Биохимия. Лекции

      Система классификации предусматривает  для каждого фермента специальный шифр, состоящий из четырех кодовых чисел, разделенных точками. Первая цифра в шифре обозначает номер класса, вторая — номер подкласса, третья — подподкласса и четвертая — порядковый номер в данном подподклассе. Так, лактатдегидро-геназа имеет шифр КФ 1.1.1.27, т. е. относится к первому классу, первому подклассу, первому подподклассу и занимает 27-е место в перечне ферментов упомянутого подподкласса.

      Приведем  конкретные примеры биохимических  процессов, катализируемых ферментами, относящимися к определенному классу и подклассу.

      1. Оксидоредуктазы. Общая схема процессов, катализируемых оксидоредуктазами, может быть выражена следующим образом:

      Наиболее  часто мы будем встречать оксидоредуктазы  подкласса оксидаз и дегидрогеназ, поэтому рассмотрим их подробнее.

      Оксидазы — это оксидоредуктазы, которые переносят атомы водорода или электроны непосредственно на атомы кислорода либо внедряют в молекулу субстрата атом кислорода.

      Дегидрогеназы — это оксидоредуктазы, катализирующие процесс отщепления атомов водорода.

      Все дегидрогеназы являются холоферментами, коферментами которых служат следующие  соединения: никотинамидадениндинуклеотид (НАД), никотинамидадениндинуклеотид (НАДФ), флавинмононуклеотид (ФМН), флавинадениндинуклеотид (ФАД), хиноны.

      Наиболее  распространены в природе дегидрогеназы, содержащие в качестве кофермента НАД.

      Коферменты  ФМН и ФАД содержат в своем  составе фосфори-лированный витамин В₂ (рибофлавинфосфат), который способен отщеплять от субстрата два атома водорода.

      2. Трансферазы. Это один из самых  многочисленных классов ферментов. В зависимости от характера переносимых групп выделяют фосфотрансферазы, аминотрансферазы, гликозилтрансферазы, ацилтрансферазы и др.

      Фосфотрансферазы — это ферменты, катализирующие перенос остатка фосфорной кислоты. В результате действия фосфотрансфераз образуются фосфорные эфиры различных органических соединений, многие из которых обладают повышенной реакционной способностью и более легко вступают в последующие реакции. Следовательно, фосфорилирование органических соединений можно считать процессом их активации. Чаще всего донором фосфатных групп является молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Фосфотрансферазы, использующие в качестве донора фосфатной группы молекулу АТФ, называются киназами. К киназам относится, например, глицеролкиназа, ускоряющая перенос остатка фосфорной кислоты от молекулы АТФ к молекуле глицерина.

      Аминотрансферазы ускоряют перенос аминогруппы. Аминотрансферазы — двухкомпонентные ферменты, коферментом которых служит пиридоксальфосфат (фосфорилированный витамин В₆).

      Гликозилтрансферазы ускоряют реакции переноса гликозильных остатков, обеспечивая, главным образом, реакции синтеза и распада олиго- и полисахаридов. Если гликозильный остаток переносится на молекулу фосфорной кислоты, то процесс называется фосфоролизом, а ферменты, обеспечивающие этот процесс, называются фосфорилазами.

      Донором гликозильных остатков в процессах синтеза олиго- и полисахаридов служат нуклеозиддифосфатсахара (НДФ-сахара), одним из представителей которых является уридиндифосфатглюкоза (УДФ-глюкоза).

      Ацилтрансферазы катализируют процессы переноса апилов (радикалов карбоновых кислот) на спирты, амины, аминокислоты и другие соединения. Источником ацилов является ацил-КоА, который можно рассматривать в качестве кофактора в реакциях переноса ацильных групп. Примером реакции трансацилирования может служить реакция синтеза фосфатидной кислоты, в которой участвует фосфоглицерин и две молекулы ацил-КоА.

      3. Гидролазы. Эти ферменты ускоряют  реакции гидролиза органических соединений; обязательным участником этих процессов является вода. В зависимости от характера гидролизуемой связи гидролазы подразделяют на ряд подклассов: эстеразы, гликозидазы, пептидгидролазы и др. Отличительной чертой всех гидролаз является то, что они являются однокомпонентными ферментами.

