созревания плодов). В 1946-53 эти реакции исследовал Кальвин и др. (НП-61) с помощью нового радиоизотопа С14.Культуру одноклеточной хлореллы выдерживали с14СО2 разное время, быстро фиксировали спиртом, разделяли путем хроматографии на бумаге и определяли путем радиоавтографии — наложенная фотопленка засвечивалась на радиоактивных местах. За минуту с СО2 синтезировались многие сахара и кислоты, АК, но за 5 с — г.о. фосфоглицериновая (глицерат, а также дифосфаты и гексозомонофосфат), через 15 с — триозофосфат и яблочная кислота.  На первой стадии СО2 фиксируется рибулозодифосфат-карбоксилазой:СО2+ ФОСН2СО(СНОН)2СН2ОФ -> ФОСН2СОСНОНС(СООН)ОНСН2Ф ->2 ФОСН2СНОНСООН. Фосфоглицерат восстанавливается до глицеральдегида — триозы и конденсируется в глюкозу, с сумарной реакцией 2С3+АТФ+НАДФН+Н+ =С6Н12О6 +АДФ+ НАДФ+Н3РО4, далее в полисахариды, крахмал или целлюлозу. Он также может превращаться в жиры, Серин и другие кислоты или возвращаться в цикле Кальвина в С5 — рибулозобифосфат.  В тропических растениях (кукуруза, сахарный тростник) СО2 связывается через ФКП-карбоксилазу в С4 — яблочную кислоту и продуктивность выше.

Древнейшие формы фотосинтеза находятся у фотосинтезирующих бактерий, обитающие в воде и влажной почве, серных источниках и т.д. Они имеют ферменты цикла Кальвина, но не способны использовать как субстрат воду и выделять кислород. Темновая фаза происходит в цитоплазме и место пластид у них занимают тилакоиды — впячивания цитоплазматической мембраны, содержащие фотосинтезирующие пигменты — бактериохлорофиллы а, b, c, d, e и бактериофитин, вместо Mg содержащий 2Н. Каротиноиды их также отличаются от имеющихся у растений и водорослей.

В качестве доноров электронов зеленые бактерии могут использовать H2S, S, S2O3—, а пурпурные — органические кислоты, спирты и др.:6СО2+ 12Н2S -hv-> C6H12O6 +6H2O +12 S, 6CO2+ 4S+16H2O -hv-> C6H12O6+6H2O+4H2SO4. Углеводы могут быть и не главным продуктом. Получившиеся соединения могут быть субстратами хемотрофных бактерий, продуцирующих питание и фототрофным — т.о. они могут сосуществовать.

Считают, что первые фотосинтезирующие — зеленые бактерии могли произойти — 3 млрд.лет назад от анаэробных сбраживающих и дали начало пурпурным серным фотосинтезирующим бактериям, из которых произошли пурпурные несерные и циано-бактерии, использующие воду как последующие водоросли и высшие растения.

Сравнение фотосинтеза у прокариот и эукариот

Характеристики бактерии сине-зеленые растения- эукариоты
Хлоропласты нет есть
Мембраны выросты

-без стопки

по всей толще

в хлоропластах

в стопках, граны

Фотосистема II нет, без О2 есть,выделяет О2 — есть,выделяет О2
Донор водорода разные,не вода — вода
Главный пигмент Бакттерио- Хлорофилл — Хлорофилл
Фикобилины нет есть только у красных в.

З: Каковы химическое строение и функции пигментов растений?

Основными пигментами, участвующими в фотосинтезе, являются хлорофиллы а и b (у высших растений b втрое меньше а) голубовато- и желтовато-зеленого цвета (максимумы поглощения 660-643 и 420-435 нм). Вспомогательные пигменты, могущие передавать хлорофиллу а энергию квантов света 400-576 нм — каротиноиды и фикобилины (различаемые степенью окисления). Каротиноиды (от углеводородов — каротинов- до каротинолов- ксантофилов) определяют желтую окраску листьев осенью — после разрушения скрывающего их хлорофилла). Фикобилины — названные по аналогии с желчными пигментами — билинами типа билирубина — включают красные фикоэритрины (позволяющие улавливать свет на глубине красным водорослям) и голубые фикоцианины (и аллофикоцианины) у цианобактерий на поверхности.

Все живое на Земле зависит от фотосинтеза. Фотосинтез дает энергию (в т.ч. используемого человеком ископаемого топлива), углерод и кислород. Он включает в биосферу -1% доходящей до растений энергии Солнца (до поверхности доходит половина, из нее лишь четверть подходит для фотосинтеза и ~0.4% их используется для прироста биомассы), образуя более 150 млрд. т сахара в год (1 г/м час), необходимого для всех организмов, гетеротрофов. Вклад же химической энергии — хемотрофов гораздо меньше. Большая часть извлекаемых 150 млрд. т СО2 или 75 — углерода в год приходится на водоросли, на наземные растения — 20 млрд.т в форме СО2 (1.3 т/га). В год они поглощают 3% СО2 атмосферы и 0.3% СО2 воды, столько же выделяется при дыхании живого. По другим данным, в океане, г.о. фитопланктоном фиксируется и высвобождается 40 млрд.т, на суше — 35, при дыхании редуцентов выделяется 25, растений и животных — 10 млрд.т, еще 5- при сжигании ископаемого топлива, увеличающего концентрацию СО2.

Исследование фотосинтеза важно не только для СХ. Возможно получение пищи из более урожайных фотобактерий и водорослей. А если бы удалось смоделировать первые стадии фотосинтеза, фотолиз воды с выделением водорода и кислорода, то человечесвьо получило бы неисчерпаемый источник энергии.

Какие факторы влияют на фотосинтез?

Скорость химических процессов лимитируется наименьшим фактором (Блэкмен, 1905). Разные факторы, например, освещенность, концентрация СО2 и температура могут взаимодействовать между собой и вместе лимитировать процесс. Лимитирующим при затенении является свет, в обычных условиях — СО2 (при кратковременном действии оптимум 0.5%, при длительном — 0.1%, поэтому в теплицах обогащают СО2. Более эффективно используют СО2 т.н. С4-растения. Они лучше экономят и воду — тогда как даже небольшой недостаток воды, особенно увядание, снижает урожайность (закрываются устьица). Количество хлорофилла может уменьшаться при заболеваниях, хлорозе — пожелтении листьев, при недостатке необходимых элементов — Mg, Fe, N, K, света. Промышленные газы, особенног сернистый и озон сильно повреждают листья (в загрязненных местах потери оценивают в 15%). Специально для подавления фотосинтеза создают различные гербициды — например, дихлорфенилдиметилмочевина (ДХММ) шунтирует нециклический перенос е- и т.о. световые реакции (позволив лучше изучить их). Избыток кислорода и “фотодыхание” также ингибирует фотосинтез.

Дыхание растений — идет параллельно фотосинтезу, на свету выделяя О2в 20 раз больше поглощаемого, в темноте только поглощая.  Фотодыхание — поглощение О2с выделением СО2, не имеющее никакого отношения к обычному (“темновому”) дыханию и снижающее потенциальную урожайность обычных (С3) растений на 30-50%.

В 1920 г. поняли, что кислород обычно подавляет фотосинтез, но только в 1971 г. выяснили причины. Оказалось, что фиксирующая СО2рибулозо-бифосфат-карбоксилаза может реагировать и с О2, расщепляя С5 не на 2 фосфоглицерата, а на фосфо-глицерат и гликолат (как оксигеназа). Поэтому кислород оказывается конкурентным ингибитором фиксации СО2(особенно в солнечную безветренную погоду, когда концентрация СО2у листьев падает до 0.005%). Образовавшийся гликолат в фотодыхании частично превращается в глицерат — окисляется в пероксисомах до глиоксилата, аминируется в Гли, окисляемый в митохондрии в Сер с потерей СО2— ранее фиксированного. Для избежания потерь предлагали уменьшать содержание О2, повышать — СО2до 0.1-0.5%, но это выгодно лишь для теплиц, встроить в С3-растения гены С4.

В 1965 г. обнаружили, что у сахарного тростника СО2 фиксируется сначала не в С3 (глицерат), а в С4-кислоты (малат, Асп). К С4-растениям относится и кукуруза, просо, амарант). А Хэтч и Слэк показали, что С4-растения поглощают СО2 гораздо эффективнее (до 1 части на 10 млн, при 1:10 тыс. С3) и углерод не теряется на фотодыхание, хотя выше расход энергии (в тропиках избыточной). Путь Хэтча-Слэка включает ФЕП-карбоксилазу, оксалоацетат восстанавливается в малат или Асп и через плазмодесмы переходит в хлоропласты обкладки и превращается в пируват (возвращаемый за счет 2 АТФ), НАДН и СО2, фиксируемый обычным С3-путем. С4-растения тратят меньше воды, закрывая устьица. По существу в них природа разделила различные составляющие и функции хлоропластов в пространстве :в мезофилле граны крупные и активна ФС2 с выделением О2 и АТФ, в обкладке — нет, но зато концентрируется РБФК с фиксацией СО2 и крахмала. Аналогично возможно и разделение во времени:у растений семейств Crassula и других СО2 поглощается ночью в С4-кислоты, днем отдающие его для восстановления (Crassula Acid Metabolism — CAM). Поэтому они могут закрывать днем устьица, максимально сберегать воду и жить в пустынях.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА   №1. Вариант 1 (из вопросов, задаваемых на экзамене)1. Какие виды энергии используются в клетке? С какими функциями организмов они связаны и как? На открытие закона сохранения энергии врача Майера натолкнуло наблюдение изменения цвета крови моряков на юге. С чем это связано? Какие пигменты используются для дыхания разными организмами?2. Какие двигательные функции важны клетке? Как работают жгутики бактерий и животных, актин и миозин? Какую энергию человек затрачивает на движения?3. Чем различается состав неорганического и органического, мертвой и живой клетки, растений и животных, травоядных и плотоядных?4. Какова роль минеральных веществ и микроэлементов в организме?5. Что определяет осмотическое и онкотическое давление, буферные свойства, что такое физиологический раствор?6. В чем общее и различие липидов, жиров и масел; крахмала, гликогена и целлюлозы; гемоглобина и миоглобина?7. Сколько АТФ использует человек, для чего и из чего получает, в каких условиях? Как рассчитать КПД гликолиза и кислородного пути распада?8. В чем общее дыхания и фотосинтеза? Каковы масштабы и КПД их?

  1. Сравните С3, С4 и САМ-метаболизм, С3- и С4-растения, приведите примеры их.

10.* В какой форме может выделяться азот и почему? Какие возможны нарушения обмена азотсодержащих соединений? С чем связана незаменимость их? Что такое фенилкетонурия, падагра, желтуха?

Вариант 2. (Из вопросов олимпиад и учебников для высшей школы)

1. Что определяет круговорот углерода в природе, с какими факторами он связан, какой больше определяет первичную продукцию в океане?2. Какой вклад в круговорот азота вносят различные типы организмов? Какие способы выделения азота имеют преимущества? Что общего у циклов азота и NO?*3. С чем связаны стадии анаэробного и аэробного распада, какие соединения включают?2. Как различные классы соединений могут объединяться в общих реакциях метаболизма? Так, в расщеплении аминокислот объединяющую, коллекторную функцию играет глутамат. С чем это связано?3. Как могут быть связаны обмен и накопление углеводов и жиров (у растений и животных)? Почему толстеют от мучного?8. Какой типы фотосинтеза могут быть эволюционно древнее и какие преимущества имеют? Как он организуется и разделяется в пространстве и времени?9. Кислота, названная Лавуазье сахарной (почему?), отлагается в кристаллах внутри клеток, сильно окислена, но при самоокислении-восстановлении до СО2 через НСООН может давать глиоксилат и далее глицерат, триозы и гексозы. Напишите эти реакции. Какие сахарные кислоты используются в организме?

  1. Как связаны пути метаболизма жирных кислот, аминокислот и нуклеотидов?

 

Вариант 3. (Вопросы научного плана)

  1. Как открытия новой химической роли живого Пастера были связаны с открытием им связи оптической активности соединений с жизнью? Как объясняет это современная наука? (Установив связь оптической ассиметрии с нарушением симметрии в слабых взаимодействиях, в-распаде, могущих определять и ассиметрию Вселенной в целом, по А.Д.Сахарову. Т.о. источники и жизни и мира могут быть одним, как у греков).
  2. Зачем нужны калийные удобрения? Вернадский выдвигал гипотезу о связи биологической роли калия с его естественной радиоактивностью (К40). Укажите доводы за и против, как можно это проверить?

С чем может быть связано положительное действие радиации?

  1. Какое значение может иметь множество — более 10 переносчиков дыхательной цепи, петель Митчелла? Что определяет число протонов, получаемых при переносе электронов? Можно ли преобразовать их в большее количество электронов? Как можно получить больший потенциал из меньшего, “обратный поток электронов” из АТФ, связать биофункции с “центром высокой энергии”, с гипотезой Вернадского (З.2)? Сравните трансформацию энергии в цепи и обычном трансформаторе.
  2. Как традиционный цикл 4 качеств и элементов может быть связан с природой жизни? Предложите гипотезу возникновения энергопреобразующих систем и жизни при запасании энергии с испарением воды днем и присоединением ночью. Как полифосфаты могут быть связаны с транспортом, накоплением и регуляцией веществ клеткой?
  3. Какой может быть концентрация Са++ внутри клетки в связи с концентрациями других ионов? Насколько изменится потенциал и энергия гидролиза АТФ при проникновении его из среды с [Ca++]=10-3 М, при 10-7 М внутри. Са++ играет роль триггера, возбуждая АТФазную активность миозиновых головок и т.о. сокращение мышц. Когда нервные импульсы прекращаются, содержащая полифосфаты Са++АТФаза переносит его из саркоплазмы в цистерны ретикулума и мышцы расслабляются. Предложите механизм действия. Как минерализация может быть связана с митохондриями? Как зависит движение и деполимеризация актина от концентрации Са++ и др.
  4. По Аристотелю, опадение покрова как листьев растений, так и волосяного животных, равно объясняются недостатком влаги, особенно характерной для вечнозеленых маслянистой. Причина выделения хвойными маслянистых веществ считается неизвестной. Предложите свою гипотезу, могут ли они использоваться для сохранения и получения воды.
  5. Н.Н.Мушкамбаров [9,3,1086] из роста энергии окисления в ряду типа СН4-СН3ОН -СН2О- НСООН- СО2 (-114 -186 -246 -270 кДж/моль) предложил вывод энергий и закономерностей всех биохимических реакций. Как из этого вывести энергию гликолиза и других реакций, объяснить анаэробную жизнь? Как можно проверить и обобщить этот закон?
  6. Составьте таблицу всех возможных степеней окисления углерода в соединениях с разной длиной цепи*. Заполните ее всеми производными углеводов (1.23). Можно ли в нее поместить все встречающиеся в школьных учебниках химии и биологии химические соединения? Ю.А.Жданов (1977) предложил описывать химические соединения и реакции через меру информации (энтропии) их. Как она изменяется при превращениях углеводов? Как можно связать с этим и построенной таблицей закон Мушкамбарова?
  7. Различные организмы используют реакции окисления-восстановления элементов 4, 5, 6 и 8 групп. Приведите примеры для каждой группы. Какие функции эти реакции выполняют? Рассмотрите гипотезу аналогичных реакций с элементами 7 группы, приведите доводы за и против. Какие организмы могут использовать их и как их найти?
  8. Поскольку реакции окисления-восстановления элементов разных групп аналогичны, можно предположить аналогию и механизма действия их. Можно ли сравнить механизмы действия, например, NO (образуемого из N-3 и N+5, например, аргинина и нитроглицерина) и одноуглеродных фрагментов в разных степенях окисления, переносимых тетрагидрофолатом, у метанобактерий? Из соединений 6 группы аналогично NO на кровяное давление, видимо, влияет родан. Предложите возможный план исследования.

 

-вариант 2. Предложите собственные задачи.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.

Понятие энтропии и свободной энергии Гиббса, направления и константы равновесия реакций