Физико химические основы жизни краткое содержание. Химические основы жизни. Нижегородский университет: наука, образование, инновации

-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тамбовский государственный технический университет»

Н.А. АБАКУМОВА, Н.Н. БЫКОВА

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И

ОСНОВЫ БИОХИМИИ

Утверждено Учёным советом университета в качестве учебного пособия для студентов 1, 2 и 3 курсов специальностей 240902, 240401, 240802, 260601, 240100.62, 240700.62, 260100.62, 261700.62, 241000.62 всех форм обучения Тамбов Издательство ГОУ ВПО ТГТУ 2011 УДК 547(075) ББК Г2я73 А132 Р е ц е н з е н т ы:

Профессор кафедры органической и биологической химии ГОУ ВПО ТГУ им. Г.Р. Державина А.И. Панасенко Доцент кафедры ПЗОС, кандидат химических наук ГОУ ВПО ТГТУ Г.Б. Володина Абакумова, Н.А.

А132 Органическая химия и основы биохимии: учебное пособие / Н.А. Абакумова, Н.Н. Быкова. – Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2011. – Ч.2. – 80 с. – 100 экз. – ISBN 978-5-8265-0975-3.

В первой части систематизирован материал по классификации органических реакций и видам изомерии органических веществ, а также приведён подробный обзор основных классов кислородсодержащих органических соединений и углеводов. Во второй части достаточно полно рассмотрены строение и свойства важнейших биологически активных веществ: белков, липидов, ферментов, гормонов, витаминов.

Кратко указаны их биологические функции в организме и механизм их действия.

Предназначено для студентов 1, 2 и 3 курсов специальностей 240902, 240401, 240802, 260601, 240100.62, 240700.62, 260100.62, 261700.62, 241000.62 всех форм обучения.

УДК 547(075) ББК Г2я ISBN 978-5-8265-0975-3 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ГОУ ВПО ТГТУ), Учебное издание АБАКУМОВА Нина Алексеевна, БЫКОВА Наталья Николаевна

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И

ОСНОВЫ БИОХИМИИ

Формат 60 84 / 16. 4,65 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № Издательско-полиграфический центр ГОУ ВПО ТГТУ 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к. Н.А. АБАКУМОВА, Н.Н. БЫКОВА

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И

ОСНОВЫ БИОХИМИИ

Часть Тамбов Издательство ГОУ ВПО ТГТУ 1. ПЕПТИДЫ Продукты взаимодействия нескольких аминокислот называют пептидами. В зависимости от количества аминокислотных остатков, из которых состоят пептиды, различают дипептиды, трипептиды, тетрапептиды, пентапептиды, полипептиды. Образование дипептида протекает следующим образом:

Поскольку у дипептида остаются свободными концевые аминная и карбоксильная группы, то, во-первых, он сохраняет свойственную аминокислотам амфотерность, а, во-вторых, имеется возможность для удлинения пептидной цепи за счёт реакций с другими аминокислотами. Этот химический процесс протекает по типу реакции поликонденсации:

аланилсерилфенилаланин (трипептид) В наименованиях пептидов указывают все составляющие их аминокислоты, начиная с той, у которой свободна аминная группа. У аминокислот, карбоксильная группа которых использована для образования пептидной связи, в названии окончание «-ин» меняется на «-ил»;

название концевой аминокислоты со свободной карбоксильной группой остаётся без изменения. Например, трипептид:

HO HO HO

H C C N C C N C C OH

Группировку –С–NH– в пептидах называют пептидной связью.

Это типичная ковалентная связь с достаточной прочностью. Она планарна, т.е. все составляющие её атомы располагаются в одной плоскости.

Изучая рентгенограммы кристаллических пептидов, удалось показать, что расстояние между атомами углерода и азота пептидной связи равно 0,13 нм, т.е., длина пептидной связи меньше длины одиCN нарной связи (0,15 нм) и больше длины двойной связи (0,12 нм). Следовательно, пептидная связь имеет характер частично двойной связи вследствие сопряжения электронов -связи карбонильной группы со свободными электронами атома азота:

Таким образом, пептидная группа представляет собой трёхцентровую р,-сопряженную систему, которая образуется вследствие делокализации электронной плотности между атомами кислорода, углерода и азота. Кроме этого, пептидная группа обладает ещё рядом свойств:

атомы кислорода и водорода природных пептидов находятся в транс-положении по отношению к связи C–N, так как при трансконфигурации заместителей боковые цепи оказываются наиболее удалёнными друг от друга, что важно для стабилизации структуры белковой молекулы;

пептидная связь устойчива при температуре 310 K в средах, близких к нейтральной (физиологические условия). В кислой и щелочной средах связь подвергается гидролизу. В условиях организма гидролиз происходит ферментативно;

дополнительные, как правило, нековалентные связи между пептидной группой и боковыми цепями обуславливают существование различных конформаций белковой молекулы;

пептидная группировка может существовать в двух резонансных формах (кетонной и енольной):

Почти все клетки содержат свободные пептиды. В настоящее время из природных источников выделено более сотни индивидуальных пептидов, детально изучены их строение, свойства и биологическая активность. Например, рассмотрим строение глутатиона (-глутамилцистеинилглицина) – одного из наиболее широко распространённых внутриклеточных пептидов так называемого полимодального действия, принимающего участие в переносе аминокислот через клеточную мембрану в окислительно-восстановительных и других процессах HS-глутатион (восстановленная сульфгидрильная форма) SS-глутатион Роль пептидов в процессах жизнедеятельности многообразна.

Многие из них служат гормонами (инсулин, глюкагон, гормон роста и др.), некоторые являются сильнейшими ядами (яды змей, пауков, насекомых, высших грибов, микробов и др.), антибиотиками, регуляторами клеточного деления, переносчиками молекул и ионов через биологические мембраны, регуляторами психической деятельности.

Значительное число природных пептидов удалось синтезировать.

Искусственным путём получены сотни аналогов природных пептидов, ряд которых обладает более сильным биологическим действием. Так, в адренокортикотропном гормоне, состоящем из 39 аминокислот, замена аргинина и триптофана соответственно в восьмом и девятом положении цепи на трипептид пролилглицилпролин приводит к образованию нового пептида, обладающего повышенной по сравнению с природным гормоном способностью стимулировать память и нашедшего применение в медицине при лечении поражений мозга.

Полипептидная теория строения белковой молекулы впервые предложена Э. Фишером в начале ХХ в. на базе выдвинутых А.Я. Данилевским идей о роли пептидных связей в строении белка. Согласно полипептидной теории белковые молекулы представляют собой гигантские полипептиды, построенные из многих десятков-сотен аминокислот.

Доказательства полипептидной теории строения белка таковы:

в нативных белках удаётся обнаружить лишь небольшое число свободных аминных и карбоксильных групп;

при гидролизе белков идёт постепенное освобождение аминных и карбоксильных групп в строгом соотношении 1:1;

биурет (H2N–C(O)–NH–C(O)–NH2) и белки дают одинаковую (биуретовую) реакцию с гидроксидом меди, что указывает на наличие в белковой молекуле пептидных связей;

полипептидная природа ряда белков (инсулина, рибонуклеазы и др.) подтверждена химическим синтезом этих белков;

при рентгеноструктурном анализе белков при разрешении 0,14…0,20 нм удаётся наблюдать непрерывную полипептидную цепь с характерным для исследуемого белка расположением аминокислотных остатков.

Граница между полипептидами и белками условная. Пептиды содержат в молекуле до 100 (соответствует молекулярной массе 10 000), а белки – свыше 100 аминокислотных остатков (молекулярная масса от 10 000 до нескольких миллионов).

Белки это важный субстрат жизни, они обладают рядом особенностей, которые несвойственны никаким другим органическим соединениям. Гигантские молекулы белков неисчерпаемы по разнообразию структуры при строгой специфичности у данного, конкретного белка.

Белкам присуща способность к внутримолекулярным взаимодействиям, что обеспечивает динамичность структуры их молекул, изменчивость и пластичность их формы, обратимость переходов из глобулярного состояния в фибриллярное.

Белковая молекула в целом и отдельные её части способны вступать в разнообразные химические и физические взаимодействия друг с другом, с нуклеиновыми кислотами, полисахаридами, липидами и др., образуя надмолекулярные комплексы, составляющие основу субклеточных структур.

Молекулы белков закономерно изменяют свою структуру под влиянием внешнего воздействия и восстанавливают исходное состояние при его снятии.

Белками называют природные высокомолекулярные азотсодержащие полимеры, построенные из остатков -аминокислот, составляющие основу живых структур.

Впервые белок (клейковина) был выделен Я. Беккари из пшеничной муки в 1728 г. К настоящему времени из природных источников выделены и изучены сотни различных белков.

Любая живая клетка, ткань, орган в животном или человеке – это сложная система, состоящая из очень большого количества различных белков. Например, белок плазмы крови состоит минимум из восьми различных белков; белок куриного яйца представляет собой систему из десяти индивидуальных белков. В самой маленькой и просто устроенной бактериальной клетке обнаружено более 2000 различных белков.

Огромное значение белки имеют и для жизнедеятельности растительных организмов, хотя содержание их в растениях значительно меньше. В то же время только в растениях наряду с синтезом углеводов осуществляется синтез белков из неорганических веществ. Необходимый для этого диоксид углерода растения поглощают из воздуха, а минеральные азотистые соединения и воду – из почвы. В животные организмы белки поступают в готовом виде – с растительной или животной пищей. Средняя суточная потребность взрослого человека в белках 80…100 г. Недостаток белков в пище резко ухудшает жизнедеятельность животных организмов.

Среди учёных многих стран, внесших большой вклад в изучение белков, следует отметить Э. Фишера, Т. Курциуса, М. Бергмана, Ф. Сенгера, П. Эдмана и наших соотечественников А.Я. Данилевского, Н.Д. Зелинского, В.С. Садикова, Д.Л. Талмура и др.

Общая формула белка:

Белки характеризуются строго определённым составом. Основной элементарный состав (%) белков следующий:

В небольших количествах в белках присутствуют железо, йод, медь, цинк, бром, марганец, кальций, кобальт, магний и другие элементы.

I. По строению:

1. Простые, или протеины, – белки, дающие при гидролизе только аминокислоты.

2. Сложные белки состоят из протеина (простого белка) и добавочной группы небелковой природы (простетической группы):

Фосфоропротеиды – простетическая группа – фосфорная кислота. Это казеин молока, ихтулин – белок, содержащийся в икре рыбы. Это необходимый белок для растущих тканей организма.

Глюкопротеиды (мукопротеиды) – простетическая группа представлена углеводами, чаще всего мукополисахаридами. Главные представители – муцин и мукоиды. Муцин вырабатывается всеми слизистыми железами организма. Мукоиды входят в состав хрящевой ткани и роговицы.