      Эстеразы катализируют реакции гидролиза сдожноэфирных связей.

      Липаза  ускоряет гидролиз внешних сложноэфирных связей в молекуле триглицерида. Особенно широко распространены эс-теразы, катализирующие гидролиз сложных эфиров фосфорной кислоты и углеводов. Эти ферменты называются фосфатазами.

      Гликозидазы ускоряют реакции гидролиза гликозидных связей. Примером гликозидазы может служить мальтаза (a-глюкозидаза).

      Из  гликозидаз, действующих на полисахариды, наиболее распространены амилазы.

      Пептид-гидролазы. Ферменты этого подкласса катализируют гидролиз пептидных связей в молекулах пептидов и белков. Пептид-гидролазы гидролизуют не все пептидные связи в молекулах белков и пептидов, а только определенные. Амидазы ускоряют гидролиз амидов дикарбоновых аминокислот — аспарагина и глутамина.

      4. Лиазы. Ферменты этого класса катализируют разнообразные реакции распада и синтеза. В зависимости от того, какая связь расщепляется или, наоборот, образуется, выделяют углерод-углерод, углерод-кислород, углерод-азот лиазы. Приведем примеры процессов, катализируемых ферментами указанных подклассов.

      Углерод-углерод  лиазы. В природе широко представлены ферменты, ускоряющие декарбоксилирование кето- и аминокислот. Декарбоксилазы или карбоксилиазы — двухкомпонентные ферменты, коферментом которых является фосфорный эфир витамина В₁, — в случае декарбоксилирования кетокислот и витамина В₆ — в случае декарбоксилирования аминокислот.

      Углерод-кислород лиазы (гидролиазы). Ферменты этого подкласса ускоряют реакции гидратации и дегидратации органических соединений.

      Эти реакции постоянно идут при распаде  и синтезе углеводов и жирных кислот, поэтому гидратазы играют большую роль в жизнедеятельности организмов. Примером может служить фумаратгидратаза, присоединяющая молекулу воды к кратной связи фумаровой кислоты.

      Углерод-азот лиазы катализируют реакции прямого дезаминирования некоторых аминокислот.

      5. Изомеразы. Изомеразы ускоряют процессы превращений одних изомеров органических соединений в другие.

      6. Лигазы (синтетазы). Ферменты этого  класса обеспечивают синтез различных  органических соединений. Характерной  чертой ферментов этого класса является использование соединений, способных поставлять энергию для осуществления биосинтеза. Одним из таких соединений является аденозинтрифосфорная кислота — АТФ. В качестве примера действия лигазы можно привести синтез щавелевоуксусной кислоты из пировиноградной путем ее карбоксилирования.

      Следует обратить внимание на тот факт, что  молекула АТФ не участвует в образовании продуктов реакции, а просто распадается до АДФ и      

      Н₃РО₄; при этом освобождается энергия, необходимая для осуществления биосинтеза.

      Важной  реакцией является образование ацил-коэнзима А (ацил-КоА), которая тоже ускоряется ферментом    этого класса. 

      Лекция  № 3  УГЛЕВОДЫ.

      План  лекции

      3.1. Биологические фукнции углеводов.  Классификация. 

             Моносахариды.

      3.2. Олигосахариды

      3.3. Полисахариды

      3.1. Углеводы наряду с белками  — наиболее распространенные  соединения, участвующие в построении клетки и используемые в процессе ее жизнедеятельности. Они входят в состав всех живых организмов. Самым богатым источником углеводов служат растения: до 80% сухой массы тканей растений составляют углеводы. В организмах животных и человека их значительно меньше; наиболее богаты углеводами печень (5-10%), скелетные мышцы (1-3%), сердечная мышца (-0,5%), головной мозг (0,2%).

      Углеводами  называют очень большое число  соединений, обладающих различной химической структурой и биологическими функциями.

      Углеводы — полигидроксикарбонильные соединения и их производные. Термин углеводы возник более 100 лет тому назад, но, даже не отвечая современным представлениям о структуре углеводов, используется и по сей день.

      Биологические функции углеводов.

