7217

Биохимия. Конспект лекций. Основные классы биомолекул

Конспект

Биология и генетика

Основные классы биомолекул Практически все сухое вещество клеток составляют органические соединения, представленные четырьмя основными видами молекул: белками, нуклеиновыми кислотами, полисахаридами и липидами. Все они отличаются по свойствам, а зна...

Русский

2013-01-18

1.4 MB

119 чел.

Основные классы биомолекул

Практически все сухое вещество клеток составляют органические соединения, представленные четырьмя основными видами молекул: белками, нуклеиновыми кислотами, полисахаридами и липидами. Все они отличаются по свойствам, а значит, выполняют разные биологические функции. Однако, эти четыре наиболее важных класса биомолекул имеют общее свойство: все они представляют собой относительно крупные структуры с высокими молекулярными массами и потому называются макромолекулами. В живых организмах содержится множество различных макромолекул, построение этих сложных молекул основано на простых принципах. В качестве строительных блоков для этих молекул используются простые молекулы. Их число невелико, и они одни и те же для всех видов живых организмов.

Белки 

Белки или протеины (что в переводе с греческого означает «первые» или «важнейшие»), количественно преобладают над всеми макромолекулами, присутствующими в живой клетке, и составляют более половины сухого веса большинства организмов. Представления о белках как о классе соединений сформировались в XVII-XIX вв. В этот период из разнообразных объектов живого мира (семена и соки растений, мышцы, кровь, молоко) были выделены вещества, обладающие сходными свойствами: они образовывали вязкие растворы, свертывались при нагревании, при горении ощущался запах паленой шерсти и выделялся аммиак. Поскольку все эти свойства ранее были известны для яичного белка, то  новый  класс соединений назвали белками. После появления в начале XIX вв. Более совершенных методов анализа веществ определили элементный состав белков. В них обнаружили С, Н, О, N, S. К концу XIX вв. Из белков было выделено свыше 10 аминокислот. Исходя из результатов изучения продуктов гидролиза белков, немецкий химик Э.Фишер (1852-1919) предположил, что белки построены из аминокислот.

В результате работ Фишера стало ясно, что белки представляют собой линейные полимеры -аминокислот, соединенных друг с другом амидной (пептидной) связью, а все многообразие представителей этого класса соединений могло быть объяснено различиями аминокислотного состава и порядка чередования разных аминокислот в цепи полимера.  

Первые исследования белков проводились со сложными белковыми смесями, например: с сывороткой крови, яичным белком, экстрактами растительных и животных тканей. Позже были разработаны методы выделения и очистки  белков, такие как осаждение, диализ, хроматография на целлюлозных и других гидрофильных ионообменниках, гельфильтрация, электрофорез. Более подробно рассмотрим эти методы на лабораторной работе и семинарском занятии.

На современном этапе основными направлениями изучения белков являются следующие:

  1.  изучение пространственной структуры индивидуальных белков;
  2.  изучение биологических функций разных белков;
  3.  изучение механизмов функционирования индивидуальных белков (на уровне отдельных атомов, атомных групп молекулы белка).

Все эти этапы взаимосвязаны, ведь одна из основных задач биохимии как раз и состоит в том, чтобы понять, каким образом аминокислотные последовательности разных белков дают им возможность выполнять различные функции.

Биологические функции белков

  1.  Ферменты  -  это биологические катализаторы, самый многообразный, многочисленный класс белков. Почти все химические реакции, в которых участвуют присутствующие в клетке органические биомолекулы, катализируются ферментами. Настоящему времени открыто более 2000 различных ферментов.
  2.  Транспортные белки - Транспортные белки плазмы крови связывают и переносят специфические молекулы или ионы из одного органа в другой. Например, гемоглобин, содержащийся в эритроцитах, при прохождении через легкие связывает кислород и доставляет его к периферическим тканям, где кислород освобождается. Плазма крови содержит липопротеины, осуществляющие перенос липидов из печени в другие органы. В клеточных мембранах присутствует еще один клеточный тип транспортных белков, способных связывать определенные молекулы (напр., глюкозу) и переносить их через мембрану внутрь клетки.
  3.  Пищевые и запасные белки. Наиболее известными примерами таких белков служат белки семян пшеницы, кукурузы, риса. К пищевым белкам относится яичный альбумин - основной компонент яичного белка, казеин - главный белок молока.
  4.  Сократительные и двигательные белки.  Актин и миозин - белки, функционирующие в сократительной системе скелетной мышцы, а также во многих немышечных тканях.
  5.  Структурные белки. Коллаген - главный компонент хрящей и сухожилий. Этот белок имеет очень высокую прочность на разрыв. Связки содержат эластин - структурный белок, способный растягиваться в двух измерениях. Волосы, ногти состоят почти исключительно из прочного нерастворимого белка - кератина. Главным компонентом шелковых нитей и паутины служит белок фиброин.
  6.  Защитные белки. Иммуноглобулины или антитела - это специализированные клетки, вырабатываемые в лимфоцитах. Они обладают способностью распознавать проникшие в организм бактерии вирусы или чужеродные молекулы, а затем запускать систему их нейтрализации. Фибриноген и тромбин - белки, участвующие в процессе свертывания крови, они предохраняют организм от потери крови при повреждении сосудистой системы.
  7.  Регуляторные белки. Некоторые белки и пептиды участвуют в регуляции клеточной активности. К ним относятся многие гормоны, такие как инсулин (регулирует обмен глюкозы).
  8.  Энкефалины. короткие пептиды, синтезируемые в центральной нервной системе. Они представляют собой наркотики, вырабатываемые самим организмом.
  9.  Антибиотики и токсичные ядовитые вещества. Например, аманитин - яд, содержащийся в грибах. Многие антибиотики являются пептидами.

Аминокислотный состав белков

Ключ к пониманию структуры любого белка дает небольшая группа довольно простых молекул - -аминокислот, играющих роль строительных блоков. Для построения всех белков используется один и тот же набор 20 различных, ковалентно связанных друг с другом в определенной, характерной только для данного белка последовательности. Каждая  аминокислота благодаря особенностям ее боковой цепи наделена химической индивидуальностью, поэтому всю группу 20 аминокислот можно рассматривать как алфавит "языка" белковой структуры.

Строение и классификация аминокислот

Все 20 аминокислот, встречающихся в белках, характеризуются общей структурной особенностью - наличием карбоксильной и аминогруппы, связанных с одним и тем же атомом углерода. Различаются же аминокислоты боковыми цепями (R-группами).

Формулы и тривиальные названия важнейших аминокислот приведены в таблице. Для биологического функционирования аминокислот в составе белков определяющим является полярность радикала R. По этому признаку аминокислоты разделяют на следующие основные группы.

Таблица. Важнейшие -аминокислоты RCH(NH2)COOH

Формула

Название

Обозначение

pI

Аминокислоты, содержащие неполярный радикал R

Глицин

Gly

5,97

Аланин

Ala

6,0

Валин

Val

5,96

Лейцин

Leu

5,98

Изолейцин

Ile

6,02

Фенилаланин

Phe

5,48

Триптофан

Trp

5,89

Пролин

Pro

6,30

Метионин

Met

5,74

Цистин

(Cys)2

5,0

Аминокислоты, содержащие полярный неионогенный радикал R

Серин

Ser

5,68

Треонин

Thr

5,60

Гидроксипролин

Hyp

5,8

Аспаргин

Asn

5,41

Глутамин

Gln

5,65

Аминокислоты, содержащие полярный положительно заряженный радикал R

Лизин

Lys

9,74

5-Гидроксилизин

9,15

Аргинин

Arg

10,76

Гистидин

His

7,59

Аминокислоты, содержащие полярный  отрицательно заряженный радикал R

Аспаргиновая кислота

Asp

2,77

Глутаминовая кислота

Glu

3,22

Тирозин

Tyr

5,66

Цистеин

Cys

5,07

Аминокислоты, содержащие неполярный радикал R. Такие группы располагаются внутри молекулы белка и обуславливают гидрофобные взаимодействия.

Аминокислоты, содержащие полярный неионогенный радикал R. Аминокислоты этого типа имеют в составе бокового радикала полярные группы, не способные к ионизации в водной среде (спиртовый гидроксил, амидная группа). Такие группы могут располагаться как внутри, так и на поверхности молекулы белка. Они участвуют в образовании водородных связей с другими полярными группами.

Аминокислоты, содержащие радикал R, способный к ионизации в водной среде с образованием положительно или отрицательно запряженных групп. Такие аминокислоты содержат в боковом радикале дополнительный основный или кислотный центр, который в водном растворе может соответственно присоединять или отдавать протон.

В белках ионогенные группы этих аминокислот располагаются, как правило, на поверхности молекулы и обуславливают электростатические взаимодействия.

Стереоизомерия.

Все стандартные аминокислоты содержат ассиметрический атом углерода в -положении, т.е. атом углерода с четырьмя различными заместителями. Такой атом углерода является хиральным центром. Благодаря тому, что связи вокруг -атома углерода имеют тераэдрическое расположение, четыре различных заместителя могут располагаться в пространстве двумя различными способами, так что молекула может существовать в двух конфигурациях, представляющих собой несовместимые зеркальные отображения.

Таким образом, соединения с хиральным центром встречаются в двух изомерных формах, у которых одинаковые физические и химические свойства, за исключением одного - способности вращать плоскость плоскополяризованного луча света в разные стороны на определенный угол. Эти соединения обладают оптической активностью. В основе строгой системы классификации и обозначения стереоизомеров лежит не вращение плоскости поляризации света, а абсолютная конфигурация молекулы стереоизомера, т.е. взаимное расположение четырех заместителей. Для выяснения конфигурации оптически активных соединений их сравнивают с каким-нибудь одним соединением, выбранным в качестве эталона, например, глицеральдегидом.

Почти все природные биологически активные соединения, содержащие хиральный центр,  встречаются только в какой-нибудь одной стереоизомерной форме - D или L. Все аминокислоты, входящие в состав белков, являются L-изомерами. Живые клетки обладают уникальной способностью синтезировать L-аминокислоты с помощью стереоспецифичных ферментов. Стереоспецифичность этих ферментов обусловлена ассимитрическим характером их активных центров.

Кислотно-основные свойства аминокислот

При растворении в воде кислоты ионизируются и ведут себя как кислоты и основания. Знание кислотно-основных свойств аминокислот имеет исключительно важное значение для понимания многих свойств белков.

По кислотно-основным свойствам аминокислоты разделяют на три группы.

Нейтральные аминокислоты не содержат в радикале R дополнительных кислотных или основных центров, способных к ионизации в водной среде. В кислой среде они существуют в виде однозарядного катиона и являются двухосновными кислотами по Бренстеду. Как видно на примере аланина, изоэлектрическая точка у нейтральных аминокислот не равна 7, а лежит в интервале 5,5 – 6,3.

-Аминокислоты, содержащие одну аминогруппу и одну карбоксильную группу, кристаллизуются из нейтральных водных растворов в виде биполярных ионов (цвиттерионов).

Аминокислоты могут вести себя как кислоты (доноры протонов)

и как основания (акцепторы протонов):

Данные равновесия можно количественно описать константами диссоциации К1 и К2 или их отрицательными десятичными логарифмами:

В зависимости от рН в растворе могут наблюдаться следующие равновесия:

pI=1/2(2,34+9,69)=6,01

Основные аминокислоты содержат в радикале R дополнительный основный центр. К ним относятся лизин, гистидин и аргинин. В кислой среде они существуют в виде дикатиона и являются трехосновными кислотами. Изоэлектрическая точка основных аминокислот, как видно на примере лизина, лежит в области рН выше 7.

pI= ½(9,0+10,05)=9,74

Кислые аминокислоты содержат в радикале R дополнительный кислотный центр. К ним относятся аспаргиновая и глутаминовая кислоты. В кислой среде они существуют в виде катиона и являются трехосновными кислотами. Изоэлектрическая точка этих аминокислот лежит в области рН много ниже 7.

pI= ½(2,09+3,86)=2,77

Тирозин и цистеин содержат в боковых радикалах слабые кислотные центры, способные к ионизации при высоких значениях рН.

Важное значение имеет тот факт, что при физиологическом значении рН (~7) ни одна аминокислота не находится в изоэлектрической точке. В организме все аминокислоты ионизированы, что обеспечивает им хорошую растворимость в воде.

Частота, с какой аминокислоты встречаются в белках, неодинакова. Например, глицин обнаруживается в 10 раз чаще, чем триптофан. По частоте нахождения аминокислот в белках можно составить такой ряд: ала вал лей сер глу глн лиз арг про > асп асн изо тре фен > тир цис мет гис.

Большинство белков по аминокислотному составу отличаются не очень резко. Но некоторые белки с особыми свойствами отличаются и аминокислотным составом. Так, белок соединительной ткани коллаген на 1/3 построен из остатков глицина, около 1/5 на ост. пролина и  оксипролина. Именно такой состав аминокислот позволяет готовой молекуле белка образовывать прочные олигомерные структуры - фибриллы. Фибриллы коллагена превосходят по прочности стальную проволоку равного поперечного сечения. При кипячении в воде нерастворимый коллаген превращается в желатину - растворимую смесь полипептидов. Необычный аминокислотный состав коллагена определяет его низкую питательную ценность. В состав связок и соединительной ткани стенок сосуда входит белок - эластин. Эластин богат остатками лизина. Четыре боковые группы лизина сближаются  друг с другом и ферментативным путем превращаются в десмозин. Таким путем полипептидные цепи эластина могут объединяться в системы, способные обратимо растягиваться во всех направлениях.

В хромосомах содержатся положительно заряженные белки гистоны, примерно на 1/3 построенные из остатков лизина и аргинина. Положительный заряд молекулы белка позволяет образовывать прочные комплексы с отрицательно заряженными молекулами нуклеиновых кислот.

Пищевая ценность белков 

В то время как растения и микроорганизмы могут синтезировать все аминокислоты, млекопитающие утратили способность к синтезу примерно половины из 20 аминокислот. Поэтому незаменимые аминокислоты  должны поступать с пищей. К незаменимым аминокислотам относятся гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан, валин. Ежедневно взрослому человеку рекомендуется употреблять 54 г белков, но при этом подразумевается, что в пищу должны входить разнообразные белки растительного и животного происхождения, причем 12 г из 54 г должны составлять незаменимые аминокислоты.

Питательная ценность или качество белка зависят от двух факторов: от аминокислотного состава белка и от усвояемости белка. Некоторые белки содержат полный набор незаменимых аминокислот. Другие, особенно растительные (белки злаков), содержат не все незаменимые аминокислоты и, кроме того, не полностью перевариваются, так как белковая часть зерна защищена целлюлозной оболочкой. Питательные свойства белков характеризуются двумя параметрами: химической ценностью и биологической ценностью. В первом случае сравнивают аминокислотный состав белков после их гидролиза с аминокислотным составом белков молока. Мерой биологической ценности служит величина обратно пропорциональная количеству данного белкового продукта для поддержания азотистого баланса, то есть состояния при котором количество поступающего в организм азота равно количеству выводимого азота. Если в белке есть все незаменимые аминокислоты в достаточном количестве, то биологическая ценность белка принимается равной 100. Если белок не содержит совсем какой-нибудь незаменимой аминокислоты, то биологическая ценность такого белка будет равна 0.

Качество некоторых пищевых белков

Продукт

Химическая ценность, %

Биологическая ценность, %

Женское молоко

Говядина

Яйцо

Коровье молоко

Кукуруза

Очищенный рис

Белый хлеб

100

98

100

95

49

67

47

95

93

87

81

36

63

30

Если белок характеризуется низкой пищевой ценностью, то он должен присутствовать в пище в больших количествах. Лишние аминокислоты будут подвергаться в печени дезаминированию и далее превращаться в жир. Некоторые белки пищи могут быть взаимозаменяемыми. Так белки кукурузы содержат мало лизина, но много триптофана, а белки бобовых - наоборот. Недостаточность белков в пище или употребление белков с низкой пищевой ценностью может привести к нарушениям белкового обмена.

Ежедневно молодым мужчинам рекомендуется потреблять 56 г белков (из расчета 800 мг/кг массы тела). При этом подразумевается, что в пищу входят самые разнообразные белки растительного и животного  происхождения. По крайней мере 12 из 56 г белка должны приходиться на долю незаменимых аминокислот. Белки значительно различаются по аминокислотному составу. Некоторые из них (белки яиц, молока, говядины) содержат полный набор аминокислот в оптимальных соотношениях; другие могут не содержать одной или нескольких незаменимых аминокислот. Например, кукуруза характеризуется дефицитом триптофана и лизина, пшеница – дефицитом лизина, некоторые бобы – дефицитом метионина. Кроме того, растительные белки не могут полностью перевариваться, т.к. белковая часть зерен защищена состоящей из целлюлозы и других полисахаридов оболочкой, которая не гидролизуется пищеварительными ферментами. Поэтому для удовлетворения потребности в белке его поступление в организм должно быть увеличено.

Белки содержат  (в %): углерода – 50-55, водорода – 6,5-7,3, азота – 15-18, кислорода – 21-24, серы – 2,4 и золы – до 0,5. Особенно характерный показатель – процентное содержание азота. В большинстве случаев оно составляет 16%, поэтому по содержанию белкового азота часто вычисляют содержание белка в кормах и продуктах питания. Для этого величину, выражающую процентное содержание белкового азота в препарате, умножают на фактор пересчета, равный 6,25, который выводят путем деления: 100:16 = 6,25.

Структурная организация белковых молекул

Белки - очень крупные молекулы, молярная масса белков колеблется от 6ооо до 1  млн. грамм/моль.

Некоторые белки в своем составе могут иметь химические группы небелковой природы. Такие белки называют сложными или холопротеинами. Неаминокислотную часть белков называют  простетической  группой, белковую часть - апоферментом. Сложные белки классифицируются по простетической группе. Например, липопротеины это белки, содержащие в своем составе группу - липид; металлопротеины содержат в своем составе ионы металла; в состав хромопротеинов входит хромофор, окрашенная группа небелковой природы.

Белки можно классифицировать по форме молекул и по способности растворяться в воде на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки имеют форму глобулы и, как правило,  растворимы в воде. Фибриллярные белки имеют форму вытянутого волокна - фибриллы и нерастворимы в воде. Фибриллярные белки выполняют главным образом опорные функции, обеспечивая прочность тканей; глобулярные белки более разнообразны по функциям.

Классификация белков

по растворимости

Альбумины. Растворимы в воде и солевых растворах.

Глобулины. Слаборастворимы в воде, но хорошо растворимы в солевых растворах.

Проламины. Растворимы в 70-80%  этаноле, нерастворимы в воде и абсолютном спирте. Богаты аргинином.

Гистоны. Растворимы в солевых растворах.

Склеропротеины. Нерастворимы в воде и солевых растворах. Повышено содержание глицина, аланина, пролина.

Физико-химические свойства белков

На физических свойствах белков, таких как ионизация, гидратация, растворимость основаны различные методы выделения и очистки белков.

Так как белки содержат ионогенные, т.е. способные к ионизации аминокислотные остатки (аргинин, лизин, глутаминовая кислота и т.д.), следовательно, они представляют собой полиэлектролиты. При подкислении степень ионизации анионных групп снижается, а катионных - повышается, при подщелачивании наблюдается обратная закономерность. При определенном рН число отрицательно  и положительно заряженных частиц становится одинаковым, такое состояние называется изоэлектрическим (суммарный заряд молекулы равен нулю). Значение рН, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии, называют изоэлектрической точкой и обозначают рI. На различной ионизации белков при определенном значении рН основан один из методов их разделения - метод электрофореза.

Полярные группы белков (ионогенные и неионогенные) способны взаимодействовать с водой, гидратироваться. Количество воды, связанное с белком достигает 30-50 г на 100 г белка. Гидрофильных групп больше на поверхности белка. Растворимость зависит от количества гидрофильных групп в белке, от размеров и формы молекул, от величины суммарного заряда. Совокупность всех этих физических свойств белка позволяет использовать метод молекулярных сит или гель-фильтрацию для разделения белков. Метод диализа используется для очистки белков от низкомолекулярных примесей  и основан на больших размерах молекул белка.

Высокая молекулярная масса белков обуславливает их высокую вязкость, причем особую роль играет форма белковой молекулы. Растворы фибриллярных белков более вязкие, чем растворы глобулярных белков. Повышение концентрации белков, снижение температуры раствора способствует резкому возрастанию межмолекулярных сил притяжения и резкому увеличению вязкости белкового раствора; раствор теряет свою текучесть; происходит образование сеток, внутри которых находятся захваченные молекулы воды. Система переходит в состояние геля (студня). Студни используются в процессе приготовления всевозможных заливных блюд. Производство кисломолочных продуктов (сметаны, простокваши, кефира, кумыса) представляет собой перевод казеина – белка молока - из молекулярного состояния в состояние геля. Желатина – продукт неполного гидролиза коллагена – широко используется в пищевой промышленности для структурирования пищевых продуктов.

Растворимость белков зависит и от наличия других растворенных веществ, например, нейтральных солей. При высоких концентрациях нейтральных солей белки выпадают в осадок, причем для осаждения (высаливания) разных белков требуется разная концентрация соли. Это связано с тем, что заряженные молекулы белка адсорбируют ионы противоположного заряда. В результате частицы теряют свои заряды и электростатическое отталкивание, в результате происходит осаждение белка. Методом высаливания можно фракционировать белки.

Первичная структура белков

Первичной структурой белка называют состав и последовательность аминокислотных остатков в белковой молекуле. Аминокислоты в белке связаны пептидными связями.

Пептидная связь имеет транс-конфигурацию, в которой боковые радикалы аминокислотных остатков наиболее удалены друг от д

Один конец цепи, на котором находится аминокислота со свободной аминогруппой, называют N-концом. Другой конец, на котором находится аминокислота со свободной карбоксильной группой, называют С-концом. Пептиды принято записывать и называть, начиная с N-конца.

Все молекулы данного индивидуального белка идентичны по аминокислотному составу, последовательности аминокислотных остатков и длине полипептидной цепи. Даже небольшие изменения первичной структуры могут значительно изменять свойства белка.

Конформация пептидных цепей в белках

Термин конформация используют для описания пространственного расположения в органической молекулы замещающих групп, способных свободно изменять свое положение в пространстве без разрыва каких бы то ни было связей.

Пептидная цепь обладает значительной гибкостью. В результате внутри цепочечных взаимодействий она приобретает определенную пространственную структуру (конформацию). В белках различают два уровня пространственной организации для одной полипептидной цепи: вторичную и третичную структуры белка. Для белков, содержащих несколько полипептидных цепей, возможно, рассматривают пространственную укладку этих цепей относительно друг друга - четвертичную структуру белка.

Вторичная структура белков

- это укладка белковой молекулы в пространстве без учета влияния боковых заместителей. Выделяют два типа вторичной структуры: -спираль и - структуру (складчатый слой). Остановимся более подробно на рассмотрении каждого типа вторичной структуры.

-Спираль представляет из себя правую спираль с одинаковым шагом, равным 3,6 аминокислотных остатков. -Спираль стабилизируется внутримолекулярными водородными связями, возникающими между атомами водорода одной пептидной связи и атомами кислорода четвертой по счету пептидной связи.

Боковые заместители расположены перпендикулярно плоскости -спирали.

Т.о. свойства данного белка определяются свойствами боковых групп аминокислотных остатков: входящих в состав того или иного белка. Если боковые заместители гидрофобны, то и белок, имеющий структуру -спираль гидрофобен. Примером такого белка является белок кератин, из которого состоят волосы.

В результате получается, что - спираль пронизана водородными связями и является очень устойчивой структурой. При образовании такой спирали работают две тенденции:

  •  молекула стремится к минимуму энергии, т.е. к образованию наибольшего числа водородных связей;
  •  из-за жесткости пептидной связи сблизиться в пространстве могут лишь первая и четвертая пептидные связи.

В складчатом слое пептидные цепи располагаются параллельно друг другу, образуя фигуру, подобную листу, сложенному гармошкой. Пептидных цепей, взаимодействующих между собой водородными связями, может быть большое количество. Расположены цепи антипараллельно. Чем больше пептидных цепей входит в состав складчатого слоя, тем прочнее молекула белка.

В структуре одного белка могут находиться участки -структур, -спиралей и нерегулярные участки. На нерегулярных участках пептидная цепь может сравнительно легко изгибаться, менять конформацию, в то время, как спираль и складчатый слой представляют собой достаточно жесткие структуры. Содержание -структур и -спиралей в разных белках неодинаково.

Третичная структура белков

определяется взаимодействием боковых заместителей пептидной цепи. Для фибриллярных белков трудно выделить общие закономерности в образовании третичных структур. Что касается глобулярных белков, то такие закономерности существуют, и мы их рассмотрим. Третичная структура глобулярных белков образуется путем дополнительного складывания пептидной цепи, содержащей -структуры, -спирали и нерегулярные участки, так , что гидрофильные боковые группы аминокислотных остатков оказываются на поверхности глобулы, а гидрофобные боковые группы спрятаны вглубь глобулы, иногда образуют гидрофобный карман.

Силы, стабилизирующие третичную структуру белка.

Электростатическое взаимодействие между разно заряженными группами, крайний случай - ионные взаимодействия.

Водородные связи, возникающие между боковыми группами полипептидной цепи.

Гидрофобные взаимодействия.

Ковалентные взаимодействия (образование дисульфидной связи между двумя остатками цистеина с образованием цистина). Образование дисульфидных связей приводит к тому, что удаленные области полипептидной молекулы сближаются и фиксируются. Дисульфидные связи разрушаются под действием  восстановителей. Это свойство используется для химической завивки волос, которые почти полностью представляют собой белок кератин, пронизанный дисульфидными связями.

Характер пространственной укладки определяется аминокислотным составом и чередованием аминокислот в полипептидной цепи (первичной структурой). Следовательно, каждый белок имеет только одну пространственную структуру, соответствующую его первичной структуре. Небольшие изменения конформации белковых молекул происходят при взаимодействии с другими молекулами. Эти изменения порой играют огромную роль при функционировании белковых молекул. Так, при присоединении молекулы кислорода к гемоглобину несколько изменяется конформация белка, что приводит к эффекту кооперативного взаимодействия при присоединении остальных трех молекул кислорода. Такое изменение конформации в лежит в основе теории индуцирующего соответствия при объяснении групповой специфичности некоторых ферментов.

Кроме ковалентной дисульфидной все остальные связи, стабилизирующие третичную структуру, являются по своей природе слабыми и легко разрушаются. При разрыве большого числа связей, стабилизирующих пространственную структуру белковой молекулы, упорядоченная уникальная для каждого белка конформация нарушается, при этом часто теряется биологическая активность белка. Такое изменение в пространственном строении называется денатурацией.  

Способность к специфическим взаимодействиям как основа биологической активности белков

В основе функционирования белка лежит его способность к взаимодействию с каким-либо другим веществом - лигандом. Лигандом может быть как низкомолекулярное вещество, так и макромолекула, в том числе и другой белок. Лиганд присоединяется к определенному участку глобулярной молекулы - активному центру. Активный центр формируется в ходе образования третичной структуры белка, поэтому при денатурации белка (когда разрушается его третичная структура) белки теряют свою активность. Специфичность взаимодействия белка и лиганда объясняется комплиментарностью пространственной структуры активного центра и молекулы лиганда.  Взаимодействие между белком P и лигандом L описывается уравнениями:

P + L  PL

Ксв определяет сродство белка к данному лиганда, чем больше Ксв, тем больше сродство.

Четвертичная структура белка.

Под четвертичной структурой белка подразумевают способ укладки в пространстве отдельных полипептидных цепей, обладающих первичной, вторичной и третичной структурой и формирование единого в структурном и функциональном отношении макромолекулярного образования. Каждая отдельная полипептидная  (протомер или субъединица) не обладают биологической активностью, а образовавшаяся молекула - олигомер обладает биологической активностью. Четвертичная структура белка уникальна, как и другие уровни организации. Четвертичная структура поддерживается нековалентными взаимодействиями между контактными площадками протомеров.

Четвертичная структура белков - еще один пример удивительной мудрости природы. Докажем это на примере функционирования двух белков: миоглобина, обладающего только третичной структурой и гемоглобина, обладающего четвертичной структурой. Гемоглобины представляют собой тетрамерные белки, молекулы которых образованы различными типами полипептидных цепей (, , , , S). В состав молекулы входит по две цепи двух разных видов. Длина - и -цепей примерно одинакова (- 141 а.к., - 146 а.к.). Наиболее распространенные гемоглобины имеют следующую тетрамерную структуру: HbA (нормальный гемоглобин взрослого человека) - 22,; HbF (фетальный гемоглобин) -22; HbS (гемоглобин при серповидноклеточной анемии) - 2S2; HbA2 (минорный гемоглобин человека) - 22.

Четвертичная структура наделяет гемоглобин дополнительными важными особенностями, которые способствуют выполнению гемоглобином уникальной биологической функцией и обеспечивают возможность строгой регуляции его свойств. Гемоглобин обладает аллостерическими свойствами (от греч. - аллос - другой, стерос - пространство). На его примере можно лучше понять свойства других аллостерических белков, поэтому рассмотрим работу гемоглобина подробнее.

Миоглобин способен запасать кислород, а гемоглобин обеспечивает его транспорт. Вторичная и третичная структуры миоглобина и протомеров гемоглобина очень сходны. Простетической группой этих белков является гем. Гем расположен в гидрофобном кармане пептидной цепи каждого протомера, т.е. окружен неполярными остатками, за исключением 2-х остатков гистидина, расположенных по обе стороны плоскости гема. С одним из них (проксимальным гистидином) Fe2+ связано координационно по 5 координационному положению. Второй (дистальный) гистидин расположен почти напротив проксимального, но несколько дальше, поэтому 6-ое координационное положение Fe2+ остается свободным.  В неоксигенированном миоглобине или протомере гемоглобина атом железа выступает из плоскости кольца в направлении проксимального гистидина на 0,03 нм. В оксигенированном миоглобине (протомере гемоглобина) кислород занимает 6-ое координационное положение атома железа, при этом Fe2+ не меняет степени окисления. Такого эффекта позволяет достичь гидрофобное белковое окружение гема, которое не позволяет кислороду слишком сблизиться с железом, чтобы его окислить.  Железо, координируя О2, выступает из плоскости кольца лишь на 0,01 нм. Т.о., оксигенирование миоглобина сопровождается смещением атома железа и, следовательно, проксимального гистидина и ковалентно связанных с ним аминокислотных остатков в направлении плоскости кольца. В результате белковая глобула меняет конформацию. Эти изменения приводят в гемоглобине сопровождаются разрывом солевых связей между протомерами, что облегчает связывание следующих молекул О2. Тем самым проявляется эффект кооперативного связывания.

Кинетика оксигенирования миоглобина и гемоглобина

Почему миоглобин не способен транспортировать кислород, но зато активно его запасает? Для миоглобина изотерма адсорбции кислорода имеет форму гиперболы. Давление О2 в ткани, окружающей легочные капилляры, составляет 100 мм рт.ст., поэтому миоглобин в легких мог бы весьма эффективно насыщаться кислородом. В венозной крови Р О2 равно 40 мм рт. ст., а в активно работающей мышце - 20 мм рт.ст. Но даже при парциальном давлении 20 мм рт. ст. степень насыщения миоглобина кислородом будет весьма значительна, и поэтому миоглобин не может служить транспортной молекулой для доставки  О2 от легких к периферическим тканям. Однако при кислородном голодании, которым сопровождается тяжелая физическая работа, парциальное давление О2 в тканях может понизиться и до 5 мм рт.ст.; при столь низком давлении миоглобин легко отдает кислород, обеспечивая тем самым окислительный синтез АТФ в митохондриях мышечных клеток.

Кинетика оксигенирования гемоглобина коренным образом отличается от кинетики оксигенирования миоглобина. Кривая насыщения гемоглобина О2 имеет сигмоидальную форму. Т.о., способность гемоглобина связывать О2 зависит от того, содержатся ли в данном тетрамере другие молекулы О2. Если да, то последующие молекулы О2 присоединяются легче. Для гемоглобина характерна кинетика кооперативного связывания, благодаря которой он связывает максимальное количество О2 в легких и отдает максимальное количество О2 при тех значениях Р О2 , которые имеют место в периферических тканях.

Сродство гемоглобинов к О2 характеризуется величиной Р50- значением парциального давления О2, при котором наблюдается полунасыщение гемоглобина кислородом. Например, для HbA Р50 = 26 мм рт.ст., а для HbF - 20 мм рт. ст. Благодаря этой разнице гемоглобин F отбирает кислород у HbA, находящегося в плацентарной крови.

Транспорт двуокиси углерода

Гемоглобин не только переносит кислород от легких к периферическим тканям, но и ускоряет транспорт СО2 от тканей к легким. Гемоглобин связывает СО2 сразу после освобождения кислорода ( 15 % всего СО2). В эритроцитах происходит ферментативный процесс образования угольной кислоты из СО2, поступающего из тканей: СО2 + Н2О  =  Н2СО3. Угольная кислота  быстро диссоциирует на НСО3- и Н+. Для предотвращения опасного повышения кислотности должна существовать буферная система, способная поглощать избыток протонов. Гемоглобин связывает два протона на каждые четыре освободившиеся молекулы кислорода и определяет буферную емкость крови. В легких идет обратный процесс. Высвобождающиеся протоны связываются с бикарбонат- ионом с образованием угольной кислоты, которая под действием фермента превращается в СО2 и воду, СО2 выдыхается. Т.о., связывание О2 тесно сопряжено с выдыханием СО2. Это обратимое явление известно как эффект Бора. У миоглобина эффекта Бора не обнаруживается.

Ферменты

Ферменты - это биокатализаторы, образующиеся в клетке, и представляющие собой простые или сложные белки. Слово фермент происходит от латинского - fermentum -закваска; другое название ферментов - энзимы - происходит от греческого- enzyme - в дрожжах. В 30-х годах XX века некоторые ферменты были выделены в высокоочищенном кристаллическом состоянии. По химической природе кристаллы оказались белковыми.

История изучения ферментов тесно переплетается с историей катализа.  Катализом называют ускорение химической реакции, вызванное добавлением малых нестехиометрических количеств катализатора. Катализатор ускоряет реакцию не просто своим присутствием, а взаимодействием с веществом, подвергающимся превращению, но при этом регенерируется в ходе реакции.  Ферменты - биокатализаторы - не являются исключением.

Ферменты - это белки, и подобно всем белкам, они могут избирательно присоединять определенные вещества - лиганды.  Лиганд, подвергающийся химическому превращению под действием фермента, называют субстратом (S), продукты (P) реакции освобождаются в раствор.  Ферменты являются наиболее изученным классом белков. Это объясняется той важной ролью, которую играют ферменты: любое химическое превращение в организме происходит с их участием. К тому же, ферменты, в отличие от других белков, сравнительно легко обнаруживать  и измерять их количество по катализируемой реакции.

Особенности ферментов как биокатализаторов

Ферменты как катализаторы имеют ряд особенностей:

Высокоэффективные катализаторы - ускоряют реакцию в 1010раз:

1 моль каталазы при 00 С обеспечивает разложение за 1 мин 5 млн. H2O2, в то время как 1 моль Pt  катализирует только 250- 2000 молекул H2O2.  

Высокоспецифичны - катализируют, как правило,  реакцию одного типа или  воздействуют на один субстрат. Это наиболее важное свойство ферментов.

Эффективно работают в мягких условиях.  

Синтез аммиака по реакции: N2 + 3H2 = 2NH3 проводят при t = 500-5500C, p = 107-108Па, ферменты, содержащиеся в бобовых культурах обеспечивают протекание подобного процесса при обычных условиях.

Ферменты - это катализаторы, работу которых можно регулировать.

Классификация ферментов по типу катализируемой реакции и номенклатура ферментов

В номенклатуре ферментов, введенной Международным биохимическим союзом (IUB) используется принцип классификации ферментов по типу катализируемой реакции и ее механизму. Основные принципы номенклатуры следующие:

Выделяют 6 классов ферментов, катализирующих 6 типов реакций:

Оксидоредуктазы.

Трансферазы.

Гидролазы.

Лиазы

Изомеразы.

Лигазы.

В каждом из 6 классов имеется несколько подклассов (от 4 до 13). Систематическое название фермента состоит из 2-х частей: названия субстрата, типа катализируемой реакции и части слова -аза.

Активный центр ферментов

Ферменты (с точки зрения строения) – это глобулярные белки, которые имеют в глобуле полость или щель определенных размеров – активный центр фермента.

Общие черты активного центра фермента:

а.ц.ф. – небольшая часть белковой молекулы;

а.ц.ф. – имеет строго определенную трехмерную структуру и размеры;

а.ц.ф. – формируется из аминокислотных остатков, удаленных в первичной структуре, но сближенных в третичной структуре;

а.ц.ф. – состоит из связывающего и каталитического участков.

Если белок сложный, то простетическая группа входит в состав а.ц. фермента.

Вся белковая молекула укладывается определенным образом в пространстве, образуя единственно возможный  (термодинамически устойчивый) вариант третичной структуры данного белка, а следовательно и уникальный активный центр данного фермента.

Причины высокой каталитической активности.

Фермент поддерживает микроокружение субстрата в активном центре в состоянии отличном от его состояния в водной среде.

Располагает реагирующие атомы в правильной ориентации и на необходимом расстоянии друг от друга, чтобы обеспечить оптимальное протекание реакции.

За счет кооперативного взаимодействия субстрата и нескольких остатков аминокислот в активном центре фермент снижает энергию активации данной реакции. 

Субстратная специфичность

Структура активного центра фермента комплементарна структуре субстрата, т.е. соответствует ему по 1) форме, 2) размерам и 3) способности взаимодействовать. Это  является причинами высокой специфичности ферментов.

Первоначально модель активного центра, предложенная  Э.Фишером, трактовала взаимодействие субстрата и фермента по аналогии  с системой «ключ-замок» – модель «жесткой матрицы». Однако эта модель объясняла лишь абсолютную субстратную специфичность.

Кошланд предложил модель индуцированного соответствия. Главная черта этой модели – гибкость каталитического центра. В модели Фишера каталитический центр считается заранее подготовленным под форму молекулы-субстрата. В модели Кошланда субстрат индуцирует конформационные изменения фермента, и лишь в результате этих аминокислотные остатки и другие группы фермента принимают пространственную ориентацию, необходимую для связи с субстратом и катализа. Эта модель позволяет объяснить относительную специфичность фермента.

Каждый фермент катализирует не любые из всех возможных путей превращения субстрата, а какое-либо одно. Это свойство называется специфичностью пути превращения.

Кинетика ферментативных реакций

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата. Уравнение Михаэлиса-Ментен.

Любую ферментативную реакцию схематично можно описать следующим образом:

Поведение многих ферментов при изменении концентрации субстрата описывает  уравнение Михаэлиса-Ментен:

, где

- скорость ферментативной реакции,

- максимальная скорость ферментативной реакции при полном насыщении фермента субстратом,

– константа Михаэлиса,

– концентрация субстрата.

- константа образования фермент-субстратного комплекса ES,

- константа диссоциации фермент-субстратного комплекса ES.

Влияние концентрации субстрата на скорость ферментативной реакции, описываемое этим уравнением, можно изобразить графически:

равна концентрации субстрата при скорости ферментативной реакции, равной половине максимальной скорости и  характеризует сродство данного фермента к тому или иному субстрату.

Некоторые ферменты требуют высокой концентрации субстрата для достижения скорости, равной максимальной, другие (например, гексокиназа) достигают  при очень низкой концентрации субстрата.

Таблица. Значения констант Михаэлиса для некоторых ферментов.

Фермент

Субстрат

каталаза

H2O2

25

гексокиназа (мозг)

D-глюкоза

0,05

D-фруктоза

1,5

АТФ

0,4

карбоангидраза

HCO3-

9

химотрипсин

Gly-Tyr-Gly

108

N-бензоилтирозинамид

2,5

- скорость реакции при 250С, оптимальном значении рН, полном насыщении фермента субстратом.

- число оборотов фермента, т.е. число молекул субстрата, которое превращает одна молекула фермента за 1 минуту.

Например:

карбоксиангидраза       36000000

-амилаза                      1100000

фосфоглюкомутаза        1240

Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры

В пределах физиологических условий зависимость скорости реакции от температуры подчиняется законам химической кинетики, т.е. описывается уравнением Аррениуса. Так при увеличении температуры тела с 360С до 390С скорость биохимических процессов в организме увеличивается в 1,2 – 1,4 раза.

Выше определенной температуры начинается тепловая денатурация белковых молекул, в том числе и ферментов, которые при этом теряют свою биологическую активность.

Процесс денатурации белков играет большую роль в технологии пищевых продуктов при их тепловой обработке. При выпечке хлебобулочных изделий примерно при 60-700С белки теста (клейковина) денатурируют; этот процесс имеет большое значение при формировании мякиша изделия. Обработка свекловичной стружки водой при температуре 70-800С, осуществляемая при получении диффузионного сока, вызывает денатурацию белков мембран и протоплазмы клеток свекловичной стружки и резко повышает скорость диффузии сахарозы из нее. Бланшировка плодов и овощей перед их консервированием вызывает денатурацию (инактивацию) окислительно-восстановительных ферментов, ведет к сохранению витамина С. Тепловая обработка пищевых продуктов повышает их вкусовые качества, биологическую ценность, так как денатурированные белки легче подвергаются атаке пищеварительных ферментов.

Зависимость скорости ферментативной реакции от рН

Большинство ферментов характерным образом изменяют свою активность в зависимости от рН. Оптимальной активности соответствует определенная область рН, причем уменьшение и увеличение рН приводит к снижению активности. Для различных реакций значения оптимума рН колеблются в широких пределах от сильно кислой среды (например, для пепсина) до сильно щелочной  (например, для щелочной фосфотазы). Поэтому для работы с ферментами необходимо поддерживать рН с помощью соответствующего буфера.

Зависимость ферментативной активности от рН определяется значением рК ионогенных групп белковой молекулы, особенно тех, которые находятся в активном центре молекулы или вблизи него (и, возможно, играют роль в связывании кофермента), а также групп, ответственных за изменение состояния активного центра путем конформационных изменений белковой молекулы. Кроме того, рН может влиять на степень ионизации или пространственную организацию субстрата.

 Влияние активаторов и ингибиторов на активность ферментов

Активаторы - это молекулы или ионы, которые увеличивают активность ферментов. Часто в качестве активаторов выступают ионы металлов (Mn2+, Mg2+, Zn2+, Co2+, K+)  и хлорид-ион (Cl-). Механизм активации ферментов под действием этих ионов может быть разным:

ионы являются коферментами и входят в состав активного центра;

облегчают образование ES;

облегчают присоединение кофермента к апоферменту;

обеспечивают образование устойчивой четвертичной структуры белков.

Ингибиторы - это молекулы или ионы, снижающие активность ферментов.

Различают два больших класса ингибиторов ферментативной активности - на основании того, ослабляется (конкурентное ингибирование) или не ослабляется (неконкурентное ингибирование) их ингибирующее действие при повышении концентрации субстрата.

Другой способ классификации ингибиторов основывается на характере места их связывания с ферментом в том же месте, что и субстрат (в активном центре), а другие - на значительном расстоянии от активного центра.

Обратимое конкурентное ингибирование аналогами субстрата

Химическая структура ингибитора (I) сходна со структурой субстрата, поэтому связывание ингибитора с ферментом происходит в активном центре фермента с образованием комплекса E-I. Этот комплекс может диссоциировать. Когда в реакционной смеси одновременно присутствуют и субстрат, и ингибитор, то они конкурируют за один и тот же связывающий центр. При увеличении концентрации субстрата происходит вытеснение ингибитора из активного центра фермента. Таким образом, максимальная скорость ферментативной реакции в этом случае не меняется, а константа Михаэлиса (Км) уменьшается.

Обратимое неконкурентное ингибирование

В этом случае конкуренция между субстратом и ингибитором отсутствует. При этом ингибитор ничем не напоминает субстрат и связывается не с активным центром фермента. Обратимые неконкурентные ингибиторы понижают максимальную скорость, но не влияют на KM.

Необратимое ингибирование

Ферментативная активность может уменьшаться в присутствии многих "ядов", таких как иодацетамид, диизопропилфторфосфат (нервно-паралитический яд), ионы тяжелых металлов (Ag+, Hg2+), окисляющие агенты и т.д.

Многие инсектициды действуют по такому механизму.

Единицы ферментативной активности ферментов

Ферменты обнаруживают по превращению их субстратов, а количественно измеряют по величине каталитической активности, т.е. по скорости реакции, проходящей при участии фермента. Для этого измеряют начальную скорость реакции, когда она линейно зависит от концентрации фермента.

За единицу активности (Е) фермента принимают такое его количество, которое катализирует превращение 1 мкмоль субстрата за 1 мин (международная единица активности фермента  - 1 катал = 1моль/1c).

Концентрацию фермента в растворе выражают в единицах на 1 мл (Е/мл) (международная единица - катал/л).

Часто бывает необходимо выражать активность не в расчете на объем раствора, а в расчете на содержание белка. Удельная активность выражается в единицах фермента на 1 мг белка (Е/мг) (международная единица -катал/г).

Для сопоставления каталитической эффективности разных ферментов определяют молекулярную активность, которая соответствует числу единиц в 1 мкмоль фермента (Е/мкмоль) или соответствует числу молекул субстрата, превращаемых 1 молекулой фермента за 1 мин. Молекулярную активность можно определить лишь в том случае, если известны молекулярная масса фермента и его молекулярная концентрация в растворе.

Регуляция ферментативной активности

Для нормального функционирования организма должна осуществляться точная регуляция потока метаболитов по анаболическим и катаболическим путям. Все биохимические процессы должны быть скоординированы и должны отвечать на изменения во внешней среде (например, на поступление питательных веществ), а также на периодически происходящие внутриклеточные события (например, репликацию ДНК). Поток веществ, проходящий через ту или иную реакцию, можно регулировать, изменяя следующие параметры: 1) абсолютное количество присутствующего фермента; 2) каталитическую эффективность фермента.

Регуляция количества фермента путем регуляции скорости его синтеза и распада

Синтез и распад ферментов, как и других белков, происходит в организме непрерывно. У взрослого здорового человека в условиях динамического равновесия процессы синтеза и распада имеют одинаковую скорость, благодаря чему общее содержание ферментов не изменяется во времени. Однако, для адаптации к изменениям внешней среды или в ответ на внутриклеточные изменения, смещается равновесие между процессами синтеза и распада ферментов. У всех живых организмов синтез ферментов (из аминокислот) и распад (до аминокислот) представляют собой разные процессы, которые катализируются разными ферментами. В этих условиях легко осуществляется независимая регуляция скорости синтеза фермента и скорости его распада.

Клетки могут синтезировать специфические ферменты в ответ на присутствие специфических низкомолекулярных индукторов, т.е. веществ, которые могут влиять на скорость синтеза фермента и оказывать существенное воздействие на регуляцию обмена веществ путем соотношения ферментов в организме. Ферменты, концентрация которых всегда постоянна и не зависит от условий, называются конститутивными. Ферменты, концентрация которых может меняться, называются адаптивными.

Превращение ферментов в активные формы

Ферментативная активность может регулироваться путем превращения неактивного профермента в активную форму. Чтобы перейти в такую форму, профермент должен подвергнуться ограниченному протеолизу, сопровождающемуся конформационными изменениями; при этом происходит либо открытие активного центра, либо его формирование.

Синтез в форме проферментов характерен для пищеварительных ферментов, а также ферментов системы свертывания крови и системы фибринолиза.

Регуляция активности ферментов путем их ковалентной модификации

Обратимое изменение каталитической активности ферментов может осуществляться путем ковалентного присоединения фосфатной группы (преобладает у млекопитающих) и ли нуклеотида (преобладает у бактерий). Ферменты, подверженные ковалентной модификации, которая сопровождается изменением их активности, называют обратимо модифицируемыми ферментами.

Обратимо модифицируемые ферменты могут находиться в двух состояниях, одно из которых характеризуется высокой, а другое - низкой каталитической эффективностью. В зависимости от конкретного случая более активным катализатором может быть либо фосфо-, либо дефосфофермент.

Таблица. Сравнительная активность обратимо модифицируемых ферментов млекопитающих (Е - дефосфофермент, ЕР - фосфофермент).

Фермент

Состояние активности

низкая

высокая

Гликогенсинтаза

ЕР

Е

Гликогенфосфорилаза

Е

ЕР

Фосфорилирование протекает соответственно по остаткам серина и тирозина. Фосфорилирование и дефосфорилирование катализируется протеинкиназами и протеинфосфотазами. Активность протеинкиназ регулируется с помощью белковых ингибиторов.

Аллостерическая регуляция

Последовательность реакций синтеза сложного природного соединения из простых называется анаболическим путем, а последовательность реакций его распада - катаболическим путем. Катаболические и анаболические пути одного итого же вещества не совпадают полностью. Как правило, биохимические реакции, различающиеся в катаболическом и анаболическом путях, катализируются ключевыми аллостерическими ферментами, которые называют также регуляторными. Благодаря существованию таких ферментов возможно независимое регулирование процессов синтеза и распада.

Аллостерические ферменты помимо активного центра имеют еще специфический регуляторный центр (аллостерический центр), с которым могут специфически связываться некоторые соединения, способные активировать или ингибировать ферменты (аллостерические модификаторы или эффекторы).

Аллостерические ферменты, как правило, состоят из 2-х или более субъединиц. Одна субъединица имеет активный (каталитический) центр, а другая - регуляторный. На рисунке представлена схема аллостерического ингибирования фермента:

В отсутствии аллостерического ингибитора субстрат  присоединяется к активному центру и происходит реакция. Если в среде есть аллостерический ингибитор, то он присоединяется к регуляторному центру, что ведет к изменению конформации регуляторной субъединицы, а затем - каталитической субъединицы. В результате активность фермента снижается.

Кинетика аллостерических ферментов не подчиняется уравнению Михаэлиса-Ментен. Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата носит сигмоидальный (S-образный) характер.

Ингибирование по принципу обратной связи

Ингибирование фермента, катализирующего одну из реакций в цепи, конечным продуктом этой цепи называют  ингибированием по принципу обратной связи. В цепи реакций биосинтеза D  из A, катализируемой ферментами Е1, Е2, Е3, при высоких концентрациях D обычно наблюдается ингибирование превращения А в В. D действует как отрицательный аллостерический эффектор фермента, или ингибитор, действующий по принципу обратной связи.

В кинетическом плане ингибирование по принципу обратной связи может быть конкурентным, неконкурентным.

Коферментами многих ферментов являются производные водорастворимых витаминов.

Углеводы

Общая характеристика и классификация.

Углеводы – это природные соединения, имеющие в подавляющем большинстве  состав Cn(H2O)m. Их подразделяют на низкомолекулярные углеводы и продукты их поликонденсации.

Моносахариды – мономеры, из остатков которых состоят углеводы более сложного строения.

Олигосахариды – олигомеры, содержащие от 2 до 10 моносахаридных остатков.

Полисахариды – полимеры, включающие до нескольких тысяч моносахаридных звеньев.

Моносахариды

Моносахариды – это полигидроксикарбонильные соединения, в которых каждый атом углерода (кроме карбонильного) связан с группой ОН. Общая формула моносахаридов – Сn(H2O)n, где n =3-9.

По химическому строению различают:

  •  альдозы – моносахариды, содержащие альдегидную группу;
  •  кетозы – моносахариды, содержащие кетонную группу (как правило, в положении 2).

В зависимости от длины углеродной цепи моносахариды делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д. Обычно моносахариды классифицируют с учетом сразу двух этих признаков:

В природе встречаются производные моносахаридов, содержащие аминогруппу (аминосахара), карбоксильную группу (сиаловые кислоты, аскорбиновая кислота), а также атом Н вместо одной или нескольких групп ОН (дезоксисахара). Наиболее важными производными моносахаридов являются амино- и дезоксисахара.

Все моносахариды (кроме дигидроксиацетона) содержат хиральные атомы углерода и имеют стереоизомеры. Простейшая альдоза , глицериновый альдегид, содержит один хиральный атом С и существует в виде двух оптических изомеров – D и L:

По мере увеличения длины цепи количество стереоизомеров у альдогексоз растет. В соответствии с числом хиральных центров существует 4 стереоизомерных альдотетрозы, 8 альдопентоз, 16 альдогексоз и т.д. В зависимости от конфигурации наиболее удаленного от карбонильной группы хирального атома С все моносахариды делят на два стереохимических ряда – D-моносахариды и L-моносахариды:

Подавляющее большинство природных моносахаридов принадлежит к D-ряду.

Родоначальником ряда D-альдоз является D-глицериновый альдегид. Остальные D-альдозы могут быть построены на основе D-глицеральдегида путем последовательной вставки фрагмента СНОН сразу после карбонильной группы. Стереоизомерные альдозы имеют тривиальные названия

Ряд D-кетоз может быть построен на основе простейшей кетозы – дигидроксиацетона. Названия кетоз образуются из названий соответствующих альдоз путем введения суффикса «ул». Для некоторых кетоз утвердились тривиальные названия.

Цикло-оксо-таутомерия

Карбонильная и гидроксильная группы моносахаридов взаимодействуют внутримолекулярно с образованием циклического полуацеталя:

При этом возникает новый хиральный центр – бывший карбонильный, а теперь аномерный атом углерода. Наиболее устойчивы циклические полуацетали, содержащие шестичленный (пиранозный) или пятичленный (фуранозный) циклы. Они образуются при взаимодействии альдегидной группы с гидроксильной группой в положении 5 или 4 моносахарида соответственно. На рисунке представлена схема образования циклических форм D-глюкозы:


Циклические формы моносахаридов изображают с помощью
формул Хеуорса. Молекулу представляют в виде плоского цикла, перпендикулярного плоскости рисунка. Заместители, находившиеся в формуле Фишера слева, располагают над плоскостью цикла, справа – под плоскостью.

Существование равновесия между линейной и циклическими формами моносахаридов получило название цикло-оксо-таутомерии.

Растворение кристаллического моносахарида сопровождается постепенным таутомерным превращением, которое заканчивается установлением таутомерного равновесия. Каждая таутомерная форма оптически активна и имеет свою величину удельного вращения. Поэтому за таутомерным превращением можно следить по изменению удельного вращения раствора, которое заканчивается с установлением равновесия. Явление изменения удельного вращения свежеприготовленного раствора моносахарида называют мутаротацией. Явление мутаротации – одно из доказательств существования цикло-оксо-таутомерии у моносахаридов.

Химические свойства

Химические свойства моносахаридов определяются наличием карбонильной группы (в линейной форме), полуацетального гидроксила (в циклических формах) и спиртовых ОН групп.

Моносахариды способны окисляться. Альдозы легко окисляются ионами меди (II) и ионами серебра (I) даже в нейтральной среде. Кетоды в щелочной среде изомеризуются в альдозы и также восстанавливают соединения меди и серебра.

Циклические формы моносахаридов содержат несколько групп ОН, одна из которых – гликозидный (полуацетальный) гидроксил, обладает особыми свойствами.

В альдозах и кетозах происходит замещение гликозидного (полуацетального) гидроксила с образованием ацеталя. Спиртовые ОН группы при этом не затрагиваются. Продукты замещения гликозидного гидроксила в моносахаридах называют гликозидами.

Гликозиды существуют только в циклической форме. Для них не характерна цикло-оксо-таутомерия и - и -аномеры гликозидов не могут переходить друг в друга в результате таутомерных превращений. Гликозиды не имеют свободной альдегидной группы и поэтому являются невосстанавливающими сахарами.

Дисахариды

Дисахариды состоят из  двух моносахаридных остатков, связанных гликозидной связью. Их можно рассматривать как О-гликозиды, в которых агликоном является остаток моносахарида.

Возможно два варианта образования гликозидной связи:

  1.  за счет гликозидного гидроксила одного моносахарида и спиртового гидроксила другого моносахарида;
  2.  за счет гликозидных гидроксилов обоих моносахаридов.

Дисахарид, образованный первым способом, содержит свободный гликозидный гидроксил, сохраняет способность  к цикло-оксо-таутомерии и обладает восстанавливающими свойствами.

В дисахариде, образованном вторым способом, нет свободного гликозидного гидроксила. Такой дисахарид не способен к цикло-оксо-таутомерии и является невосстанавливающим.

В природе в свободном виде встречается незначительное число дисахаридов. Важнейшими из них являются мальтоза, целлобиоза, лактоза и сахароза.

Мальтоза содержится в солоде и образуется при  неполном гидролизе крахмала. Молекула мальтозы состоит из двух остатков D-глюкозы. Гликозидная связь между ними образована за счет гидроксильной группы в положении 4 одного моносахарида и гликозидного гидроксила в -конфигурации другого моносахарида. Таким образом, мальтоза – это восстанавливающий дисахарид.

Целлобиоза – продукт неполного гидролиза целлюлозы. Молекула целлобиозы состоит из двух остатков D-глюкозы, связанных -1,4-гликозидной связью. Целлобиоза – восстанавливающий дисахарид.

Лактоза содержится в молоке (4-5%). Молекула лактозы состоит из остатков D-галактозы и D-глюкозы, связанных -1,4-гликозидной связью. Лактоза – восстанавливающий дисахарид.

Сахароза содержится в сахарном тростнике, сахарной свекле, соках растений и плодах. Она состоит из остатков D-глюкозы и D-фруктозы, которые связаны за счет гликозидных гидроксилов. Таким образом, сахароза – невосстанавливающий дисахарид. В составе сахарозы D-глюкоза находится в пиранозной, а D-фруктоза – в фуранозной форме.

Полисахариды

Полисахариды – полимеры, построенные из моносахаридных остатков, связанных гликозидными связями. Полисахариды могут иметь линейное или разветвленное строение. Полисахариды, состоящие их одинаковых моносахаридных остатков, называют гомополисахаридами, из остатков разных моносахаридов – гетерополисахаридами.

Гомополисахариды

Крахмал – полисахарид растительного происхождения. Его основная биологическая функция – запасное вещество растений.

Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов – амилозы (10-20%) и амилопектина (80-90%)

Амилоза – линейный гомополисахарид, состоящий из остатков D-глюкопиранозы, связанных -1,4-гликозидными связями. Структурным элементом амилозы является дисахарид мальтоза.

За счет спиралеобразной конформации амилоза способна образовывать соединения включения с молекулярным иодом. Комплексы крахмала с иодом имеют интенсивную синюю окраску. Реакция используется как качественная на иод и крахмал.

Гликоген – это запасной полисахарид животных и человека. По строению гликоген подобен амилопектину, однако содержит большее число разветвлений – через каждые 10-12 моносахаридных звеньев.

Целлюлоза – самый распространенный растительный полисахарид. Он выполяет функцию опорного материала растений. Целлюлоза – линейный гомополисахарид, построенный из остатков D-глюкопиранозы, связанных -1,4-гликозидными связями. Структурным элементом целлюлозы является целлобиоза.

Среди других гомополисахаридов стоит отметить следующие.

Хитин – основной полисахарид роговых оболочек насекомых и ракообразных, встречается в грибах. Хитин - неразветвленный полисахарид, построенный их остатков N-ацетил-D-глюкозамина, связанных -1,4-гликозидными связями.

Пектиновые вещества содержатся в ягодах, фруктах и овощах, способствуют желеобразованию Основной компонент пектиновых веществ – пектовая кислота – линейный полисахарид, построенный их остатков D-галактуроновой кислоты, связанных -1,4-гликозидными связями.

Карраген - разветвленный полисахарид, построенный из остатков галактозы. Используется в пищевой промышленности как желатирующая добавка, выделяется из водорослей.

Гетерополисахариды

Гетерополисахариды имеют в основном животное или бактериальное происхождение. Важное значение имеют гетерополисахариды, входящие в состав соединительной ткани. Полисахариды соединительной ткани находятся в виде углевод-белковых комплексов - протеогликанов. Наиболее важные из них: хондроитинсульфаты (кожа, хрящи, сухожилия), гиалуроновая кислота (хрящи, стекловидное тело глаза, суставная жидкость).

Гетерополисахарид растительного происхождения - агароза- используется впищевой промышленности с торговым названием агар-агар. Этот полисахарид  состоит из остатков галактозы и аминогалактозы, его выделяют из красных водорослей.

Липиды

Липиды – это входящие в состав живых организмов жироподобные вещества, плохо растворимые в воде и хорошо растворимые в неполярных органических растворителях. Под этим названием объединяют разные по химическому строению и биологическим функциям вещества, которые извлекают из растительных и животных тканей путем экстракции неполярными органическими растворителями.

В зависимости от способности к гидролизу с образованием солей высших жирных кислот (мыл) липиды делят на омыляемые и неомыляемые.

Классификация и основные структурные компоненты омыляемых липидов.

Омыляемые липиды состоят из двух или более структурных компонентов, на которые они расщепляются  при гидролизе под действием кислот, щелочей или ферментов липаз.

Основными структурными компонентами омыляемых липидов являются спирты и высшие жирные кислоты. Омыляемые липиды более сложного строения могут содержать остатки фосфорной кислоты, аминоспиртов, а также остатки моно- и олигосахаридов.

Высшие жирные кислоты –

это карбоновые кислоты, насыщенные или ненасыщенные, выделенные из жиров путем гидролиза. Для их строения характерны следующие основные особенности:

  •  имеют неразветвленную структуру с четным числом атомов углерода от С2 до С80, но чаще всего встречаются кислоты состава С16, С18 и С20;
  •  ненасыщенные кислоты, как правило, содержат двойную связь в положении 9;
  •  если двойных связей несколько, то они разделены группой СН2;
  •  двойные связи в ненасыщенных кислотах имеют цис-конфигурацию.

Основные жирные кислоты приведены в таблице.

Таблица. Основные жирные кислоты в составе липидов.

Название

Число атомов С

Формула

Структура

Насыщенные

Масляная

С4

C3H7COOH

СH3(CH2)2COOH

Капроновая

С6

C5H11COOH

СH3(CH2)4COOH

Каприловая

С8

C7H15COOH

СH3(CH2)6COOH

Каприновая

С10

C9H19COOH

СH3(CH2)8COOH

Лауриновая

С12

C11H23COOH

СH3(CH2)10COOH

Миристиновая

С14

C13H27COOH

СH3(CH2)12COOH

Пальмитиновая

С16

C15H31COOH

СH3(CH2)14COOH

Стеариновая

С18

C17H35COOH

СH3(CH2)16COOH

Арахиновая

С20

C19H39COOH

СH3(CH2)18COOH

Ненасыщенные

Олеиновая

С18

C17H33COOH

Линолевая

С18

C17H31COOH

Линоленовая

С18

C17H29COOH

Арахидоновая

С20

C19H31COOH

Ненасыщенные жирные кислоты (линолевая, линоленовая, арахидоновая) являются незаменимыми и поступают в организм человека в основном с растительными маслами. Насыщенные жирные кислоты синтезируются в организме из уксусной кислоты ферментативным путем.

В составе липидов высшие жирные кислоты связаны сложноэфирными или амидными связями со спиртами, важнейшими из которых являются трехатомный спирт глицерин и аминоспирт сфингозин.

В соответствии с их химическим строением и биологическими функциями различают три основные группы омыляемых липидов: нейтральные липиды, фосфолипиды и гликолипиды.

Нейтральные липиды

Нейтральные липиды представляют собой сложные эфиры высших жирных кислот и спиртов (высших одноатомных, глицерина, холестерина и др). Наиболее важными из них являются триацилглицериды и воски.

Триацилглицериды

Триацилглицериды – это сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот.

Простые триацилглицериды содержат остатки одинаковых, смешанные – разных жирных кислот. Названия триацилглицеридов строятся на основе названий ацильных остатков, входящих в их состав жирных кислот.

Смешанные триацилглицериды могут содержать хиральный атом углерода в положении 2 и иметь энантиомеры.

Триацилглицериды – малополярные, не растворимые в воде вещества, так как их молекулы не содержат сильнополярных или заряженных групп. Триацилглицериды, содержащие преимущественно остатки ненасыщенных кислот, при обычных условиях являются жидкостями, насыщенных кислот – твердыми веществами. Они входят в состав животных жиров и растительных масел, которые представляют собой смеси  триацилглицеридов. Животные жиры содержат в основном триацилглицериды с остатками насыщенных кислот и поэтому имеют твердую консистенцию. Растительные масла включают в основном остатки ненасыщенных кислот и являются жидкостями. Основная биологическая функция триацилглицеридов – запасные вещества животных и растений.

По способности высыхать на воздухе масла подразделяются на высыхающие (льняное, конопляное), полувысыхающие (подсолнечное, кукурузное, хлопковое, соевое, арахисовое), невысыхающие (оливковое, миндальное, касторовое). Это свойство масел определяется их жирнокислотным составом. Высыхающие масла содержат больше линоленовой кислоты, полувысыхающие – линолевой и олеиновой, а невысыхающие в основном представлены триацилглицеролами олеиновой, рициноленовой и насыщенных жирных кислот.

Химические свойства триацилглицеридов определяются наличием сложноэфирной связи и ненасыщенностью. Как сложные эфиры триацилглицериды гидролизуются под действием кислот и щелочей, а также вступают в реакцию переэтерификации.

При щелочном гидролизе (омылении) жиров образуются соли жирных кислот (мыла). Их молекулы дифильны (содержат полярную «голову» и неполярный «хвост»), что обуславливает их повехностно-активные свойства и моющее действие.

Триацилглицериды, содержащие остатки ненасыщенных жирных кислот, вступают в реакции присоединения по двойной связи.

Реакция присоединения галогенов используется для определения содержания остатков ненасыщенных кислот в жирах. Количественной характеристикой степени ненасыщенности жиров служит иодное число – количество иода (в г), которое могут поглотить 100 г жира. У животных жиров иодное число меньше 70, у растительных масел больше 70.

Важным промышленным процессом является гидрогенизация жиров – каталитическое гидрирование растительных масел, в результате которого водород насыщает двойные связи, и жидкие масла превращаются в твердые жиры (маргарин). В процессе гидрогенизации происходит также изомеризация – перемещение двойных связей (при этом из полиненасыщенных кислот образуются кислоты с реакционноспособными, в том числе и в реакциях окисления, сопряженными двойными связями) и изменение их стереохимической конфигурации (цис в транс), а также частичное расщепление сложноэфирных связей. Существует мнение, что при этом образуются вещества небезопасные для организма. Наибольшей пищевой ценностью обладают растительные масла, которые наряду с незаменимыми жирными кислотами содержат необходимые для организма фосфолипиды, витамины, полезные фитостерины (предшественники витамина D) и практически не содержат холестерин.

Воски

Воски – это сложные эфиры жирных кислот и высших одноатомных спиртов (С12 – С46). Воски входят в состав защитного покрытия листьев растений и кожи человека и животных. Они придают поверхности характерный блеск и водоотталкивающие свойства, что важно для сохранения воды внутри организма и создания барьера между организмом и окружающей средой.

Фосфолипиды

Фосфолипиды – общее название липидов, содержащих остаток фосфорной кислоты. Фосфолипиды – основные липидные компоненты клеточных мембран.

Основные структурные компоненты молекул фосфосфинголипидов – сфингозин, жирные кислоты, фосфорная кислота, аминоспирты этаноламин или холин.

Неомыляемые липиды

К неомыляемым относят липиды, которые не являются производными жирных кислот и не способны к гидролизу. Под этим названием имеют в виду огромное число разных по химическому строению и биологическим функциям природных соединений, которые объединяет сходство в строении углеродного скелета

Стероиды – природные биологически активные соединения, основу структуры которых составляет углеводород стеран.

Холестерин является наиболее распространенным стерином животных и человека. Он присутствует во всех животных липидах, крови и желчи. Мозг содержит 7% холестерина в расчете на сухую массу. Нарушение обмена холестерина приводит к его отложению на стенках артерий и атеросклерозу, а также к образованию желчных камней.

На долю триацилглицеролов (ТАГ) приходится 98% общего количества липидов в пище, остальные 2% составляют фосфолипиды, холестерин и его эфиры.

Хотя липиды нередко обеспечивают значительную часть суточной потребности (до 40% в развитых странах) в энергии, это не является их основной функцией. Пищевые липиды повышают вкусовые качества пищи, обеспечивают состояние насыщения, действуют как пищевые растворители для жирорастворимых витаминов и служат источником незаменимых полиненасыщенных жирных кислот (линолевой, линоленовой, арахидоновой кислот), синтезировать которые организм не способен.

Липидные Мембраны

Липидный бислой – основа всех мембран

Молекулы фосфолипидов дифильны. Они содержат полярную гидрофильную «голову» и неполярный гидрофобный «хвост». В водной среде они способны образовывать сферические мицеллы – липосомы, которые можно рассматривать как модель клеточных мембран.

Фосфолипиды – основные структурные компоненты клеточных мембран. Клеточные мембраны рассматриваются как липидные бислои. В таком бислое углеводородные радикалы фосфолипидов за счет гидрофобных взаимодействий находятся внутри, а полярные группы липидов располагаются на внешней поверхности бислоя.

Важную роль в стабилизации липидных мембран играет холестерол. Примерно половина молекул липидов – молекулы холестерола. Полярная гидроксильная группа холестерола (полярная «головка») взаимодействует с полярными группами фосфолипидов, а жесткий гидрофобный углеводородный радикал – с верней частью углеводородных радикалов жирных кислот. Молекулы холестерола, в отличие от фосфолипидов, могут переходить из одного монослоя в другой, тем самым обеспечивая упругость мембран. Кроме того, холестерол придает мембранам определенную жесткость и уменьшает проницаемость мембран для заряженных молекул.

Жидко-мозаичное строение мембран

Мембраны – вязкие, но пластичные структуры. Согласно жидкостно-мозаичной модели в жидкий липидный бислой встроены молекулы белков, гликолипидов и гликопротеинов. Эти молекулы составляют 50% по массе всех компонентов мембран.

Мембранные белки, гликопротеины и гликолипиды, связанные с мембранными липидами ковалентно или пронизывающие липидные бислои насквозь, называют интегральными; молекулярные комплексы, связанные с поверхностью мембран, - периферическими.

Функции мембранных гликолипидов, гликопротеинов, белков

  •  Белки-переносчики гидрофильных молекул или ионов через мембрану.
  •  Ферменты, взаимодействующие с жирорастворимыми веществами.
  •  Рецепторы на поверхности клеток (гликолипиды и гликопротеины).

Свойства цитоплазматических мембран клеток

  •  Мембраны – жидкие вязкие текучие структуры.
  •  Мембраны обеспечивают гидрофобный барьер для гидрофильных веществ.
  •  Мембраны ассиметричны, т.е. монослои различаются фосфолипидным составом, распределением холестерола и белков.

Основываясь на свойствам мембран была предложена жидко-мозаичная модель строения мембран.

Перенос веществ через мембрану

Перенос веществ через мембрану может осуществляться по градиенту концентраций  (пассивный транспорт) и против градиента концентраций (активный транспорт).

Пассивный транспорт

Гидрофобная внутренняя часть мембраны является барьером для полярных молекул, но малые незаряженные или гидрофобные молекулы легко диффундируют через липидный бислой, например: вода, углекислый газ, кислород, спирт, мочевина, стероиды. Несколько медленнее протекает диффузия глицерина и глюкозы. Такой вид транспорта осуществляется только по градиенту концентраций и называется свободной диффузией.

Для переноса заряженных молекул функционируют специальные белки. Выделяют два основных класса белков-переносчиков:

  •  каналообразующие белки, которые формируют в мембране поры, заполненные водой;
  •  белки, связывающие переносимую молекулу с изменением конформации так, что переносимое вещество оказывается внутри клетки (или наоборот).

Такой тип переноса веществ по градиенту концентраций называется облегченной диффузией.

Активный транспорт

Клеткам необходимо перемещать вещества против градиента концентраций. Такое перемещение требует затрат энергии и называется активным транспортом. Как правило, белки-переносчики являются одновременно ферментами (АТФ-азами), способными гидролизовать АТФ. Таким образом, перенос веществ через мембрану против градиента концентраций сопряжен с гидролизом АТФ. 30-40% всей потребляемой энергии клетками расходуется на поддержание внутреннего содержания клетки за счет активного транспорта (Na+-K+-АТФаза).

Различают первично активный транспорт и вторично активный транспорт.

Механизмы переноса веществ через мембрану

Унипорт – независимый перенос одного вещества в одну сторону.

Симпорт –взаимосвязанный перенос двух веществ в одну строну.

Антипорт –взаимосвязанный перенос двух веществ в разные стороны через мембрану.

Обмен веществ и энергии в клетке

Биоэнергетика. Основные понятия и определения

Особенности живых организмов как объектов для термодинамических исследований

Химическая термодинамика является теоретической основой биоэнергетики. Биоэнергетика занимается изучением энергетических превращений, сопровождающих биохимические реакции. Все эти превращения осуществляются в полном соответствии с первым и вторым началами термодинамики.

Сопряжение экзергонических процессов с эндергоническими

Человек получает энергию за счет разложения органических веществ пищи. Органические вещества являются термодинамически нестабильными. Катаболические превращения этих веществ (распад или окисление) протекают  с уменьшением свободной энергии. Такие процессы являются самопроизвольными (экзергоническими -G<0) и могут служить источником энергии для функционирования живой клетки. Все процессы, которые идут с увеличением свободной энергии (эндергонические -G>0), несамопроизвольные и должны быть сопряжены с экзергоническими процессами.

Жизненно важные процессы - реакции синтеза (т.е. анаболические процессы), мышечное сокращение, активный транспорт - являются эндергоническими процессами. Эндергонический процесс не может протекать изолированно. Такие процессы получают энергию путем химического сопряжения с реакциями окисления молекул пищевых веществ (катаболическими процессами), которые являются экзергоническими реакциями. Совокупность метаболических и анаболических процессов есть метаболизм.

Схематически такое сопряжение можно проиллюстрировать следующим образом. Пусть превращение метаболита (промежуточного соединения в цепи реакций) А в метаболит В сопровождается выделением  свободной энергии. Оно сопряжено с другой реакцией - превращением метаболита С в метаболит D, которое может происходить лишь при поступлении свободной энергии.

Каким же образом осуществляется это сопряжение?

Одним из возможных механизмов состоит в образовании промежуточного соединения - общего для обеих реакций.

A + C    I     B + D

Здесь заложен механизм регуляции скорости окислительных процессов, т.к. скорость потребления  D определяет скорость окисления А. Этим путем осуществляется дыхательный контроль - процесс, позволяющий организму избежать неконтролируемого самоокисления.

Другим примером сопряжения являются дегидрогеназные реакции (реакции отщепления атомов водорода), промежуточным соединением, в которых является промежуточный переносчик атомов водорода.

Еще один пример сопряжения состоит в синтезе в ходе экзергонических реакций высокоэнергетического соединения, общего для многих процессов, и последующего включения этого соединения в эндергонические реакции, что обеспечивает передачу энергии. Таким общим для многих реакций соединением - энергетической валютой клетки - является аденозинтрифосфат (АТР).

Это позволяет сопрягать большее число экзергонических реакций  с большим числом эндергонических. В молекуле АТР две макроэргические связи, т.е. связи, при гидролизе которых высвобождается  энергия.

Макроэргические соединения

Энергия, освобождающаяся при реакциях гидролиза разных веществ, обычно невелика. Если она превышает 30 кДж/моль, то такую связь называют высокоэнергетической. Энергия гидролиза некоторых субстратов приведена в таблице.

Макроэргические соединения можно разделить на две группы:

1)Соединения, образующиеся в ходе процессов катаболизма и служащие для превращения энергии в качестве передаточного звена (1,3-дифосфоглицерат, фосфоенолпируват - промежуточные метаболиты катаболизма углеводов).

2) Соединения, которые могут быть использованы тканями в качестве "аварийного" источника энергии (креатинфосфат  локализован в основном в мышцах и служит дополнительным источником энергии при стремительных кратковременных нагрузках).

Фазы освобождения энергии из питательных веществ

Характер метаболизма в тканях во многом определяется питанием. У человека метаболическим превращениям подвергаются, главным образом, глюкоза, жиры и аминокислоты. Глюкоза и аминокислоты - структурные компоненты белков и углеводов. Таким образом, необходимыми компонентами пищи являются белки углеводы и жиры.

В ходе извлечения энергии из различных субстратов можно условно выделить три фазы катаболизма питательных веществ.

Первая фаза - подготовительная. Она необходима для превращения полимеров, поступающих с пищей или находящихся внутри клетки, в удобную для извлечения энергии форму - мономеры. На этом этапе освобождается около 1% всей энергии, запасенной в питательных веществах. Эта энергия рассеивается в форме теплоты.

Вторая фаза - частичный распад мономеров до ключевых промежуточных продуктов: пирувата, ацетил-КоА и некоторых метаболитов цикла Кребса. На этом этапе освобождается около 20% энергии. Эта стадия  называется промежуточный обмен. Реакции промежуточного обмена протекают в цитоплазме.

Третья фаза - окончательный распад всех веществ до CO2 и H2O. Этот этап включает реакции общего пути катаболизма (окислительное декарбоксилирование пирувата, цикл Кребса) и цепь переноса электронов. Примерно 80% всей энергии химических связей освобождается в данной фазе. Все реакции этой фазы локализуются в митохондриях.

Роль высокоэнергетических фосфатов в улавливании энергии.  Клеточное дыхание

Главный путь синтеза АТФ из АДФ - окислительное фосфорилирование. При этом АДФ фосфорилируется неорганическим фосфатом:

АДФ  +   H3PO4  +  энергия    АТФ  +  H2O

Реакция энергетически сопряжена с переносом водорода с восстановительных эквивалентов на кислород. Восстановительные эквиваленты образуются при окислении органических молекул. Последовательность реакций, с помощью которых организм использует энергию связей органических молекул для синтеза АТФ, и при этом углерод органических молекул превращается в углекислый газ, а  водород (Н+ и е-) переносится на молекулярный кислород с образованием молекулы воды, называется клеточным дыханием.

Другой путь синтеза АТФ из АДФ - субстратное фосфорилирование. В этом случае макроэргическая связь в молекуле АТФ может образоваться за счет энергии макроэргической связи в другом субстрате (например, креатинфосфате).

Таким образом, энергия пищевых веществ в клетке трансформируется сначала в энергию АТФ, а затем АТФ служит непосредственным источником энергии для совершения работы в биохимических и физиологических процессах.

Биохимия питания

Основные компоненты пищи

Главную долю органических веществ пищи составляют углеводы, белки, жиры. Часть веществ – это минорные компоненты, требующиеся в малом количестве, например, витамины. Пищевые вещества бывают заменимыми и незаменимыми. Заменимые могут образовываться в организме из других веществ, незаменимые не могут синтезироваться и должны поступать в организм с пищей.

Незаменимые аминокислоты

Из 20 аминокислот, входящих в состав белков, 9 являются незаменимыми: гистидин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан, валин, лизин, лейцин, изолейцин. Еще 2 а.к.: цистеин, тирозин – могут образовываться из незаменимых аминокислот. Качество белков (пищевая ценность) определяется соотношением доли незаменимых аминокислот к общему числу аминокислот. Белки яиц и молока обладают высокой пищевой ценностью. Высококачественные белки содержит также мясо, а растительные белки характеризуются относительным дефицитом некоторых аминокислот. Например, в зернах кукурузы и злаков мало триптофана и лизина, а в бобовых – метионина. Белковая недостаточность приводит к заболеванию квашиоркор: задержка роста, малокровие, поражение печени и почек.

Потребность в липидах

Хотя липиды обеспечивают значительную часть суточной потребности в энергии, это не является основной функцией пищевых липидов. Они обеспечивают вкусовые качества пищи, состояние насыщения, а также действуют как жировые растворители для жирорастворимых витаминов. Кроме того, липиды пищи служат источником незаменимых полиненасыщенных жирных кислот: линолевой, линоленовой арахидоновой. Эти кислоты входят в состав растительных масел. Незаменимые жирные кислоты являются предшественниками биологически активных соединений: лейкотриенов, простогландинов, тромбоксанов.

Потребность в пищевых волокнах

Пищевые волокна (клетчатка) – компоненты стенок растительных клеток, которые не расщепляются ферментами животных организмов. К ним относятся целлюлоза, лигнин, смолы, пектины. Богатая волокнами диета оказывает благоприятный эффект, способствуя задержке воды при проходении пищи по кишечнику. Такая диета снижает вероятность сердечно-сосудистых заболеваний, сахарного диабета, рака толстой кишки.

Пектины в большом количестве содержатся во фруктах и овощах и снижают уровень холестерина в крови. Они препятствуют быстрому опорожнению желудка и замедляют всасывание глюкозы, снижая ее уровень в крови после приема пищи.

Витамины

Витамины – это необходимые для нормальной жизнедеятельности низкомолекулярные органические соединения, синтез которых в организме ограничен или отсутствует.

По физико-химическим свойствам витамины делят на две группы: жирорастворимые и водорастворимые. К водорастворимым относятся тиамин (В1), рибофлавин (В2), никотинамид, пантотеновая кислота, пиридоксин (В6), биотин, фолиевая кислота, витамин В12, аскорбиновая кислота (С). Водорастворимые витамины являются  предшественниками многих коферментов. Биохимические функции жирорастворимых витаминов А, Д, Е и К более разнообразны.

Водорастворимые витамины

Тиамин (витамин В1)

Содержится в мясе, бобах, неочищенном зерне, рыбе.

Суточная потребность 1-1,5 мг.

Этот витамин служит предшественником тиаминдифосфата (ТДФ), который является коферментом в реакциях окислительного декарбоксилирования. ТДФ выполняет роль промежуточного переносчика альдегидных групп.

При недостатке витамина В1 снижается способность клеток вырабатывать энергию. При этом появляется потеря аппетита, тошнота, усталость, депрессия. Этот витамин называют антиневритным фактором. Если в диете много углеводов, следует увеличить дсуточную дозу витамина В1. Хроническая недостаточность тиамина приводит к заболеванию «бери-бери»: расстройство координации движений, спутанность сознания, мышечная слабость, снижение частоты сердечных сокращений, отек конечностей. Причина смерти – сердечная недостаточность.

Рибофлавин (витамин В2)

Содержится в молоке, мясе, желтых овощах.

Суточная потребность 1,2-1,7 мг.

Витамин В2 служит предшественником  флавинадениндинуклеотида (ФАД), флавинмононуклеотида (ФМН), которые являются коферментами окислительно-восстановительных реакций.

Сукцинатдегидрогеназа (фермент ЦЛК и комплекс II ЦПЭ) и флавопротеины ЦПЭ –это ферменты, простетическими группами которых являются производные рибофлавина.

Недостаток рибофлавина встречается редко, чаще наблюдается у беременных женщин, детей и людей в состоянии стресса. Этот витамин называют витамином роста.

Ниацин (никотинамид, никотиновая кислота, витамин РР)

Содержится в мясе, горохе, бобах, орехах, рыбе.

Суточная потребность 13-19 ниациновых эквивалентов. 1 ниациновый эквивалент соответствует  1 мг свободного ниацина.

Никотинамид – компонент двух близких по структуре коферментов – никотинамидадениндинуклеотида (НАД+) и никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ+). Эти коферменты играют роль промежуточных переносчиков атомов водорода. Большинство дегидрогеназ в качестве коферментов используют производные ниацина.

Недостаточное содержание витамина РР вызывает у людей заболевание, которое называется пеллагрой («шершавая кожа»), для которого характерны дерматит, диарея, деменция. Ниацин – антипеллагрический витамин. Недостаток витамина встречается в странах, где основным продуктом питания является кукуруза, и в рационе недостаточно мяса и рыбы.

Пантотеновая кислота

Содержится в мясе, зерновых, бобовых, дрожжах.

Суточная потребность 5-10 мг.

Пантотеновая кислота – компонент кофермента А. Кофермент А  является переносчиком ацильных групп.

Примерами реакций с участием ккофермента А являются реакции окислительного декарбоксилирования пирувата и первая реакция цикла лимонной кислоты.

Авитаминоз а у человека не описан, так как КоА участвует в метаболизме жиров, углеводов, аминокислот. В КоА нуждаются 79% ферментов.

Пиридоксин (пиридоксаль, пиридоксамин, витамин В6)

Содержится в дрожжах, печени.

Суточная потребность 2,2 мг.

В организме превращается в коферментную форму – пиридоксальфосфат. Пиридоксальфосфат функционирует как кофермент аминотрансфераз, ферментов, участвующих в метаболизме аминокислот, и как кофермент гликогенфосфорилазы –фермента, участвующего в катаболизме гликогена.

Недостаточность отмечается редко и проявляется на фоне общей недостаточности витаминов группы В.

Биотин (витамин Н)

Содержится в печени, почках. Молоке, желтке, картофеле, зелени, томатах.

Суточная норма 150-200мкг.

Биотин играет роль переносчика карбоксильных групп во многих реакциях ферментативного карбоксилирования, протекающих с участием АТФ. В качестве примера биотин-зависмой реакции можно привести реакцию глюконеогенеза, катализируемую пируваткарбоксилазой, в ходе которой из пирувата образуется оксалоацетат.

Небостаточность может наблюдаться после длительного лечения антибиотиками или после употребления большого количества сырых яиц, т.к. в яичном белке содержится гликопротеин авидин, который образует прочный комплекс с биотином, препятствуя всасыванию биотина.

Фолиевая кислота

Содержится в зелени,мясе, печени, дрожжах.

Суточная потребность 400 мкг.

Состоит из трех частей: птеридина, п-аминобензойной кислоты и глутаминовой кислоты.

Сама фолиевая кислота не обладает ферментативной активностью, однако она ферментативно восстанавливается в тканях в тетрагидрофолиевую кислоту (Н4), которая и является активным коферментом. Тетрагидрофолат играет роль промежуточного переносчика одноуглеродных групп во многих сложных ферментативных реакциях. К таким группам относятся метильная (CH3-), метиленовая (-CH2-), метенильная (-CH=), формильная (-CHO), формиминогруппа (-CH=NH). H4-фолат участвует в метаболизме холина, серина, метионина, пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов.

Недостаток встречается редко. Проявление недостатка сводится к анемии крови вследствие разрушения эритроцитов.

Некоторые бактерии не нуждаются в экзогенной фолиевой кислоте как факторе роста, так как они сами могут ее синтезировать из п-аминобензойной кислоты. Следовательно, п-аминобензойная кислота играет роль витамина для этих бактерий. Это позволило понять механизм действия сульфаниламидных препаратов. Благодаря структурному сходству сульфаниламида с п-аминобензойной кислотой возможна конкуренция в процессе ферментативного синтеза фолиевой кислоты у бактерий.

Витамин В12

Содержится в печени, синтезируется кишечными бактериями.

Суточная норма 3 мкг.

Витамин В12 (цианкобаламин) – предшественник коферментов В12 (5’-дезоксиаденозилкобаламина), содержит микроэлемент кобальт. Сложная корриновая структура витамина сходна по строению с порфириновой структурой.

Все ферменты, нуждающиеся в коферменте В12, обладают способностью осуществлять обмен между связанным атомом водорода и какой-нибудь группой (алкильной, карбоксильной, гидроксильной, аминогруппой), связанной с соседним атомом углерода.

Другая коферментная форма метилкобаламин необходима в некоторых реакциях переноса метильных групп.

Аскорбиновая кислота (витамин С)

Аскорбиновая кислота распрстранена нетак широко как другие витамины. Она легко разрушаетсяпри нагревании в щелочной среде, а также под действием кислорода в присутствии ионов железа или меди, катализирующих ее окисление с образованием неактивных продуктов. В мясе, рыбе, пастеризованном молоке содержится мало витамина С. Источником витамина С являются свежие овощи (капуста, помидоры), фрукты (цитрусовые, черная смородина), кора и листья многолетних деревьев и кустарников.

Суточная потребность 50-100 мг, для предотвращения цинги достаточно 10 мг.

Аскорбиновая кислота является является воостановительным агентом в ряде реакций, в частности способна восстанавливать цитохромы с и а в цепи переноса электронов. Наиболее важной реакцией, требующей витамина С в качестве кофактора является гидроксилирование остатков пролина в коллагене, поэтому витамин С необходим для синтеза нормальной соединительной ткани. Аскорбиновая кислота используется в качестве кофактора и в других реакциях, например при катаболизме тирозина, синтезе адреналина, в синтезе жирных кислот.

Недостаток витамина С вызывает цингу, развитие которой обусловлено нарушением посттрансляциоонной модификацией коллагена. Повышеная потребность в витамине С наблюдается при стрессе и травме.

Жирорастворимые витамины

Витамин А

Витаминной активностью обладают ретинол, ретиналь, ретиноевая кислота. Все три соединения образуются из предшественников растительного происхождения – каротинов, наиболее активным из которых является -каротин.

Суточная потребность составляет 1000 ретиноевых эквивалентов. 1 ретиноевый эквивалент соответствует  1 мкг ретинола или 6 мкг -каротина.

Источником витамина А являются:

  1.  зеленые листья и желтые овощи, фрукты ягоды (морковь, хурма ит.д.)ж
  2.  эфиры транс-ретинола содержатся вмаслах печени рыб, а также в почках, печени, маргарине.

Поступив в кишечник, эфиры ретинола гидролизуются и превращаются в ретинол. Свободный ретинол всасывается в клетках слизистой кишечника, этерифицируется пальмитиновой кислотой  и поступает в кровь в составе хиломикронов. Захват печенью хиломикронов приводит к накоплению ретинола в этом органе.

Биохимические функции витамина А

Регуляция экспрессии генов

Транспорт ретинола к другим органам с помощью ретинолсвязывающего белка, ретиноевая кислота транспортируется с помрщью альбумина. Поступив в клетку ретинол и ретиноевая кислота взаимодействуют со специфическими рецепторами. Этот комплекс воздействует на некоторые последовательности  генов, ответственных за рост дифференцировку клеток. По способности регулировать экспрессию генов ретинол и ретиноевая кислота напоминают стероидные гормоны и иодтиронины.

Витамин А и акт зрения

В сетчатке глаза имеются два типа фоторецепторных клеток: колбочки – для цветного зрения; и палочки – для восприятия монохроматического изображения. Как одни, так и другие содержат в своих мембранах фоторецептор, в роли которого у млекопитающих выступает белок опсин, ковалентно связанный с ретиналям. В палочках он называется родопсином, а в колбочках – скотопсином или йодопсином.

Родопсин встроен в мембрану световоспринимающей клетки. Внутриклеточно он связан со специфическим G-белком, называемым трансдуцином. Поглощение родопсином кванта света вызывает в 11-цис-ретинале конформационные изменения, превращение его, в конечном счете, в 11-транс-ретиналь и отделение ретиналя от опсина. Это отделение активирует трансдуцин и далее активирует фосфодиэстеразу цГМФ. ЦГМФ необходим для того, чтобы натриевые каналы в светочувствительных клетках находились в открытом состоянии. Снижение концентрации цГМФ в результате гидролиза под действием фосфодиэстеразы приводит к полному закрытию натриевых каналов, что вызывает гиперполяризацию палочек и возникновение нервного импульса, поступающего в соответствующие отделы мозга.

Другие функции ретинола

Ретинол также участвует в синтезе некоторых гликопротеинов и мукополисахаридов, необходимых для образования слизи и регуляции роста. Это связано с фосфорилированием ретинола и образованием ретинолфосфата.

Гипервитаминоз и гиповитаминоз

Высокие дозы витамина А (в 20-30 раз больше нормы) могут вызывать токсические явления в виде головной боли, головокружения, тошноты, шелушения кожи, боли в костях.

Недостаток витамина А проявляется как потеря веса, торможение роста, поражение кожи, слизистых оболочек глаз, куриная слепота.

Витамин Д (кальциферол)

Содержится в продуктах животного происхождения: печени, молоке, растительных маслах и дрожжах.

Суточная потребность для детей 12-25 мкг, для взрослых – меньше.

Витаминной активностью обладают целый ряд соединений, наиболее активными из которых являются эргокальциферол (витамин D2), образующийся в растениях, и холекальциферол (витамин D3), образующийся в коже человека.

Биологическая активность витамина D связана с образованием 1,25-дигидроксихолекальциферола (кальцитриола). Его образование происходит в два этапа: 1) Сначала витамин D транспортируется в печень, где образуется кальцидиол – основная транспортная форма витамина D. 2) Кальцидиол в проксимальных канальцах почек, костях, плаценте превращается в кальцитриол. Кальцитриол рассматривается как стероидный гормон, который регулирует экспрессию специфических генов. Кальцитриол вместе с паратирином (паратгормоном) и кальцитонином регулирует уровень сывороточного кальция и фосфора.

Основным признаком дефицита витамина D у детей является рахит, а у взрослых – остеомаляция (размягчение костей).

Витамин Е (токоферолы)

Витамин Е представляет собой группу, состоящую по меньшей мере из трех соединений - -, -, -токоферола; из них наиболее важное значение имеет -токоферол.

Токоферолы содержатся в растительных маслах, особенно богаты ими семена пшеницы.

Суточная потребность 10-30 мг.

Для всасывания витамина Е необходимы липиды и желчные кислоты. В составе хиломикронов витамин Е транспортируется в кровь, далее в печень и с липопротеинами в органы и ткани. В клетках токоферолы включаются в состав мембраны. Основным местом хранения витамина Е является жировая ткань.

Витамин Е действует как природный антиоксидант, служащий ловушкой для активного кислорода и природных радикалов. Особенно важен витамин Е для предотвращения перекисного окисления полиненасыщенных жирных кислот, входящих в состав мембранных липидов. В своей антиоксидантной активности витамин Е взаимодействует с витамином С. После утилизации свободного перекисного радикала -токоферол может быть регенерирован путем взаимодействия с витамином С.

Основным симптомом дефицита витамина Е является снижение осмотической стойкости эритроцитов у новорожденных детей.

Повышенное употребление витамина Е рекомендовано лицам, употребляющим в пищу большое количество ненасыщенных жирных кислот, так как последние имеют тенденцию к образованию свободных радикалов при взаимодействии с кислородом. Это может повысить риск развития злокачественных опухолей.

Витамин К (нафтохиноны)

Витамин К1 содержится в зеленых растениях (капусте, шпинате), фруктах, корнеплодах.

Витамин К2 синтезируется бактериями кишечника. В настоящее время производятся водорастворимые синтетические аналоги витамина К – викасол, менадион, синкавит.

Суточная потребность 2 мг.

Витамин К является компонентом карбоксилирующего фермента. Он участвует в поддержании нормальных уровней факторов свертывания крови: II, VII, IX, X, синтезирующихся в печени в виде неактивных предшественников.

Активация заключается в -карбоксилировании  глутамата этих предшественников под действием микросомальной карбоксилазы, котрая нуждаетсяв витамине К как кофакторе. Например, при карбоксилировании протромбина образуется белок, который является эффективным лигандом для ионов кальция за счет образования дополнительных карбоксильных групп. После хелатирования ионов кальция протромбин связывается  с фосфолипидами мембран и подвергается ограниченному протеолизу под действием активированного фактора-X с образованием тромбина, который запускает каскадную систему свертывания крови с образованием фибринового сгустка.

Недостаточность витамина К наблюдается крайне редко, так как этот витамин синтезируется кишечными бактериями.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39691. Анализ точности методами математической статистики 149.5 KB
  Систематические постоянные погрешности могут быть выявлены измерением деталей после обработки и их влияние может быть уменьшено технологическими мерами. Кривые распределения и оценка точности на их основе Статистический метод оценки точности применяется в условиях производства большого количества деталей. Для его применения необходимо произвести выборку деталей из обрабатываемых на исследуемой операции. По результатам измерения деталей выборки строится опытная кривая распределения к которой по критерию согласия подбирается теоретический...
39692. Вибрации при механической обработке 55 KB
  Наибольшее влияние на процессы резания оказывают вынужденные колебания и автоколебания. В отличие от вынужденных колебаний автоколебания начинаются одновременно с началом процесса резания и прекращаются с его окончанием. Причиной возникновения автоколебаний является сам процесс резания Переменная сила поддерживающая колебания создается и управляется процессом резания и при его прекращении исчезает. Автоколебания возникают в связи с непостоянством сил резания вследствие изменения сил трения стружки по передней поверхности режущего...
39693. Особенности проектирования технологических процессов механической обработки для ГПС без использования ПР 39 KB
  Заготовки устанавливаются и закрепляются в приспособлениях которые в виде различных наладок монтируются на палетах. Наладчик комплектует наладку и устанавливает заготовки в соответствии со схемой установки транслируемой системой управления ГПС на экран терминала участка комплектации. Наиболее приемлемы три варианта обработки: сохранение на окончательно обработанной заготовке одной необработанной поверхности для базирования закрепления и обработки заготовок за один установ; предварительная обработка вне ГПС на участке подготовки баз...
39694. Точность и надежность обработки заготовок в ГПС 43.5 KB
  На основании оценки надежности технологических систем производится: оптимизация технологических маршрутов операций и режимов обработки; выбор средств технологического оснащения; установление периодичности замены режущего инструмента; установление такта выпуска изделий. При ужесточении этих требований например для квалитетов IT5 и IT6 возрастает роль составляющих погрешностей обработки обусловленных ошибками начальной настройки инструмента его износа тепловыми деформациями технологической системы ошибками установки инструмента...
39695. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН В ГИБКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМАХ 111.5 KB
  Опыт внедрения гибких автоматизированных систем в механообработке показывает возможность снижения трудоемкости обработки заготовок в несколько раз; сокращения обслуживающего персонала; увеличения выпуска продукции за счет повышения загрузки оборудования сокращения сроков и стоимости подготовки производства. К основным преимуществам гибких производственных систем механообработки относится: резкое увеличение производительности труда в процессе изготовления единичной и мелкосерийной продукции; быстрое реагирование на изменение требований...
39696. Особенности проектирования технологических процессов для ГПС 114 KB
  Дальнейший анализ заготовок обработка которых предполагается в ГПС производится в следующей последовательности: анализ возможности унификации конструктивных элементов и параметров деталей подготовка предложений по отработке конструкций на технологичность; анализ возможности получения заготовок более прогрессивными методами формообразования в целях уменьшения трудоемкости механообработки расхода материалов улучшения качества изделий и подготовка предложений по переводу технологии на прогрессивные методы получения заготовок; ...
39697. Технология изготовления деталей машин 147 KB
  Технологическая база поверхности центровых отверстий или наружные цилиндрические поверхности вала. Технологическая база наружная поверхность и торец прутка. Технологическая база – отверстие на оправке. Технологическая база черная поверхность обода или ступицы и торец Выполняется в зависимости от конструкции и типа производства на токарном револьверном или карусельном станке.
39698. ТЕХНОЛОГИЯ СБОРКИ ИЗДЕЛИЙ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ 414.5 KB
  Значение сборки при изготовлении машин Сборка является заключительным этапом изготовления машин и в значительной степени определяет ее эксплуатационные качества. Одни и те же детали соединенные при разных условиях сборки могут значительно изменять долговечность их службы. Технологические процессы изготовления деталей в большинстве случаев подчинены технологии сборки машины.
39699. Особенности технологии обработки заготовок на станках с ЧПУ 149.5 KB
  Общие сведения о станках с ЧПУ Одним из главных направлений автоматизации процессов механической обработки заготовок мелкосерийного и серийного машиностроения является применение станков с числовым программным управлением ЧПУ. Станки с ЧПУ обладают гибкостью и универсальностью присущей универсальным станкам и точностью и производительностью присущей станкам автоматам. Под числовым программным управлением ЧПУ понимают управление обработкой заготовки на станке по управляющей программе в которой данные приведены в числовой форме.