Липопротеиды – простетическая группа представлена жирами или жироподобными веществами. Это важные компоненты клеток, содержатся в крови, молоке, особенно ими богата нервная ткань.

Хромопротеиды – простетическая группа представлена окрашенными веществами. Сюда относятся гемоглобин, миоглобин, хлорофилл, гемоцианин.

Гемоглобин – красящее вещество крови, важнейший функцией которого является перенос кислорода от лёгких к тканям. Формула гемоглобина: (C738 H1165 O208 N320 S2 Fe)n.

Перенос кислорода обусловлен присутствием железа. Один грамм гемоглобина связывает 1,35 мл кислорода при 0 °C и 760 мм рт. ст., что соответствует соотношению один атом железа на одну молекулу кислорода. Положение равновесия зависит от парциального давления кислорода: гемоглобин + 4O2 оксигемоглобин.

Гемоглобин сосредоточен в эритроцитах крови и выходит из них в случае гемолиза (разрушения). У женщин в крови от 13,5 до 15,5% гемоглобина, у мужчин от 14 до 17%.

Окись углерода является ядом, так как она легко соединяется с гемоглобином, образуя более прочный, чем оксигемоглобин, продукт присоединения, который препятствует нормальному функционированию гемоглобина в переносе кислорода. Химические окислители превращают гемоглобин в коричнево-красный метгемоглобин, неспособный служить переносчиком кислорода. Железо окисляется, становится трёхвалентным, кислород к органам и тканям не доставляется.

При осторожном гидролизе соляной кислотой гемоглобин расщепляется на два фрагмента – гемин (гем 4%), глобин (96%). Гем у всех людей одинаков, глобин – у всех различен, он принадлежит к группе гистонов; примерно 1/5 часть молекул белка составляют основные аминокислоты, преобладает лизин. В составе каждой молекулы гемоглобина содержится 4 молекулы гема (гемина), содержащего в своём составе железо.

Молекула гемина имеет сложное и необычное строение, которое изучалось более сорока лет (Ненски, Пилоти, Кюстер, Вильштеттер, Фишер).

В гемине 4 пиррольных кольца, в которых заместители: метильные, винильные и остатки пропионовой кислоты.

Железо связано со всеми четырьмя атомами азота ионными и координационными связями. Гемин при гидролизе разбавленной щёлочью даёт не содержащий хлора гем.

Миоглобин – мышечный гемоглобин, содержащийся в мышцах.

Молярная масса около 17 000, с газами образует такие же соединения, как и гемоглобин, оксимиоглобин, карбоксимиоглобин. Молекула имеет форму диска. Пространственное расположение полипептидной цепи несимметрично и незакономерно. Миоглобин выполняет в мышцах роль кратковременного резерва кислорода, особенно это важно для водных животных.

Хлорофилл – магнийсодержащий хромопротеид, состоит из пиррольных колец, соединённых магнием. Строение его было установлено Ненски, Фишером. В 1960 г. хлорофилл впервые был синтезирован Вудваром. Содержится в зелёных листьях растений.

Гемоцианин – медьсодержащий хромопротеид – находится в крови моллюсков и ракообразных, выполняет функцию связывания и переноса кислорода к тканям беспозвоночных. При присоединении кислорода гемоцианин окрашивается в голубой цвет. Молекулярная масса от 5000 до 5 000 000.

Нуклеопротеиды – простетическая группа – нуклеиновые кислоты. Впервые были выделены из ядер лейкоцитов в 1869 г. Мишером. Необходимый структурный элемент в клетке, участвуют в синтезе белка и передаче наследственной информации. Белковая часть представлена гистонами и протаминами.

II. По форме частиц:

1) фибриллярные (волокнистые);

2) глобулярные (корпускулярные).

С помощью гидродинамических и оптических методов, рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии выяснено, что в большинстве случаев белковые частицы имеют вытянутую форму и построены асимметрично. Степень асимметрии выражается отношением длинной оси частицы в к её короткой оси а.

Фибриллярные белки характеризуются высоким отношением в/а, их молекулы нитевидны и обычно собраны в пучки, которые образуют волокна. К фибриллярным белкам относятся фиброин шёлка, кератин волоса, коллаген кожи.

Белки с невысоким отношением в/а (от 3 до 6) имеют палочкообразную форму молекул, называются корпускулярными, или глобулярными, и содержат поперечные связи, образованные за счёт взаимодействия боковых цепей.

III. По растворимости:

Белки – это полимеры с гидрофильными свойствами. При определённых условиях они легко растворяются в воде. Одни из них растворимы в чистой воде, другим для растворения требуется присутствие в воде солей, кислот, щелочей, спиртов и других веществ. Лишь немногие белки в условиях организма не образуют жидких растворов (склеропротеины).

Разную степень растворимости белков в различных растворителях определяет в значительной степени характер радикалов аминокислот:

полярный или неполярный (аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин и триптофан).

По отношению к некоторым, условно выбранным растворителям простые белки разделяют на:

Протеиноиды – белки, нерастворяющиеся в обычных растворителях белков: воде, солевых и водно-спиртовых смесях. Это почти все фибриллярные белки. Примерами протеиноидов служат белки опорных тканей. В зависимости от вида ткани они называются: коллагеном (соединительная ткань); остеином (костная ткань); кератином (волосы, ногти).

Альбумины – белки, хорошо растворяющиеся в воде и крепких солевых растворителях; широко распространены в природе, входят в состав крови человека (до 50%).

Глобулины – нерастворимы в воде и солевых растворах умеренных концентраций. Характерный признак – полное осаждение в полунасыщенном растворе (NH4)2SO4. Несколько фракций:

Глобулины – выполняют защитную функцию в организме, из них состоят сыворотки.

Проламины – представляют группу белков, растворимых в 60…80 %-ном водном растворе этилового спирта, в щелочи.

Глютемины – растворимы в кислотах и щелочах.

Гистоны и протамины – растворимы в щелочах.

IV. По выполняемым функциям:

структурные (коллаген, фиброин, кератин и т.п.);

двигательные (сократительные – актин, миозин);

каталитические (ферментативные – энзимы);

транспортные (гемоглобин, миоглобин, цитохром и др.);

регуляторные (гормоны-гистоны);

защитные (антитела и иммуноглобулины);

рецепторные (родопсин, холинорецептор и т.п.);

запасные и питательные (казеин молока, яичный альбумин и т.п.);

токсические белки (токсины ботулинический, дифтерийный);

антибиотики (актиноксантин, неокарциностатин и т.п.).

2.3. СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ БЕЛКОВ

Природные белки отличаются громадным разнообразием первичных структур. Если бы каждая аминокислота встречалась в белковой молекуле только один раз, то и тогда из 20 аминокислот можно было бы построить 2 432 902 008 176 640 000 изомеров, а так как каждая аминокислота повторяется в белке неоднократно, то число возможных изомеров белковых молекул во много раз больше. Каждому виду живых существ, каждому отдельному организму и даже разным органам одного организма присущи особые (специфичные) белки. Однако реально в белках обнаружены не все возможные первичные структуры, и не только потому, что многие белки ещё подробно не изучены. Оказалось, что в различных белках (а иногда в одном и том же) встречаются одинаковые пептидные группировки, содержащие от трёх до шести аминокислотных остатков. В ряде случаев первичные структуры различных белков включают более 50% тождественных пептидных фрагментов. Особенно часты такие совпадения у белков, выполняющих сходные биологические функции.

В настоящее время работы по расшифровке первичной структуры белков ведутся очень интенсивно, однако они весьма сложны и трудомки. В качестве примера можно привести первичную структуру фермента рибонуклеазы (рис. 1):

Рис. 1. Первичная структура молекулы рибонуклеазы Полипептидные цепи белков могут располагаться в пространстве различным образом: они могут быть изогнуты, скручены целиком или только на отдельных участках. Одна из наиболее часто встречающихся форм полипептидной цепи – спираль, состоящая из равномерных витков и внутри полая. Эта модель пространственного строения белковой молекулы была предложена Л. Полингом в 1951 г. Полипептидная цепь в такой спирали располагается как бы по поверхности воображаемого цилиндра, а радикалы аминокислот (R1, R2, R3 и т.д.) направлены наружу. В настоящее время известны две разновидности таких спиральных полипептидных цепей: у одной из них (-спирали) на каждые 10 витков приходится 37 аминокислотных остатков. Шаг спирали (расстояние между витками) составляет 0,54 нм, а угол подъёма витка равен 26°. Период идентичности, т.е. длина отрезка спирали, полностью повторяющегося по её ходу, составляет 2,7 нм (18 аминокислотных остатков). У -спирали на каждые 10 витков приходится 51 аминокислота; она более толстая, со сближенными витками (рис. 2).

Обе разновидности способны к взаимным переходам. Предполагается, что при сокращении мышц может происходить переход полипептидных цепей сократительных белков из -спирали в -спираль, и тогда полипептидные цепи утолщаются и укорачиваются. Некоторые аминокислоты, например пролин, не укладываются в спиральную конфигурацию. Если такая аминокислота встречается в полипептидной цепи, спираль переходит в другую форму, а затем опять может восстановиться.

Установлено, что в природных белках, например в сократительном белке миозине, участки спирально закрученных полипептидных цепей действительно чередуются с неспирализованными участками.

Другая форма расположения полипептида в пространстве представляет собой длинную цепь (жгут), у которой все пептидные связи располагаются в одной плоскости, а радикалы аминокислот – в плоскости, перпендикулярной ей. Несколько таких вытянутых цепей могут укладываться параллельно друг другу и образовывать складчатослоистые структуры (рис. 3). Так построены молекулы белков волос, кожи, шёлка.

Спиральная и складчато-слоистая конформации полипептидных цепей образуют вторичную структуру белка. Вторичная структура белка устойчива благодаря образованию водородных связей между кислородом одной и иминной (–NH–) группой другой пептидной связи. В спиральных структурах водородные связи образуются между пептидными группами одной и той же полипептидной цепи; если они формируются между пептидными группами разных цепей, образуется складчато-слоистая структура.

Соотношение между различными типами вторичных структур в составе белка варьируется в широких пределах, причём доля неупорядоченных структур часто превалирует над регулярными - и структурами. В области неупорядоченных структур достаточно протяжённые зоны представлены петлями и резкими изгибами. Наиболее часто встречаются так называемые -изгибы, когда полипептидная цепь резко меняет своё направление на 180°. В областях -изгибов преобладают главным образом остатки спиральнеобразующих аминокислот – пролина и глицина.

Рис. 3. Складчато-слоистая укладка полипептидной цепи Организованная определённым образом во вторичную структуру молекула белка затем укладывается в компактную плотную структуру, называемую третичной структурой белка. В её образовании участвуют как регулярные (спирализованные или -складчатые), так и аморфные участки полипептидной цепи.

В некоторой степени третичная структура белков отражена в системе классификации белков, основанной на их растворимости в водных средах. В этом варианте классификации различают глобулярные белки, растворимые в воде и водных растворах кислот, оснований и солей, и фибриллярные белки, не растворимые в этих растворителях.

Третичная структура фибриллярных белков характеризуется нитевидностью (лат. fibrilla – волоконце). Длина молекул этих белков в сотни раз больше их диаметра, что обусловлено параллельной (или антипараллельной) ориентацией их цепей. Цепи фибриллярных белков группируются друг около друга в виде протяжённых пучков и отличаются очень большим числом межцепочечных водородных связей. Такие молекулы нерастворимы в воде, так как растворение требует высоких энергетических затрат на разрыв водородных связей, и очень прочны, поэтому они являются основным строительным материалом живых тканей (например, кератины, коллаген, эластин, миозин, фиброин и др.).

Третичная структура глобулярных белков имеет вид компактных клубочков (лат. globulus – шарик). В глобулярных белках преобладают внутримолекулярные водородные связи; число межмолекулярных связей невелико. Все или почти все полярные группы глобулярных белков расположены на поверхности молекул; гидрофобные остатки находятся внутри свёрнутой цепи (рис. 4).

Полярные радикалы аминокислот Рис. 4. Формирование третичной структуры белка Гидратация молекул энергетически выгодна из-за доступности полярных групп и немногочисленности межмолекулярных водородных связей, что и обеспечивает высокую растворимость глобулярных белков. В организме глобулярные белки выполняют роль регуляторов и стабилизаторов процессов жизнедеятельности; к ним относятся ферменты, гормоны, глобулины, альбумины, тканевые белки и т.д.

После того как полипептидная цепь приобрела форму, характерную для природного (нативного) белка, последняя удерживается за счёт различного типа связей между свободными функциональными группами или радикалами аминокислотных остатков: водородными, ионными, гидрофобными, дисульфидными.

Особое значение в поддержании третичной структуры белков имеют дисульфидные мостики, в некоторых белках они прочно фиксируют расположение отдельных участков полипептидных цепей в пространстве. В белках, обладающих каталитическими свойствами, могут наблюдаться зоны с высокой концентрацией гидрофобных радикалов аминокислот. Вокруг гидрофобных ядер «обматывается» полипептидная цепь. В некоторых белках таких ядер встречается несколько, и каждое из них может выполнять в белке особую функцию.

Поскольку третичная структура задаётся первичной структурой белка и зависит от ряда других факторов (показатель рН среды, концентрация солей и др.), то даже незначительное изменение первичной структуры белка или стандартных условий в клетке приводит к изменению функциональной активности белка.

Движущей силой, свёртывающей полипептидную цепь белка в строго определённое трёхмерное образование, является взаимодействие аминокислотных радикалов с молекулами окружающего растворителя, при этом лиофобные радикалы вталкиваются внутрь белковой молекулы, образуя там сухие зоны («жирная капля»), а лиофильные радикалы ориентируются в сторону растворителя. В некоторый момент достигается энергетически выгодная конформация молекулы и в целом белковая молекула стабилизируется. Специфические свойства белков обусловлены третичной структурой белка.

В связи с исследованиями структуры всё большего количества белков было высказано предположение о доменном принципе строения белковой молекулы. Доменом называют фрагмент молекулы белка, обладающий структурной и функциональной обособленностью.

В различных природных белках были обнаружены однотипные пептидные блоки с ограниченными вариантами пространственной структуры.

Концепция о детерминировании третичной структуры последовательностью аминокислот полипептидной цепи получила дальнейшее развитие в теории о существовании общего стереохимического кода, определяющего соответствие между первичной и третичной структурами белка. Сущность теории состоит в концепции о существовании кода взаимодействия радикалов аминокислот, основанного на их стереокомплементарности и заключающегося в замыкании водородных связей между полярными радикалами – донорами протонов и радикалами – акцепторами протонов в процессе образования белковой глобулы. В результате появилась возможность не только предсказывать третичную структуру белков, но и синтезировать полипептиды с запрограммированной третичной структурой и, следовательно, с определёнными биологическими свойствами. Так, методами белковой инженерии созданы два белка, один из которых состоит из четырёх -спиралей, а другой – из -спиралей и -слоёв в соотношении 1:2.

Некоторые белки обладают четвертичной структурой (рис. 5).

Однако она реализуется только у белков, состоящих из нескольких субъединиц (отдельная полипептидная цепь, образующая четвертичную структуру). Субъединица сохраняет свойственные ей первичную, вторичную и третичную структуры, однако биологическая роль комплекса в целом отличается от биологической роли субъединиц вне комплекса.

Фиксация четвертичной структуры обеспечивается водородными связями и гидрофобными взаимодействиями между субъединицами. Например, молекула гемоглобина – белка с четвертичной структурой – состоит из четырёх субъединиц, окружающих гем (простетическую железосодержащую группу – железопорфирин); между субъединицами нет ковалентной связи, однако тетрамер представляет собой единое целое, в котором субъединицы прочно связаны и ведут себя в растворе как одна молекула. Наличие четвертичной структуры характерно также для других металлопротеинов и для иммуноглобулинов. При формировании четвертичной структуры белка образующийся комплекс может содержать помимо субъединиц полипептидной структуры и субъединицы иной полимерной природы, а также соединения других классов.

а – олигомерный белок, построенный из 4 полипептидных цепей (субъединиц); б – белок вируса табачной мозаики Простейшим примером четвертичной структуры является объединение нескольких полипептидных спиралей в вытянутый комплекс наподобие проводов в электрическом кабеле. Такую четвертичную структуру имеют мышечные сократительные белки. Четвертичная структура может быть и более сложной. Например, белковая молекула вируса табачной мозаики (молекулярная масса 40 000 000) состоит из 2130 отдельных субъединиц, каждая из которых обладает своей первичной, вторичной и третичной структурой. Они образуют четвертичную спираль, в которой более сотни витков.

2.4. ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ

1. Дисульфидные мостики образуются между остатками цистеина за счёт окисления тиольных групп в дисульфидные:

Мостики возникают как между остатками цистеина, расположенными в одной цепи (как, например, в окситоцине или вазопрессине), так и между остатками, находящимися в разных цепях, если белок состоит из более чем одной полипептидной единицы, как в инсулине или иммуноглобулинах (рис. 6).

2. Водородные связи могут образовываться между карбонильной группой одной полипептидной связи и группой NH другой связи. Причём, связываемые группировки могут находиться как в одной и той же цепи, так и в разных цепях:

Спираль возникает за счёт внутрицепочечных водородных связей, когда группы N–H и С=О находятся на разных участках одной и той же полипептидной цепи. Такой тип водородных связей возможен только в том случае, если основная цепь сворачивается в спираль с шагом в 3,6 аминокислотных остатка. Только при таком взаимном расположении групп N–H и С=О, принадлежащих разным пептидным связям, виток спирали фиксируется водородной связью. Спиралевидная структура обеспечивает более энергетически выгодное расположение боковых групп друг относительно друга, что особенно существенно для аминокислотных остатков с объёмными заместителями при углеродном атоме.

3. Ионные связи являются результатом электростатического взаимодействия и появляются в тех случаях, когда в боковой цепи имеются заряженные группы – катионы NH4+ (протонированные аминогруппы лизина, гуанидиновые группировки аргинина, основные атомы имидазольного кольца гистидина) и анионы СОО– (карбоксилат-анионы аспарагиновой и глутаминовой кислот). Возможно и электростатическое взаимодействие N- и С-концов полипептидной цепи.

4. Гидрофобные связи (гидрофобные взаимодействия) представляют собой результат несвязного взаимодействия неполярных алкильных групп боковых цепей таких аминокислот, как аланин, валин, лейцин, изолейцин за счёт сил Ван-дер-Ваальса.

5. Гидратируемые группы оказывают влияние на формирование вторичной структуры белка, тогда когда молекулы воды, окружающие белковую молекулу, могут образовывать структуру, подобную структуре льда.

Очень важно, что из всех перечисленных вариантов внутри- и межмолекулярных взаимодействий только дисульфидные мостики не зависят от показателя рН среды, полярности растворителя и ионной силы раствора. Дисульфидные мостики разрушаются только под действием восстановителей.

Свойства белков – химические, физические и биологические – полностью определяются их химическим составом и структурой.

1. Высокомолекулярные соединения. Белки значительно отличаются друг от друга по молекулярной массе, например, молекулярная масса яичного альбумина 44 000, гемоглобина крови человека 68 000, а молекулярная масса белков некоторых вирусов достигает 10 600 000.

Соответственно, также значительно различается и число аминокислотных остатков, образующих полипептид. У подавляющего большинства белков полипептидные цепи содержат до нескольких сотен аминокислотных остатков, однако известны и гигантские полипептиды. Так, фактор VIII свёртывания крови в цепи содержит 2332 аминокислотных остатка, одна из субъединиц тиреоглобулина – 2750.

Молекулярную массу белка определяют различными методами.

Из физических методов наиболее часто используют метод ультрацентрифугирования, суть которого заключается в измерении скорости оседания молекул белков в ультрацентрифуге, где при вращении ротора развивается центробежное ускорение, превышающее ускорение силы тяжести в 100 000 и более раз. По скорости оседания рассчитывают молекулярную массу белка.

Электрофоретический метод основан на зависимости длины пробега от заряда и молекулярной массы белковых молекул при проведении электрофореза в полиакриламидном или других гелях в присутствии белков-маркеров с известной молекулярной массой.

2. Коллоиды. Благодаря большим размерам молекул (диаметр более 10–7 см) белки образуют растворы, по свойствам аналогичные коллоидным системам. Белковые молекулы сильно гидратированы: они имеют многослойные водные оболочки, в которых молекулы воды образуют кристаллоподобные структуры и по свойствам сильно отличаются от свободной воды. Белки, находящиеся в кристаллическом состоянии, попадая в водную среду, могут связывать большое количество воды. При этом они набухают (их объём увеличивается более чем в 15 раз) и могут оказывать очень большое давление на окружающие тела – давление набухания (до 2000 атм). За счёт этого давления идёт продвижение проростков растений через почву. В тканях животных и человека 70…80% содержащейся воды связано с белками.

Коллоидные растворы белков очень вязкие, они не могут проходить через полупроницаемые мембраны; на этом основан метод очистки белков от низкомолекулярных соединений – диализ. Растворы белков в живых организмах обладают низким осмотическим давлением, так как из-за большого размера молекул их молярная концентрация невелика.

Растворы белков опалесцируют, т.е. меняют окраску при рассматривании их в проходящем и отраженном свете. Они дают свойственный коллоидным растворам эффект Тиндаля: луч света, проходя через такой раствор, рассеивается крупными частицами растворенного вещества и становится видимым.

Белковые растворы обладают оптической активностью, т.е. способны изменять плоскость поляризации света, а также способны поглощать ультрафиолетовое излучение. Все эти оптические свойства широко используют при анализе природных белков.

Коллоидные частицы белков имеют большую суммарную поверхность, на которой могут адсорбироваться ионы и молекулы различных веществ. Эта особенность позволяет белкам выполнять в организме транспортные функции – переносить различные вещества из одного органа в другой.

Белковые растворы неустойчивы. При действии веществ, способных активно связывать воду (спирт, ацетон, концентрированные растворы солей щелочных металлов, аммония и некоторых других веществ), растворимость белков понижается, и они выпадают в осадок (или всплывают на поверхность растворителя). При этом происходит обезвоживание и нейтрализация коллоидной частицы (с одновременным некоторым изменением пространственной структуры белка).

Обезвоженные нейтральные частицы слипаются, происходит коагуляция. Образовавшиеся крупные агрегаты отделяются от растворителя; процесс называется седиментацией. Обезвоживание частиц белка никогда не бывает полным, поэтому осадок белка имеет вид студня (геля). Жидкие коллоидные растворы белка (золи) могут «застывать» и без выделения воды. При этом образуется трёхмерная сетчатая структура из белковых молекул, взаимодействующих своими гидрофобными радикалами. Вся вода оказывается связанной внутри этой сетчатой структуры. Переход из золя в гель во многих случаях обратим. В качестве примера перехода из золя в гель можно привести процесс свёртывания крови при ранениях кровеносных сосудов. В качестве обратного перехода можно рассматривать изменение состояния сократительных белков в момент сокращения мышечного волокна.

3. Изоэлектрическая точка. Белковые макромолекулы несут на своей поверхности большое количество карбоксильных и аминных групп. Соотношение между количеством кислых и оснвных группировок варьируется у различных белков.

Как и все амфотерные электролиты белки в кислой среде ведут себя как катионы, а в щелочной – как анионы. В зависимости от соотношения кислых и основных групп для каждого белка существует своя изоэлектрическая точка (см. раздел «Аминокислоты»):

Большинство белков имеют изоэлектрические точки, близкие к нейтральной или лежащие в слабо-кислой области. Некоторые белки в силу наличия в их составе большого количества диаминокислот имеют отчётливо выраженный оснвный характер. Это гистамины и протамины; обычно их выделяют в особую группу оснвных белков.

4. Денатурация белка. Изменение условий, в которых находится молекула белка: варьирование рН среды, повышение температуры, облучение УФ-светом, рентгеновскими лучами, сильное механическое воздействие, давление, ультразвук – приводит к разрушению связей, обеспечивающих сохранение четвертичной, третичной и даже вторичной структуры, и, следовательно, к разрушению уникальной нативной (созданной природой) структуры белка. Этот процесс носит название денатурации белка. Нарушение нативной конформации белка может быть обратимым (если изменение структуры легко устранимо и нативная структура восстанавливается) и необратимым (особенно выражено при повышении температуры, лучевом воздействии, обработке сильными кислотами и щелочами). Денатурация белка сопровождается снижением гидрофильности белковых молекул, уменьшением стабильности растворов белка в изоэлектрической точке, повышением реакционной способности функциональных групп молекулы.

Большинство белковых молекул проявляют специфическую функциональную активность только в узком интервале значение рН и температуры (физиологические значения). В результате изменений указанных параметров белок теряет активность из-за денатурации.

Денатурированные белки существуют в виде случайных хаотических петель и клубков, форма которых подвержена изменениям.

5. Поверхностные свойства белков. Белки являются поверхностно-активными веществами, что связано с наличием в молекуле фрагментов с различными гидрофильно-гидрофобными свойствами.

Поверхностную активность белки проявляют прежде всего за счёт боковых цепей. Белки способны не только адсорбировать на своей поверхности низкомолекулярные органические соединения и ионы, но и захватывать их внутрь молекулы. Таким образом, белки являются стабилизаторами лиофобных дисперных систем – эмульгаторами жиров и холестерина; осуществляют транспорт жиров из кишечника в ткани.

6. Оптическая активность используется при фракционировании, количественном определении и других исследованиях белков.

Химические свойства белков исключительно разнообразны, поскольку образующие их аминокислоты содержат множество различных функциональных групп: –СООН, –NH2, –OH, –SH, –OPO3H2, а также углеводородные радикалы разного характера. Так же как и индивидуальные аминокислоты, белки вступают в реакции солеобразования, окисления, восстановления, этерификации, ацилирования, амидирования. Возможны и другие типы превращений, в том числе реакции между функциональными группами внутри самих белковых молекул.

1. Солеобразование протекает и по карбоксильным, и по аминным группам:

2. Окисление протекает по сульфгидрильным группам аминокислоты цистеина:

3. Восстановление – обратный окислению процесс. Происходит разрыв дисульфидных мостиков при действии водорода. Окислительно-восстановительные реакции играют важную роль в образовании и изменениях третичной структуры белка.

4. Этерификация. По карбоксильным и спиртовым группам может происходить образование сложноэфирных связей:

При взаимодействии с фосфорной кислотой образуются сложные белки – фосфопротеиды:

5. Ацилирование. Происходит взаимодействие аминной группы белка с карбоновой кислотой:

6. Амидирование – взаимодействие карбоксильной группы белка с аммиаком с возникновением амидной связи:

Реакция амидирования мышечных белков при тяжёлых мышечных нагрузках, связанных с накоплением излишков аммиака в клетках, может защищать их от неблагоприятного действия аммиака.

7. Гидролиз. Очень важен для живых организмов гидролиз пептидных связей в белках. Это наиболее распространённый метод исследования состава белка. Впервые А. Браконно (1820), используя кислотный гидролиз, выделил из белка (желатина) аминокислоту – глицин, а Н. Любавин установил, что при ферментативном гидролизе белки распадаются до аминокислот.

Подвергаясь гидролизу, белки расщепляются при нагревании с кислотами или щелочами, а также при обычных температурах под действием специальных ферментов.

Главными продуктами полного гидролиза белков являются смеси -аминокислот, но процесс протекает ступенчато, в определённых условиях, особенно при действии ферментов. Белки, расщепляясь, вначале образуют более простые, но близкие к ним по свойствам вещества – пептоны. Они являются продуктами неполного гидролиза белков и, как оказалось, представляют собой смеси различных по сложности полипептидов. При дальнейшем гидролизе из пептонов образуются ещё более простые полипептиды, дипептиды и, наконец, -аминокислоты:

Белок Пептоны Дипептиды -аминокислоты Процесс гидролиза белков аналогичен ступенчатому гидролизу полисахаридов, но конечным продуктом гидролиза полисахаридов в большинстве случаев является какой-нибудь один моносахарид, тогда как при гидролизе белков всегда образуются смеси разных аминокислот. Кроме того, из сложных белков при гидролизе наряду с аминокислотами получаются различные небелковые вещества: фосфорная кислота, углеводы, некоторые гетероциклические соединения и т.п.

8. Качественные реакции. Для идентификации некоторых пептидов и белков используют так называемые «цветные реакции»:

а) биуретовая реакция (общая для всех белков). Наиболее универсальная реакция на пептидную связь – появление краснофиолетовой окраски при добавлении к раствору белка ионов меди (II) в щелочной среде:

C HN CH C OO R

в) ксантопротеиновая реакция. Появление жёлтой окраски при обработке раствора белка концентрированной азотной кислотой свидетельствует о присутствии в белке остатков ароматических аминокислот (тирозина и фенилаланина):

г) реакция Фоля. Серасодержащие белки дают чёрное окрашивание при нагревании с раствором ацетата свинца (II) в щелочной среде:

д) реакция Миллона. При нагревании белка, содержащего фенольный гидроксил (тирозин), с нитритами и нитратами ртути образуется кирпично-красный осадок;

е) реакция Сакагуши. Присутствие в белке аргинина вызывает появление красного окрашивания при действии гипохлорита и -нафтола;

ж) реакция Адамкевича. В случае присутствия в составе белка триптофана на границе раздела раствора белка, содержащего следы глиоксалевой кислоты, и концентрированной серной кислоты появляется тёмно-фиолетовое кольцо.

Ферменты – это биологические катализаторы, или энзимы. По ряду признаков они резко отличаются от неорганических катализаторов.

1. Ферменты по сравнению с катализаторами неорганической природы «работают» в очень мягких условиях (низкая температура, нормальное давление, средние значения показателя рН среды и т.п.) и очень интенсивно.

Известно, например, что ионы железа (III) каталитически ускоряют разложение перекиси водорода на воду и кислород. Однако ионы железа (III) в составе фермента каталазы действуют в 10 млрд. раз энергичнее: всего 1 мг железа в ферменте способен заменить в этой реакции 10 т неорганического железа.

2. Ферменты обладают высокой специфичностью действия, чего не наблюдается у катализаторов неорганической природы. Каждый фермент каталитически ускоряет, как правило, одну единственную реакцию или группу реакций одного типа.

3. Скорость каждой ферментативной реакции в клетке регулируема (по принципу саморегуляции), благодаря чему все соединения в ней возникают в строго необходимых пропорциях.

Ферменты, являясь белками, представляют собой высокомолекулярные вещества, образующие коллоидные растворы. На поверхности гигантских молекул белков-ферментов осуществляются ускоряемые ими реакции. Здесь просматривается аналогия с гетерогенным катализом. Поверхность глобулы белка-фермента неоднородна, имеются химически активные группировки, получившие название активных центров. Активные центры представляют собой уникальное сочетание определённых аминокислотных радикалов. Чаще всего в активных центрах ферментов встречаются остатки серина, гистидина, триптофана, аргинина, цистеина, аспарагиновой кислоты, глутаминовой кислоты и тирозина. Радикалы перечисленных аминокислот выполняют здесь ту же функцию, что и коферменты в составе сложного фермента.

Аминокислотные остатки, образующие активный центр фермента, расположены в разных точках единой полипептидной цепи. Поэтому активный центр возникает в тот момент, когда белковая молекула приобретает присущую ей третичную структуру.

Следовательно, изменение третичной структуры белка-фермента под влиянием тех или иных факторов может привести к деформации активного центра и существенным образом повлиять на его каталитическую активность.

Частью активного центра фермента является особый участок так называемый субстратный центр, ответственный за присоединение субстрата, подвергшегося ферментативному превращению. Часто этот участок называют «якорной площадкой» фермента, где, как судно на якорь, закрепляется субстрат (вещество, на которое действует фермент).

Другой участок активного центра, выполняющий собственно каталитическую функцию, называется каталитическим центром.

Кроме активного центра, включающего субстратный и каталитический центры, различают ещё один центр – аллостерический. Аллостерический центр представляет удалённый от активного центра участок молекулы фермента, присоединение к которому определённого низкомолекулярного вещества (аллостерического эффектора) изменяет третичную структуру белковой молекулы. Как следствие, изменяется структура активного центра, что изменяет каталитическую активность фермента.

Большая группа ферментов относится к классу простых белков.

Соответствие активного центра фермента строению субстрата объясняет специфичность действия фермента: только субстрат определённого строения может войти в тесное соприкосновение с активным центром белка-фермента.

Двухкомпонентные ферменты относятся к сложным белкам (при гидролизе, кроме аминокислот, дают небелковую простетическую группу).

Белковая часть двухкомпонентных ферментов называется апоферментом, а небелковая активная группа – коферментом. Апофермент каталитически неактивен, кофермент – незначительно активен.

И только в результате соединения кофермента с апоферментом образуется активный катализатор – полноценный фермент. Часто в построении коферментов участвуют витамины.

Для получения ферментов ткани и клетки механически разрушают и проводят экстракцию фермента соответствующими растворителями. Очистку и выделение фермента проводят при низкой температуре (0 °C), чтобы избежать денатурации.

Будучи белками, ферменты обладают всеми их свойствами. Вместе с тем биокатализаторы характеризуются рядом специфических качеств, вытекающих из их белковой природы.

1. Термолабильность – чувствительность к температуре. Наибольшая активность ферментов наблюдается при t° = 37°…40 °С, выше – снижается. При 80 °C и выше большинство ферментов инактивируется, при 100 °С происходит полная инактивация (денатурация белка).

Рис. 7. Зависимость активности ферментов от температуры При понижении t° активность ферментов понижается. Многие пищевые продукты (мясо, рыба, сливочное масло и др.), содержащие активные ферменты, могут длительно храниться при 0 °С и ниже, так как активность их ферментов при этих температурах очень низка.

Зависимость каталитической активности ферментов от температуры описывается типичной кривой, представленной на рис. 7.

По характеру кривой видно, что при увеличении температуры на каждые 10° скорость преобразования субстрата повышается примерно в 2 раза. Температура, при которой каталитическая активность фермента максимальна, называется его температурным оптимумом.

2. Чуствительность к pH среды.

Как и все белки – ферменты амфотерны. В зависимости от количества положительных и отрицательных групп на поверхности белка фермента он находится в изоэлектрическом состоянии (состоянии коллоида, в котором частица его нейтрализована) при разных значениях pH среды. Ферменты существенно отличаются друг от друга по реакции среды, в которой проявляется их максимальная активность (рН-оптимум).

Амилаза панкреатическая Переход к большей или меньшей по сравнению с оптимумом концентрации ионов водорода сопровождается более или менее равномерным падением активности фермента. Влияние концентрации ионов Н+ на каталитическую активность ферментов состоит в воздействии на их активный центр. При разных значениях рН активный центр может быть в большей или меньшей степени ионизирован, экранирован соседними фрагментами полипептидной цепи белковой части фермента и т.п. Кроме того, показатель рН среды влияет на степень ионизации субстрата, фермент-субстратного комплекса и продуктов реакции.

3. Специфичность – одно из наиболее важных свойств ферментов.

Животный организм вырабатывает ферменты даже для одной реакции.

Специфичность ферментов объясняется в первую очередь динамическим соответствием пространственных конфигураций субстрата и субстратного центра фермента в процессе их взаимодействия Пределы специфичности у разных ферментов различны. Одни ферменты обладают абсолютной специфичностью, т.е. ускоряют только одну реакцию. Например, фермент, ускоряющий распад сахарозы, не будет активен к мальтозе или лактозе.

Фишер Э. сравнивал фермент с ключом, который отпирает только тот замок, строение которого соответствует строению ключа.

Другие ферменты осуществляют катализ реакций определённого типа независимо от индивидуальной природы реагирующих веществ, т.е. обладают групповой специфичностью. Кроме того, некоторые ферменты отличаются стереохимической специфичностью, т.е. действуют на один пространственный изомер.

Пространственное соответствие структур двух молекул (разных или одинаковых), благодаря которому возможно образование связей между ними (H-связей) и осуществление межмолекулярных взаимодействий, например, субстрата и фермента, называется комплементарностью.

4. Ферменты не смещают положения равновесия, а ускоряют его достижение. Например, фермент липаза ускоряет расщепление жира на глицерин и высшие жирные кислоты в присутствии избытка воды, когда равновесие сдвинуто в сторону гидролиза. Но та же липаза без воды ускоряет реакцию между глицерином и высшими жирными кислотами (синтеза жира), т.е. фермент действует так же, как любой неорганический катализатор.

5. Фермент проявляет свою активность, присутствуя в очень малом количестве. Например, фермент пероксидаза, ускоряющий реакцию окисления перекиси водорода, проявляяет активность при разбавлении 1 части фермента в 500 000 000 частей воды.

Достаточно кратковременного контакта фермента с субстратом для проявления каталитического действия: 1 моль сахаразы расщепляет в 1 секунду 1000 молей свекловичного сахара.

6. Ферменты нуждаются в присутствии активаторов. Многие ферменты вырабатываются живой тканью в неактивной форме – в виде проферментов, которые переходят в активный фермент под влиянием активаторов. Роль активаторов выполняют специфические белковые вещества – киназы, ионы металлов (Mn2+, Mg2+, Co3+, Na+) или изменение реакции среды.

Например, поджелудочная железа вырабатывает профермент трипсина – трипсиноген, который в кишечном соке активируется энтерокиназой, переходя в активную форму – трипсин. Слюнная амилаза – фермент, расщепляющий крахмал, активируется ионами поваренной соли. Стенки желудка вырабатывают неактивный профермент – пепсиноген. Под влиянием кислой среды желудочного сока пепсиноген переходит в активный фермент – пепсин. Активация происходит за счёт вхождения ионов в состав простетической группы фермента или за счёт облегчения образования фермент-субстратного комплекса, или иными путями.

7. Ферменты легко инактивируются различными ферментными ядами. Многие ферменты дыхания инактивируются солями синильной кислоты (цианидами). Фториды и моноиодуксусная кислота подавляют действие ферментов брожения.

Вещества, которые тормозят действие ферментов, называются ингибиторами. Механизмы ингибирующего действия разнообразны, но в большинстве случаев сводятся к двум типам: обратимому и необратимому торможению. В случае необратимого торможения ингибитор действует на фермент, вызывая полное изменение его структуры, что приводит к прекращению действия фермента.

Обратимое ингибирование происходит только в период непосредственного взаимодействия фермента с ингибитором, а после его удаления фермент вновь приобретает свою активность. Этот тип ингибирования бывает конкурентным и неконкурентным.

Конкурентное торможение активности фермента обусловлено конкуренцией между субстратом и ингибитором за взаимодействие с ферментом. Это возможно только в том случае, если структура ингибитора близка структуре субстрата, т.е. ингибитор является структурным аналогом субстрата. Поэтому-то ингибитор и способен соединяться с активным центром фермента, и субстрат уже не может присоединиться к ферменту.

При удалении ингибитора восстанавливается способность фермента вновь взаимодействовать с субстратом. Между субстратом и ингибитором существуют определённые количественные отношения, которые следует понимать так: если концентрация ингибитора превышает концентрацию субстрата [I] [S], то ингибитор взаимодействует с ферментом и выключает его из реакции, и субстрат не расщепляется. Но если содержание субстрата выше, чем ингибитора [S] [I], то с ферментом будет связываться и субстрат, который подвергается распаду с образованием продуктов реакции Р1 и Р2, но активность фермента по субстрату будет снижена за счёт его частичного ингибирования (рис. 8).

При неконкурентном торможении ингибитор соединяется с ферментом не по месту активного центра, а где-то на другом участке молекулы фермента. Но это приводит к такому нарушению структуры активного центра, что субстрат не может с ним соединяться – фермент инактивируется. Такой вид торможения называется ещё аллостерическим (рис. 9).

Примером конкурентного торможения является ингибирование действия фермента сукцинатдегидрогеназы избытком щавелевоуксусной кислоты в цикле Кребса:

COOH COOH

Учение об активаторах и ингибиторах ферментов связано с более широким и общим вопросом регуляции действия ферментов в целом.

3.3. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ

Ферменты, расщепляющие белки (протеины), называются протеазами, или протеолитическими ферментами. Ферменты, гидролизующие жиры (липиды), называются липазами.

Группы ферментов можно называть по типу катализируемых реакций. Например, ферменты, ускоряющие отщепление двух атомов водорода от субстрата, т.е. реакцию дегидрирования, называют дегидрогеназами. Ферменты, ускоряющие реакцию гидролиза, – гидролазами.

Иногда в названии объединяют оба принципа, указывая и субстрат, и реакцию, которую фермент ускоряет. Например, алкогольдегидрогеназа – название специфического фермента, ускоряющего отнятие двух атомов водорода от молекулы этилового спирта.

Для многих ферментов сохранились случайные названия, например, пепсин – фермент желудочного сока, трипсин – один из ферментов поджелудочного сока, птиалин – фермент слюны (тривиальная номенклатура).

В 1972 г. Международной комиссией по номенклатуре ферментов был составлен детальный список всех известных ферментов, который насчитывал 1770 соединений, в последующем он был существенно дополнен и в 1979 г. включал 2003 фермента. Каждому из них был присвоен индивидуальный номер (шифр), который указывает место в общем списке.

В 1961 г. Международным биохимическим союзом в Москве была принята единая классификация ферментов, по которой выделено 6 классов ферментов в соответствии с типом ускоряемых реакций.

1 класс – Оксидоредуктазы – ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, т.е. перенос электронов и протонов от одного вещества (донор) к другому (акцептор). Их действие может быть представлено схемой:

восстановленный окисленный окисленный восстановленный Окисление протекает как процесс удаления атомов водорода (или электронов) от субстрата, а восстановление – как присоединение атомов водорода (или электронов) к акцептору. Ферменты, входящие в этот класс, классифицируются по характеру химической группы донора, который окисляется, и по природе акцептора, который восстанавливается. Различают 13 подклассов оксидоредуктаз, основными из которых являются:

а) дегидрогеназы, принимающие участие в дыхании. Например, флавиновые ферменты, ферменты цитохромной системы и др.;

б) пероксидазы – ферменты, ускоряющие окисление субстрата за счёт перекиси водорода;

в) каталаза, разлагающая перекись водорода на воду и кислород;

г) гидроксилазы – ферменты, осуществляющие введение в органические соединения гидроксильных группировок.