1. Энергетическая. При окислении 1 г углеводов выделяется 4 ккал энергии. Углеводы на 60% беспечивают организм энергией. Они накапливаются в организме в виде резервного полисахарида гликогена. Который расходуется по мере необходимости.
2. Пластическая. Углеводы участвуютв синтезе многих физиологически важных веществ; входят в состав органов и тканей.
3. Защитная. Слизи, содержащие большое количество мукополисахаридов, защищают стенки органов от механических повреждений, попадания микроорганизмов.
4. Регуляторная. Клетчатка, являющаяся представителем углеводов, улучшает сокращение стенок желудка и кишечника, улучшая таким образом их работу.
5. Специфическая. Отдельные представители этого класса выполняют особые функции: гомеостатическую, антисвертывающую, защитную, участвуют в передаче непвных импульсов.

 

      Классификация углеводов

      Классификация углеводов основана на их способности  гидро-лизоваться. Углеводы разделяются  на простые и сложные. Простые  углеводы иначе называются моносахаридами, они не подвергаются гидролизу. Сложные подразделяют на олигосахариды и полисахариды. В состав олигосахаридов входят от двух до десяти моносахаридов. В зависимости от числа моносахаридов, входящих в структуру, олигосахариды называют ди-, три-, тетрасахаридами и т. д. К полисахаридам относятся углеводы, в состав которых входят более 10 моносахаридных остатков. Сложные углеводы при гидролизе распадаются с образованием простых.

      Моносахариды иначе называют монозами. По химическому составу монозы являются либо полигидроксиальдегидами, либо полигидроксикетонами. Моносахариды, в состав которых входит альдегидная группа, называют альдозами,  кетонная кетозами.

      Характерной особенностью класса углеводов является наличие не менее двух гидроксильных групп и одной карбонильной (альдегидной или кетонной) группы. Следовательно, простейший углевод должен содержать три атома углерода. По числу атомов углерода моносахариды называют триозами, тетрозами, пентозами, гексозами и т. д. В названии моноз учитывается как число атомов углерода, так и наличие альдегидной или кетонной группы. Например, моносахариды, в состав которых входят 6 атомов углерода и альдегидная группа, называются альдогексозами, если же они содержат кето-группу, то кетогексозами. Линейные структурные формулы альдоз и 2-кетоз называются формулами в проекции Фишера.

      Выделенные  звездочкой атомы углерода являются асимметрическими. Ассиметрическим называется атом углерода, соединенный с четырьмя разными заместителями (атомами или группами атомов). Вещества, в составе которых есть асимметрические атомы углерода, обладают особым видом пространственной изомерии — стереоизомерией или оптической изомерией. Стереоизомеры отличаются пространственной конфигурацией атомов водорода и гидроксильной группы при асимметрическом атоме углерода. Число стереоизомеров равно 2ⁿ, где n — число асимметрических атомов углерода. Например, альдогексоза общей формулы С₆Н₁₂О, с четырьмя асимметрическими атомами может быть представлена любым из 16 возможных стереоизомеров, восемь из которых относятся к  D-ряду, а восемь — к L-ряду.

      Родоначальниками  D- и L-ряда можно условно считать D-и L-глицериновые альдегиды. Принадлежность моносахарида к D- и L-ряду определяется положением водорода и гидроксила у наиболее удаленного от альдегидной или кетонной группы асимметрического углеродного атома (по сравнению с их положением у единственного асимметрического атома углерода D- или L-глицеринового альдегида).

      Монозы  с пятью и более углеродными  атомами могут существовать не только в линейной (цепной), но и в циклической (кольчатой) форме. Циклизация происходит за счет разрыва двойной связи в карбонильной группе, перемещения атома водорода освободившейся валентности карбонильного кислорода и замыканию кольца углеродных атомов с образованием внутренних циклических a- или b-полуацеталей. Структурные формулы Фишера не  могут полностью отобразить  пространственное строение. В 1929 году Хеуорс предложил способ изображения циклических форм углеводов, наиболее полно изображающих строение. Пяти- и шестичленные циклические структуры изображаются при этом в виде плоских циклических систем, гидроксильные группы у каждого атома углерода которых ореинтированы либо вверх, либо вниз. Для преобразования формул D-монозы в проекции Фишера в формулу Хеуорса следует придерживаться определенных правил: