WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 12 |

К природным макромолекулам относятся макромолекулы белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот.

2.1. Белки.

Белки — это высокомолекулярные соединения, содержащие большое число фрагментов аминокислот, а также некоторое количество других химических соединений.

Белки делятся на простые и сложные. При полном гидролизе простых белков образуются только аминокислоты, а в случае полного гидролиза сложных белков – и другие вещества [10, 11].

Первичная структура — последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи — образуется за счет пептидных связей.

Вторичная структура — способ укладки полипептидной цепи в -спираль или - структуру.

Третичная структура — пространственная укладка -спирали или полипептидной цепи в определенную конформацию. Третичная структура есть субъединица (например, глобула).

Четвертичная структура — объединение в определенном порядке двух и большего количества субъединиц в ассоциат или комплекс субъединиц, способных к диссоциации.

Например, макромолекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц (по 17000 Д каждая).

В биохимии и молекулярной биологии фо лдингом белка (укладкой белка, от англ.

folding) называют процесс спонтанного сворачивания полипептидной цепи в уникальную нативную пространственную структуру (третичная структура) [12]. Каждая молекула белка начинает формироваться как полипептид, транслируемый из последовательности мРНК в виде линейной цепочки аминокислот. У полипептида нет устойчивой трёхмерной структуры. Однако все аминокислоты в цепочке имеют определённые свойства:

гидрофобность, гидрофильность, электрический заряд. При взаимодействии аминокислот друг с другом и клеточным окружением получается хорошо определённая трёхмерная структура — конформация. В результате на внешней поверхности белковой глобулы формируются полости активных центров, а также места контактов субъединиц мультимерных белков друг с другом и с биологическими мембранами. В редких случаях нативными могут быть несколько конформаций белка (так называемые конформеры). Они могут сильно различаться, и даже выполнять различные функции. Для этого необходимо, чтобы в разных областях фазового пространства белковой молекулы существовало несколько примерно равных по энергии состояний, каждое из которых будет встречаться в нативной форме с соответствующей вероятностью. Для стабилизации третичной структуры многие белки в клетке подвергаются пост-трансляционной модификации.

Весьма часто встречаются дисульфидные мостики между пространственно близкими участками полипептидной цепи. Для корректной работы белков весьма важна правильная трёхмерная структура. Ошибки сворачивания обычно приводят к образованию неактивного белка с отличающимися свойствами. Считается, что некоторые болезни происходят от накопления в клетках неправильно свёрнутых белков.

В фолдинге участвуют белки-шапероны. И хотя большинство только что синтезированных белков могут сворачиваться и при отсутствии шаперонов, некоторому меньшинству обязательно требуется их присутствие. Механизм сворачивания белков до конца не изучен. Экспериментальное определение трёхмерной структуры белка часто очень сложно и дорого. Однако аминокислотная последовательность белка обычно известна. Поэтому учёные пытаются использовать различные биофизические методы, чтобы предсказать пространственную структуру белка из его первичной аминокислотной последовательности.

Трехмерную структуру белка стабилизируют различного типа взаимодействия (гидрофобные, электростатические, водородные связи, дисульфидные мостики и т.д.).

Такие же взаимодействия обуславливают возникновение четвертичной структуры [13, 14, 15].

Роль белков в организме человека:

1) ферментативная (в клетке участвуют в биохимических реакциях 2000 различных ферментов – биокатализаторов);

2) гормональная (в организме человека 50% всех гормонов имеют белковую природу);

3) рецепторная (избирательное связывание различных регуляторов — гормонов, биогенных аминов, простагландинов, медиаторов, циклических мононуклеотидов, протекает с помощью белков-рецепторов);

4) структурная или пластическая (мембраны всех клеток и субклеточных единиц представляют собой бислой: белки и фосфолипиды, т. е. белки играют роль в формировании всех клеточных структур);

5) иммунологическая (гуморальный иммунитет организма человека связан с наличием -глобулинов - антител);