Характерной особенностью действия оксидоредуктаз в живой клетке является то, что они образуют системы (так называемые цепи окислительно-восстановительных ферментов), в которых осуществляется многоступенчатый перенос атомов водорода или электронов от первичного субстрата (окисляемого вещества) к конечному акцептору, которым является, как правило, атом кислорода. В конце концов атомы водорода переходят к кислороду и образуется вода.

Среди оксидоредуктаз выделяют подгруппы по принципу: действуют ли ферменты в присутствии кислорода или без него. Анаэробные дегидразы (дегидрогеназы), например, флавиновые ферменты переносят водород на какой-либо промежуточный акцептор, с которого он переносится на кислород. Образуется пара HO, если это атомарный кислород, и образуется перекись водорода Н2О2, если это молекулярный кислород.

Простетическую группу анаэробных дегидраз составляет дифосфорпиридиннуклеотид (ДПМ) и трифосфорпиридиннуклеотид (ТПН).

В них входят аденин, рибоза, фосфорная кислота, амид никотиновой кислоты. Лактикодегидраза (молочная кислота), маликодегидраза (яблочная кислота) – анаэробные дегидразы.

Аэробные дегидразы катализируют перенос водорода непосредственно на кислород без промежуточного акцептора (оксидазы аминокислот, фермент Шардингера, содержащийся в молоке). Простетическая группа представлена флавинадениннуклеотидом (ФАД), вместо витамина РР входит витамин В2.

Гемосодержащие ферменты – простетическая группа – гем. Сюда относятся: а) цитохромы, принимающие участие в переносе электронов в процессе биологического окисления; б) каталаза, пероксидаза (в основном содержится в растениях, катализирует окисление фенолов и ароматических аминов). Каталаза, разрушая H2O2 с образованием O2, окисляет и восстанавливает железо в составе гема в гемоглобине.

2 класс – Трансферазы – катализируют реакции переноса атомных групп и молекулярных остатков с одного соединения на другое.

По характеру переносимой группы трансферазы подразделяются на:

а) метилферазы – переносят метильные группы (например, CH3группы метионина, которые используются в построении аминоспирта холина);

б) аминотрансферазы – катализируют реакции переаминирования.

Они очень важны для обеспечения нормального преобразования аминокислот. Аминотрансферазы являются двухкомпонентными, простетической группой во всех случаях является пиридоксальфосфат (производное витамина В6). Различные аминотрансферазы отличаются друг от друга белковой частью;

в) фосфотрансферазы – ускоряют реакции переноса остатков фосфорной кислоты. Например, гексокиназа осуществляет перенос остатков Н3РО4 с АТФ на глюкозу. Эти реакции имеют очень важное значение для жизнедеятельности организмов, так как они обеспечивают превращение ряда органических соединений в фосфорные эфиры, обладающие повышенной химической активностью и более легко вступающие в последующие реакции;

г) гликозилтрансферазы – ускоряют реакции переноса гликозильных остатков от молекул фосфорных эфиров или других соединений к молекулам моносахаридов, полисахаридов или иных веществ. Эти ферменты обеспечивают реакции биосинтеза олиго- и полисахаридов в животном и растительном мире. Реакция переноса гликозидного остатка обратима и, поскольку обратный процесс давно уже получил название фосфорилаза, эту группу ферментов называют также фосфорилазами;

д) ацилтрансферазы – ускоряют перенос ацильных групп (остатков карбоновых кислот) к аминокислотам, аминам, спиртам и другим соединениям. Чаще всего переносу в биологических объектах подвергается ацильная группа уксусной кислоты – ацетильная группа.

3 класс – Гидролазы – ускоряют реакции гидролитического расщепления сложных органических веществ и реже синтеза.

В зависимости от природы субстрата, подвергающегося гидролизу, гидролазы подразделяются на подгруппы:

а) эстеразы – ускоряют гидролиз и синтез сложных эфиров.

Например, липазы гидролизуют жиры, фосфатазы (фосфоэстеразы) осуществляют гидролиз эфиров H3PO4, сульфатазы гидролизуют сернокислые эфиры;

б) глюкозидазы – ускоряют гидролиз глюкозидов в первую очередь сложных углеводов. Амилазы, содержащиеся в слюне и соке поджелудочной железы, ведут гидролиз крахмала и гликогена. Сахараза, мальтаза, лактаза действуют на олигосахариды, ускоряя их гидролиз;

в) пептидазы – ускоряют гидролиз пептидных связей в белках и пептидах. Выделяют: экзопептидазы – проводят расщепление с конца пептидной цепи (катепсин); эндопептидазы осуществляют гидролиз в центре полипептидной цепи (пепсин, трипсин);

г) амидазы – ускоряют гидролиз амидов, отщепление аминогруппы (аспарагиназа, уреаза, аргиназа);

д) C–C-гидролазы – разрывают C–C-связи.

4 класс – Лиазы – ускоряют реакции негидролитического отщепления от субстратов определённых групп атомов с образованием двойных связей или присоединение по месту этих связей:

а) карбоксилиазы (или декарбоксилазы) – катализируют распад кетокислот и аминокислот с выделением CO2:

б) альдегидлиазы (альдолазы) – расщепляют гексозы на две триозы.

5 класс – Изомеразы – катализируют превращение изомерных форм друг в друга, ускоряют процессы внутримолекулярных превращений:

а) эпимеразы – осуществляют превращение оптических изомеров, например, глюкозы в галактозу.

б) цис-транс-изомеразы осуществляют взаимный переход цис транс-изомеров, например, переход малеиновой кислоты (цис-форма) в фумаровую (транс-форма):

в) глюкоза-1-фосфат изомеризуется в глюкозу-6-фосфат.

Таким образом, превращения с участием изомераз могут включать внутримолекулярный перенос атомов водорода, фосфатных и ацильных групп, изменение пространственного расположения атомных группировок, перемещение двойных связей и т.п.

6 класс – Лигазы, или синтетазы – ускоряют синтез сложных соединений из более простых за счёт энергии распада пирофосфорных связей (в АТФ или других богатых энергией пирофосфатах). Важна роль лигаз в биосинтезе белков, нуклеиновых кислот, жирных кислот и других соединений.

3.4. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ Будучи катализаторами, ферменты ускоряют достижение равновесия в химических процессах, которые протекают сами по себе, но с очень малыми скоростями. Как и любые катализаторы, ферменты повышают скорость химических реакций за счёт снижения энергии активации (энергетического барьера) реакции. Это обеспечивается тем, что в ходе химического процесса исходное соединение проходит через ряд промежуточных состояний, свободная энергия которых существенно снижена (рис. 10).

На заключительной стадии биокаталитического процесса фермент, как и катализатор, освобождается и вступает во взаимодействие с новыми молекулами субстрата, совершая множество «оборотов» в данной химической реакции.

Ведущую роль в механизме ферментативного катализа играют фермент-субстратные комплексы, в которых обратимо меняется третичная структура (конформация) фермента, что способствует наилучшему пространственному соответствию молекул фермента и субстрата.

На первой стадии ферментативной реакции возникает соединение, в котором фермент и субстрат связаны ковалентной или иной связью.

Затем (вторая стадия) субстрат под действием связанного с ним фермента активируется, т.е. претерпевает изменение, делающее его более доступным для соответствующей химической реакции. На третьей стадии происходит собственно химическая реакция (на поверхности фермента).

На заключительной стадии образовавшийся продукт реакции освобождается из комплекса субстрат-продукт (рис. 11).

Рис. 10. Изменение свободной энергии системы, участвующей в неферментативной (1) и ферментативной (2) реакциях:

S – исходный субстрат; ES – фермент-субстратный комплекс;

Рис. 11. Модель ферментативного расщепления молекулы субстрата при кратковременном изменении конформации фермента при образовании фермент-субстратного комплекса Если фермент обозначить Е, субстрат – S, активированный субстрат – S, продукт реакции – Р, то указанную последовательность процессов можно описать следующим образом:

Механизм действия каждого фермента уникален. Вместе с тем существуют общие характеристики ферментов, которые изучает ферментативная кинетика.

К липидам (от греч. липос – жир) относят природные органические соединения, нерастворимые в воде и растворимые в органических растворителях (бензине, петролейном эфире, этиловом эфире, ацетоне, хлороформе, сероуглероде, метиловом и этиловом спиртах), являющиеся производными высших жирных кислот.

В зависимости от состава, строения и роли в организме сложилась следующая классификация липидов:

I. Простые липиды:

Жиры, или триглицериды – сложные эфиры высших жирных кислот и трёхатомного спирта – глицерина.

Воски – сложные эфиры высших жирных кислот и одноатомных высших спиртов.

Стериды – сложные эфиры высших жирных кислот и полициклических спиртов – стеролов.

II. Сложные липиды имеют многокомпонентные молекулы, компоненты которых соединены химическими связями различного типа:

Фосфолипиды, состоящие из остатков высших жирных кислот, глицерина или других многоатомных спиртов, фосфорной кислоты и азотистых оснований той или иной природы.

Гликолипиды, включающие в свой состав, наряду с многоатомным спиртом и высшей жирной кислотой, углеводы.

III. Ещё две группы липидов, в составе которых встречаются и простые, и сложные липиды:

Диольные липиды – простые и сложные эфиры двухатомных спиртов с высшими жирными кислотами, содержащие в ряде случаев фосфорную кислоту, азотистые основания и углеводы.

Орнитинолипиды – построенные из остатков высших жирных кислот, аминокислоты орнитина (или лизина) и включающие в некоторых случаях двухатомные спирты.

Жиры, стериды, фосфолипиды и диольные липиды распространены везде, участвуют в построении клеточных структур и в биохимических процессах.

Воски – менее важная группа соединений, это пчелиный воск, воски растений.

Гликолипиды присутствуют в нервной ткани, хлоропластах растений.

Орнитинолипиды присущи микроорганизмам.

Липиды образуют с другими органическими соединениями комплексы, необходимые в осуществлении ряда биохимических функций, это:

регуляция деятельности ряда гормонов и активности ферментов;

влияние на процессы транспорта метаболитов и макромолекул;

контроль реакций биологического окисления и энергетического обмена;

связь с репликацией ДНК и её матричной активностью.

П р и м е ч а н и е: Метаболиты – низкомолекулярные соединения, являющиеся продуктами химических превращений в биологических объектах или поступающие в них в процессе питания. Репликация (гомологическая) – бесконечное повторение процесса удвоения числа молекул путём прямого, непосредственного копирования их структуры.