6) гомеостатическая (свертывание крови связано с наличием в крови белков свертывания крови - факторов);

7) противосвертывающая (антитромбиновая, антитромбопластиковая и фибринолитическая системы связаны с наличием в крови соответствующих белков);

8) геннорегуляторная (белки-гистоны, кислые белки играют роль в регуляции процесса трансляции);

9) транспортная (перенос О2, липидов, стероидов, витаминов, лекарственных веществ осуществляют различные фракции белков крови);

10) сократительная (в работе мышц участвуют белки: актин, миозин, тропонин и тропомиозин);

11) обезвреживающая (при отравлениях солями тяжелых металлов и алкалоидами противоядием являются некоторые белки);

12) опорная или механическая (прочность соединительной, хрящевой и костной ткани обусловлена наличием коллагена, эластина);

13) энергетическая (1 г белка, окисляясь до конечных продуктов — мочевины, углекислого газа и воды - дает 4,1 ккал энергии).

Среди белков можно выделить ферменты [16, 17]. Ферменты (энзимы) – биологические катализаторы, ускоряющие биохимические реакции обмена веществ в организме. До последнего времени считалось, что абсолютно все ферменты являются веществами белковой природы. Но в 80-ые годы была обнаружена каталитическая активность у некоторых РНК.



Сложные ферменты помимо полипептидных цепей могут содержать небелковый компонент (кофактор). Белковая часть двухкомпонентного фермента называется апоферментом.

Кофакторы могут иметь различную прочность связи с апоферментом. Если кофактор прочно связан с полипептидной цепью, то он называется простетической группой. Между простетической группой и апоферментом имеется ковалентная связь.

Если кофактор легко отделяется от апофермента и способен к самостоятельному существованию, то такой кофактор называется коферментом. Между апоферментом и коферментом связи слабые (например, водородные).

Активный центр фермента – это часть его макромолекулы, непосредственно взаимодействующая с субстратами. Активный центр фермента формируется на уровне третичной структуры. Поэтому при денатурации, когда третичная структура нарушается, фермент теряет свою каталитическую активность.

Современная классификация ферментов разработана в 1961 г. Комиссией по ферментам Международного биохимического союза. В основу классификации положен тип катализируемой реакции, которая является специфичным для каждого фермента.

Согласно этой классификации все ферменты делят на шесть главных классов:

1) оксидоредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции;

2) трансферазы – катализируют реакции межмолекулярного переноса групп атомов и радикалов;

3) гидролазы – катализируют реакции расщепления при участии воды;

4) лиазы – катализируют реакции внутримолекулярного негидролитического расщепления, с образованием двойной связи или присоединения по двойной связи;

5) изомеразы – катализируют реакции изомеризации;

6) лигазы (синтетазы) – катализируют реакции синтеза с затратой энергии.

По специфичности действия ферменты делят на две группы: обладающие абсолютной специфичностью и относительной специфичностью. Абсолютная специфичность проявляется тогда, когда фермент действует лишь на одно – единственное вещество и катализирует лишь определенное превращение данного вещества. Например:

фермент уреаза катализирует гидролиз мочевины; сахараза - катализирует превращение только сахарозы. Относительная (групповая) специфичность наблюдается, когда фермент катализирует реакции одного типа с более чем одним структуроподобным субстратом.

Например, пепсин расщепляет белки животного происхождения, хотя они могут различаться друг от друга, как по химическому строению, так и по свойствам. Однако он не расщепляет углеводы, так как местом действия пепсина является пептидная связь.

Действие этих ферментов распространяется на большое число субстратов, что позволяет организму обойтись небольшим числом пищеварительных ферментов - иначе их потребовалось бы намного больше.

Стереоспецифичность - фермент катализирует превращение только одного из возможных стереоизомеров субстрата.

Основу регуляции каталитической активности ферментов составляет их конформационная лабильность. Различают пять основных путей регуляции каталитической активности ферментов:

1) ковалентная модификация;

2) нековалентная модификация;

3) ингибирование ферментов;

4) репрессия или индукция генов: изменение биосинтеза ферментов;

5) компартментализация.

.

2.2. Полисахариды.

Полисахариды – высокомолекулярные соединения, содержащие фрагменты моносахаридов, связанных друг с другом гликозидными связями и образующие линейные или разветвленные цепи. Наиболее часто встречающимся моносахаридным звеном полисахаридов является D-глюкоза. В качестве компонентов полисахаридов могут быть также D-манноза, D- и L- галактоза, D-ксилоза и L-арабиноза, D-галактуроновая и Dманнуроновая кислоты, D-глюкозамин, D-галактозамин и др. Каждый моносахарид, входящий в состав полимерной макромолекулы, может находиться в пиранозной или фуранозной форме. Полисахариды можно разделить на две группы: гомополисахариды и гетерополисахариды. Гомополисахариды состоят из моносахаридных единиц только одного типа. Гетерополисахариды содержат два и более типа мономерных звеньев [18, 19, 20].

Синтез полисахаридов осуществляется как в растительном (растительный крахмал), так и в животном мире (животный крахмал - гликоген). Соответствующую информацию можно найти в Polysaccharide Gene Database.

Крахмал представляет собой смесь двух гомополисахаридов: линейного – амилозы и разветвленного – амилопектина. Общая формула крахмала (С6Н10О5)n. Как правило, содержание амилозы в крахмале составляет 10-30%, амилопектина – 70-90%.

Полисахариды крахмала построены из остатков D-глюкозы, соединенных в амилозе и линейных цепях амилопектина -14-связями, а в точках ветвления амилопектина – межцепочечными -16-связями (рис. 4, 5).

Рис. 4. Фрагмент структуры амилозы.

Рис. 5. Структура крахмала; а - амилоза с характерной для нее спиральной структурой, б – амилопектин.

В молекуле амилозы линейно связаны 200-300 остатков глюкозы. Благодаря конфигурации глюкозного остатка, полисахаридная цепь амилозы имеет конфигурацию спирали. В воде амилоза не дает истинные растворы, при добавлении йода жидкость с амилозой окрашивается в синий цвет.

Амилопектин имеет разветвленную структуру. Отдельные линейные участки молекулы амилопектина содержат 20-30 остатков глюкозы. При этом формируется древовидная структура. Водная среда с амилопектином окрашивается йодом в краснофиолетовый цвет.





Крахмал имеет молекулярную массу 105-108 Да. При частичном кислотном гидролизе крахмала образуются полисахариды меньшей степени полимеризации – декстрины, при полном гидролизе – глюкоза.

Гликоген. Это главный резервный полисахарид высших животных и человека, построенный из остатков D-глюкозы. Общая формула гликогена, как и крахмала (С6Н10О5)n. Он содержится почти во всех органах и тканях животных и человека, но наибольшее количество гликогена обнаружено в печени и мышцах. Молекулярная масса гликогена 105-108 Да и более. Его макромолекула построена из ветвящихся полиглюкозидных цепей, в которых остатки глюкозы соединены -14-гликозидными связями. В точках ветвления - -16-связями. Гликоген характеризуется более разветвленной структурой, чем амилопектин; линейные отрезки в молекуле гликогена включают 11-18 остатков -D-глюкозы (рис. 6).

Рис. 6. Фрагмент структуры гликогена.

При гидролизе гликоген, подобно крахмалу, расщепляется с образованием сначала декстринов, затем мальтозы и глюкозы.

Инулин – полисахарид, содержащийся в клубнях и корнях артишоков, георгина и одуванчиков. Состоит из остатков D-фруктозы (в фуранозной форме), связанных между собой 21-связями (рис. 7).

Рис. 7. Фрагмент структуры инулина.

Этот полисахарид в отличие от картофельного крахмала легко растворяется в теплой воде.

Целлюлоза (клетчатка) – наиболее широко распространенный структурный полисахарид растительного мира. Он состоит из -глюкопиранозных мономерных (Dглюкозы) звеньев, соединенных между собой -(14)-связями (рис. 8). При частичном гидролизе целлюлозы образуются целлодекстрины, дисахарид целлобиоза, а при полном гидролизе D-глюкоза. Молекулярная масса целлюлозы порядка 106 Да. Клетчатка не переваривается ферментами пищеварительного тракта, так как набор этих ферментов у человека не содержит гидролаз, расщепляющих -связи.

Рис. 8. Фрагмент структуры целлюлозы.

Хитин – важный структурный полисахарид беспозвоночных животных (членистоногих). Из него построен наружный скелет ракообразных и насекомых. Хитин — один из наиболее распространённых в природе полисахаридов — каждый год на Земле в живых организмах образуется и разлагается около 10 гигатонн хитина. В естественном виде хитины разных организмов несколько отличаются друг от друга по составу и свойствам. Молекулярная масса хитина достигает 260000. Во всех организмах, вырабатывающих и использующих хитин, он находится не в чистом виде, а в комплексе с другими полисахаридами, и очень часто ассоциирован с белками. Несмотря на то, что хитин является веществом, очень близким по строению, физико-химическим свойствам и биологической роли к целлюлозе, в организмах, образующих целлюлозу (растения, некоторые бактерии) хитин найти не удалось [21].

Хитин не растворим в воде, устойчив к разбавленным кислотам, щелочам, спирту и другим органическим растворителям. Растворим в концентрированных растворах некоторых солей (хлорид цинка, тиоцианат лития, соли кальция) и в ионных жидкостях.

При нагревании с концентрированными растворами минеральных кислот разрушается (гидролизуется).

Структуру хитина составляют N-ацетил-D-глюкозаминовые звенья, соединенные (14)-гликозидными связями (рис. 9).

Рис. 9. Фрагмент структуры хитина.

Щелочная обработка хитина приводит к образованию хитозана (результат дезацетилирования и частичной деструкции полимерной цепи), который находит все большее практическое применение [22, 23].

Важнейшие представители гетерополисахаридов в органах и тканях животных и человека – гликозаминогликаны (мукополисахариды). Они состоят из цепей сложных углеводов, содержащих аминосахара и уроновые кислоты. Каждый из гликозаминогликанов содержит характерную для него повторяющуюся дисахаридную единицу.

Мукополисахариды представляют собой желеподобные липкие вещества. Они выполняют различные функции, в том числе структурную, защитную, регуляторную.

Мукополисахариды составляют основную массу межклеточного вещества тканей, входят в состав кожи, хрящей, стекловидного тела глаза. В организме они встречаются в комплексе с белками (протеогликаны и гликопротеиды) и жирами (гликолипиды), в которых на долю полисахаридов приходится основная часть молекулы (до 90% и более).

Для живого организма важны описанные далее полисахариды.

Гиалуроновая кислота — основная часть межклеточного вещества, своего рода «биологический цемент», который соединяет клетки, заполняя все межклеточное пространство. Она также играет роль биологического фильтра, который задерживает микробы и препятствует их проникновению в клетку, участвует в обмене воды в организме. Фрагмент аниона кислоты показан на рис. 10.

Рис. 10. Фрагмент аниона гиалуроновой кислоты.

Хондроитинсульфаты или хондроитинсерные кислоты служат структурными компонентами хрящей, связок, клапанов сердца. Они способствуют отложению кальция в костях.

Гепарин образуется в тучных клетках, которые встречаются в легких, печени и других органах, и выделяется ими в кровь и межклеточную среду. В крови он связывается с белками и препятствует свертыванию крови, выполняя функцию антикоагулянта. Кроме того, гепарин обладает противовоспалительным действием, влияет на обмен калия и натрия, выполняет антигипоксическую функцию.

Особую группу гликозаминогликанов представляют соединения, имеющие в своем составе нейраминовые кислоты и производные углеводов. Соединения нейраминовой кислоты с уксусной называются сиаловыми кислотами. Они обнаружены в клеточных оболочках, слюне и других биологических жидкостях.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 12 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.