То, что называется жирами в обыденной жизни (говяжий жир, сливочное масло) – не представляет собой химически определённых соединений.

Из разных источников выделено свыше 600 различных видов жиров, среди которых насчитывается 420 видов жиров растительного происхождения, 80 видов жиров сухопутных животных и более видов жиров обитателей водоёмов.

С точки зрения состава жирами называют сложные эфиры высших жирных кислот и глицерина, поэтому предпочтительнее название – триглицериды, или нейтральные жиры.

В составе природных триглицеридов несколько десятков различных органических кислот, среди них большая доля принадлежит высшим жирным монокарбоновым кислотам с числом углеродных атомов 16 и более. Встречаются и оксикислоты.

масляная изовалериановая капроновая СН3–(СН2)4–СООН каприловая СН3–(СН2)6–СООН каприновая СН3–(СН2)8–СООН лауриновая СН3–(СН2)10–СООН миристиновая СН3–(СН2)12–СООН пальмитиновая СН3–(СН2)14–СООН стеариновая СН3–(СН2)16–СООН арахиновая СН3–(СН2)18–СООН лигноцериновая СН3–(СН2)22–СООН церотиновая СН3–(СН2)24–СООН пальмитоолеиновая СН3–(СН2)5–СН=СН–(СН2)7–СООН олеиновая СН3–(СН2)7–СН=СН–(СН2)7–СООН эруковая СН3–(СН2)7–СН=СН–(СН2)11–СООН нервоновая СН3–(СН2)7–СН=СН–(СН2)13–СООН линолевая СН3–(СН2)3–(СН2–СН=СН)2–(СН2)7–СООН или С5Н11–СН=СН–СН2–СН=СН–(СН2)7–СООН линоленовая СН3–(СН2–СН=СН)3–(СН2)7–СООН С2Н5–СН=СН–СН2–СН=СН–СН2–СН=СН–(СН2)7–СООН арахидоновая СН3–(СН2)4–(СН=СН–СН2)4–(СН2)2–СООН тарариновая чальмугровая гиднокарповая рицинолевая В основном – это кислоты с чётным числом углеродных атомов.

В составе жиров обнаружены кислоты с нечётным числом атомов углерода и разветвлённым углеродным скелетом. Последние резко понижают температуру плавления жиров, обладают антибиотическими свойствами и видовой специфичностью, например, миколевая кислота в туберкулёзных бактериях:

Из некоторых туберкулёзных бацилл получены туберкулостеариновая (1) и миколипеновая (2) кислоты с нечётным числом углеродных атомов и разветвлённой цепью:

Наиболее часто и в наибольшей пропорции в природных жирах встречаются олеиновая (до 30%) и пальмитиновая кислоты (15…50%).

Это «главные» жирные кислоты.

В составе растительных жиров преобладают ненасыщенные высшие жирные кислоты (до 90%), из предельных лишь пальмитиновая кислота содержится в количестве 10…15%.

Триглицериды различают простые и смешанные. Простые являются сложными эфирами глицерина и одной из высших кислот:

Смешанные триглицериды построены из глицерина и остатков разных высших жирных кислот:

В природных жирах – смеси разнообразных триглицеридов – доля простых триглицеридов мала, а процентное содержание смешанных триглицеридов велико. Например, в составе свиного сала 8 различных триглицеридов: 1% из них приходится на долю трипальмитина и 3% – на долю триолеина. Остальные 6 триглицеридов – смешанные: 53% пальмитодиолеин и 27% пальмитостеароолеин. В составе коровьего молока 14 кислот, в том числе н-масляная.

В кокосовом и пальмовом маслах найдены стеародипальмитин, олеодипальмитин, миристодипальмитин, миристодилаурин, пальмитодимиристин и лауродимиристин.

Физические свойства триглицеридов зависят от характера высших кислот в составе их молекул. Если преобладают насыщенные – твёрдые – жирные кислоты, то триглицерид твёрдый; если преобладают ненасыщенные – жидкие жирные кислоты, их tпл низкая и при обычных условиях триглицерид жидкий. Например, триглицериды жидкого при обычных условиях подсолнечного масла, t°пл = –21 °С, содержат 39% олеиновой и 46% линолевой кислоты, а твердое растительное масло бобов какао, tпл = 30…34 °С, имеет в своём составе 35% пальмитиновой и 40% стеариновой кислот.

Арахисовое, кукурузное, хлопковое, соевое, льняное, кунжутное, касторовое, конопляное масла богаты глицеридами ненасыщенных кислот, содержащих цепь из 16 или более атомов углерода.

В резервных жирах человека отношение ненасыщенных кислот к насыщенным 3:2. Главный компонент резервного жира – олеиновая кислота, затем линолевая; арахидоновой кислоты (с четырьмя двойными связями) содержится от 0,3 до 1,0%.

Триглицериды образуют оптические и геометрические изомеры, так как имеют асимметрический углеродный атом в составе глицерина и одну или несколько двойных связей в радикалах кислотных остатков.

Кислоты линолевая, линоленовая, арахидоновая в организме синтезироваться не могут, обязательно должны поступать извне.

Естественные жиры характеризуются показателями:

1. Йодное число – количество граммов йода, которое присоединяется к 100 г жира. Чем выше йодное число, тем больше ненасыщенных жирных кислот в составе жира. Человеческий жир имеет йодное число 64, а конопляное масло – 150.

Для определения йодного числа применяют растворы хлористого йода JCl, бромистого йода JBr, которые более реакционноспособны, чем сам йод.

2. Эфирное число – это количество миллиграммов KОН, необходимое для омыления (гидролиза) 1 г жира.

3. Кислотное число характеризует количество свободных жирных кислот в жире. Содержание последних выражают также в % олеиновой кислоты, что численно равно половине кислотного числа.

Сумма кислотного и эфирного чисел – это число омыления, которое характеризует среднюю молекулярную массу жира.

4. Титр жира, или область плавления, – это температура, при которой расплавленный жир начинает затвердевать.

Жиры способны окисляться, или прогоркать. Быстро окисляются жиры, содержащие ненасыщенные жирные кислоты. Метиленовые группы рядом с двойными связями легко подвергаются действию кислорода. Протекает ряд реакций с образованием гидроперекиси, полимеризацией, сшиванием полимерных цепей. Благодаря полимеризации непредельные жиры (масла) применяются в качестве плёнкообразующих. Льняное масло используется как связующее и носитель пигмента в масляных красках. Прогорклость растительных масел – это результат окислительного разрыва двойных связей с образованием низших альдегидов и кетонов.

Химическую нестойкость растительных масел устраняют гидрированием (восстановление водородом) над никелевым катализатором, при этом понижается tпл жиров, идёт их отвердение.

Одна из особенностей жиров – способность к эмульгированию.

При взбалтывании жира с водой образуется эмульсия – взвесь капелек жира в воде. При стоянии капельки жира всплывают на поверхность и сливаются. Такие эмульсии называются нестойкими. А стойкие образуются с помощью эмульгаторов, – веществ, которые адсорбируют на своей поверхности жир и образуют тончайшую плёнку, препятствующую слипанию капелек жира. Важнейшими физиологическими эмульгаторами являются желчные кислоты и их соли. Желчные кислоты образуют в кишечнике с жирами стойкие эмульсии, и тем самым способствуют быстрейшему всасыванию жира. Жир вводится в контакт с ферментными системами и с их помощью гидролизуется. Освобождённые жирные кислоты всасываются слизистой оболочкой кишок, где и совершается новый синтез жиров.

Жиры выполняют в организме следующую роль:

1. Энергетическую. При сгорании 1 г жира выделяется 39 кДж теплоты. Жиры – ценная высокоэнергетическая составная часть пищи.

2. Жиры являются запасным питательным веществом, откладываются под кожей, в сальнике, брыжейке. Молоко содержит большое количество нейтральных жиров. Многие семена растений (подсолнечник, конопля, лён, клещевина) богаты нейтральными жирами (растительные масла), откуда они и добываются в пищевой промышленности.

3. Жиры являются регуляторами теплоотдачи, они плохие проводники тепла.

4. Выполняют защитную роль, предохраняя органы от ударов.

5. Жиры являются растворителями жирорастворимых витаминов.

6. Принимают участие в построении клеточных мембран, входят в состав клетки. Протоплазматический жир тесно связан с белком, его количество не меняется даже в тяжёлых случаях истощения.

Жиры используются в мыловаренной промышленности.

Воски – эфиры высших спиртов (с С16 по С36) и высших монокарбоновых кислот (с С24 по С36). В состав восков также входят свободные высшие спирты и свободные высшие кислоты (табл. 1), немного углеводородов всегда с нечётным числом углеродных атомов (от С27 до С33), красящих и душистых веществ. Общее количество примесей может быть 50%.

Похожие работы:

« НАЧЕРТАТЕЛЬНАЯ ГЕОМЕТРИЯ ИНЖЕНЕРНАЯ ГРАФИКА методические указания и контрольные задания для студентов-заочников Биолого-технологического института и факультета общественного питания Новосибирск 2010 Составитель: Т.В. Семенова Начертательная геометрия. Инженерная графика. Методические указания и контрольные задания: / Новосиб. гос. аграр. ун-т;...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина Кафедра физики Комплект учебных пособий по программе магистерской подготовки НЕФТЕГАЗОВЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Часть 6. И.Н. Евдокимов, А.П. Лосев РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ – ПРИНУДИТЕЛЬНАЯ СБОРКА АТОМНЫХ И МОЛЕКУЛЯРНЫХ СТРУКТУР И САМОСБОРКА НАНООБЪЕКТОВ Москва · 2008 УДК 622.276 Е15 Евдокимов И.Н., Лосев А.П. E 15 Комплект учебных пособий по...»

«О.И. Судавная, В.М. Фролов, С.В. Фролов Типовые расчеты по высшей математике Методические указания и задачи для студентов вечернего отделения IV семестр Санкт - Петербург 2010 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ О.И. Судавная, В.М. Фролов, С.В. Фролов Типовые расчеты по высшей математике Методические указания и задачи для студентов вечернего отделения IV семестр Методическое пособие...»

«Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Ю.А. Кирютенко В.А. Савельев Объектно-ориентированное программирование и язык Smalltalk. Стандартные окна системы Smalltalk Express for Windows Ростов-на-Дону 1999 Ю.А. КирютенкоВ.А. Савельев Объектно-ориентированное программирование и язык Smalltalk. Стандартные окна системы Smalltalk Express for Windows Аннотация Методическая разработка посвящена современному направлению в...»

«Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный технический университет Псковский политехнический институт С. И. Алексеев АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ МЕТОД РАСЧЁТА ФУНДАМЕНТОВ ПО ДВУМ ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ Санкт-Петербург Издательство СПбГТУ 1996 Рекомендовано к изданию научно-методическим советом ППИ СПбГТУ Рецензенты: - доктор техн. наук, профессор Улицкий Владимир Михайлович, глав. консультант ГПИИ Фундаментпроект, г. С.-Петербург; - доктор...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени С. М. Кирова Кафедра технологии лесопиления и сушки древесины С. И. Акишенков, кандидат технических наук, доцент В. И. Корнеев, кандидат технических наук, доцент А. М. Артеменков, кандидат технических наук, доцент ГИДРОТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И КОНСЕРВИРОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО Якутский государственный университет им.М.К.Аммосова Б.М.Кершенгольц, Т.В.Чернобровкина, А.А.Шеин, Е.С.Хлебный, Аньшакова В.В. Нелинейная динамика (синергетика) в химических, биологических и биотехнологических системах учебное пособие по курсу Синергетика – теория самоорганизации систем для студентов химических и биологических специальностей Якутск – 2009 г. ОГЛАВЛЕНИЕ: 4-29 I. Введение 1.1....»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ ИНСТИТУТ ХОЛОДА И БИОТЕХНОЛОГИЙ А.Г. Шлейкин, Н.Т. Жилинская ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ Учебное пособие Санкт-Петербург 2013 1 УДК 637.5 ББК 30.16 Ш 68 Шлейкин А.Г., Жилинская Н.Т. Введение в биотехнологию: Учеб. пособие. – СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2013. 95с. Рассмотрены основные вопросы, раскрывающие содержание биотехнологии как науки и...»

« образования Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия им. С. М. Кирова КАФЕДРА АВТОМОБИЛЕЙ И АВТОМОБИЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА ДИПЛОМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ Методические указания для студентов специальностей 150200 Автомобили и автомобильное хозяйство и 230100 Эксплуатация и обслуживание транспортных и технологических машин и...»

«Учреждение образования Витебская ордена Знак Почета государственная академия ветеринарной медицины Кафедра экономики и организации сельскохозяйственного производства ОСНОВЫ МЕНЕДЖМЕНТА И ДЕЛОПРОИЗВОДСТВА Учебно-методическое пособие для студентов специальности 1 – 74 03 01 Зоотехния Витебск ВГАВМ 2011 УДК 631.15:338.24 (07) ББК 65.32 Н63 Рекомендовано в качестве учебно-методического пособия редакционно-издательским советом УО Витебская ордена Знак Почета государственная академия ветеринарной...»

«Министерство образования и науки Украины Севастопольский национальный технический университет РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКИЕ РАБОТЫ ПО НАЧЕРТАТЕЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ ДЛЯ ЗАОЧНИКОВ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению индивидуальных заданий по разделу Начертательная геометрия для студентов технических специальностей заочной формы обучения по направлениям подготовки 0902 – Инженерная механика; 0909 – Приборы; 0925 – Автоматизация и компьютерноинтегрированные технологии; 0804 – Компьютерные системы; 0922 -...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ А.Г Карманов ФОТОГРАММЕТРИЯ Санкт-Петербург 2012 1 Учебное пособие посвящено методам и способам обработки фотографических данных полученных посредством дистанционного зондирования, в том числе с использованием автоматизированных средств фотограмметрии, применением методов фотограмметрии для решения...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР МЕЖКУЛЬТУРНОЙ КОММУНИКАЦИИ И МЕЖДУНАРОДНЫХ ОТНОШЕНИЙ Т.Р. КУЗЬМИНА ОЧЕРКИ МЕЖКУЛЬТУРНОЙ КОММУНИКАЦИИ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО

Чтобы сузить результаты поисковой выдачи, можно уточнить запрос, указав поля, по которым производить поиск. Список полей представлен выше. Например:

Можно искать по нескольким полям одновременно:

Логически операторы

По умолчанию используется оператор AND .
Оператор AND означает, что документ должен соответствовать всем элементам в группе:

исследование разработка

Оператор OR означает, что документ должен соответствовать одному из значений в группе:

исследование OR разработка

Оператор NOT исключает документы, содержащие данный элемент:

исследование NOT разработка

Тип поиска

При написании запроса можно указывать способ, по которому фраза будет искаться. Поддерживается четыре метода: поиск с учетом морфологии, без морфологии, поиск префикса, поиск фразы.
По-умолчанию, поиск производится с учетом морфологии.
Для поиска без морфологии, перед словами в фразе достаточно поставить знак "доллар":

$ исследование $ развития

Для поиска префикса нужно поставить звездочку после запроса:

исследование*

Для поиска фразы нужно заключить запрос в двойные кавычки:

" исследование и разработка"

Поиск по синонимам

Для включения в результаты поиска синонимов слова нужно поставить решётку "# " перед словом или перед выражением в скобках.
В применении к одному слову для него будет найдено до трёх синонимов.
В применении к выражению в скобках к каждому слову будет добавлен синоним, если он был найден.
Не сочетается с поиском без морфологии, поиском по префиксу или поиском по фразе.

# исследование

Группировка

Для того, чтобы сгруппировать поисковые фразы нужно использовать скобки. Это позволяет управлять булевой логикой запроса.
Например, нужно составить запрос: найти документы у которых автор Иванов или Петров, и заглавие содержит слова исследование или разработка:

Приблизительный поиск слова

Для приблизительного поиска нужно поставить тильду "~ " в конце слова из фразы. Например:

бром~

При поиске будут найдены такие слова, как "бром", "ром", "пром" и т.д.
Можно дополнительно указать максимальное количество возможных правок: 0, 1 или 2. Например:

бром~1

По умолчанию допускается 2 правки.

Критерий близости

Для поиска по критерию близости, нужно поставить тильду "~ " в конце фразы. Например, для того, чтобы найти документы со словами исследование и разработка в пределах 2 слов, используйте следующий запрос:

" исследование разработка"~2

Релевантность выражений

Для изменения релевантности отдельных выражений в поиске используйте знак "^ " в конце выражения, после чего укажите уровень релевантности этого выражения по отношению к остальным.
Чем выше уровень, тем более релевантно данное выражение.
Например, в данном выражении слово "исследование" в четыре раза релевантнее слова "разработка":

исследование^4 разработка

По умолчанию, уровень равен 1. Допустимые значения - положительное вещественное число.

Поиск в интервале

Для указания интервала, в котором должно находиться значение какого-то поля, следует указать в скобках граничные значения, разделенные оператором TO .
Будет произведена лексикографическая сортировка.

Такой запрос вернёт результаты с автором, начиная от Иванова и заканчивая Петровым, но Иванов и Петров не будут включены в результат.
Для того, чтобы включить значение в интервал, используйте квадратные скобки. Для исключения значения используйте фигурные скобки.

Новосибирский государственный университет Факультет естественных наук Кафедра цитологии и генетики презентация к курсу лекций ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИЗНИ К.б.н. Владимир Александрович Трифонов Пособие разработано в рамках реализации Программы развития НИУ-НГУ Лекция №1. План. Введение в дисциплину. Определение жизни. Уровни организации живых систем. Химический состав организмов. Липиды. Строение и биологические функции. 6) Биополимеры, их строение и свойства 1) 2) 3) 4) 5) Что такое жизнь? Попытки определения понятия: «магнит одушевлен, т.к. способен притягивать железо» Фалес VI век до н.э. «одушевлены все тела природы» Б. Спиноза (XVII в) «Всеобщность молекулярного обновления (обмена веществ) у растений и животных и во всех их частях, его постоянство, не допускающее остановки, делают из этого явления всеобщий признак жизни» Клод Бернар (XIX в) «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных этих тел» Ф.Энгельс (XIX в) “Жизнь - … это работа специальным образом организованной системы, направленная на понижение собственной энтропии за счет повышения энтропии окружающей среды” Эрвин Шредингер (1887-1961) «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот» М.В. Волькенштейн (1912-1992) Живые организмы как открытые системы Система – множество элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и связанных прямыми и обратными связями, образуя целостность. Открытые системы: обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой. Открытые системы: явления самоорганизации, усложнения или спонтанного возникновения порядка. Общая теория систем Свойства систем Синергичность - однонаправленность действий компонентов усиливает эффективность функционирования системы. Эмерджентность -функции компонентов системы не всегда совпадают с функциями системы. Целостность - первичность целого по отношению к частям. Иерархичность - каждый компонент системы может рассматриваться как система (подсистема) более широкой глобальной системы Адаптивность - стремление к состоянию устойчивого равновесия, которое предполагает адаптацию параметров системы к изменяющимся параметрам внешней среды Людвиг фон Берталафани (1901-1972) Неравновесные системы «Неравновесность может стать источником упорядоченности» Илья Пригожин (1917-2003) Последовательность состояний системы – ТРАЕКТОРИЯ СИСТЕМЫ Наиболее вероятные состояния системы - АТТРАКТОРЫ Предпочтительность одних состояний другим – явление упорядоченности, т.е. убывание энтропии. Самоорганизация в неравновесных системах Существует точка зрения, что жизнь можно рассматривать как результат специфического отбора на пути длительной эволюции, который прошли самоорганизующиеся системы. Свойства живых систем 1) Примерно одинаковый химический состав 2) Обмен веществом и энергией 3) Самовоспроизведение 4) Способность к росту и развитию 5) Раздражимость 6) Дискретность Уровни организации живой материи Элементарные частицы атомы молекулы мономеры биополимеры Уровни организации живой материи Клетка Ткани Органы и сиcтемы органов Уровни организации живой материи организм популяция вид Уровни организации живой материи Экосистема, биогеоценоз Биосфера Химический состав живых организмов Всего обнаружено 80 элементов, но только для 30 известны функции Макроэлементы Содержание которых в живых организмах составляет больше 0,001 % на сухую массу. Составляют 99% сухой массы клетки Из них на биогенные макроэлементы приходится 98%: кислород (65-75%), углерод (15-18%), азот(1,5-3%) и водород (8-10%) O K C S H Cl N Ca Mg Na P Fe Микроэлементы Содержание в организме 0.001-0.000001% Могут входить в состав гормонов, ферментов и других важных компонентов клетки Zn Cu I F B Co Mo V Br Cr Mn Se Si Ge Ni Co Ковалентная связь углерод-кобальт - единственный в природе пример ковалентной связи металл-углерод. Ультрамикроэлементы Концентрация меньше 0.000001 % Физиологическая роль не установлена Au Hg U Be Cs Ra и др. Состав химических соединений живой клетки Неогранические вещества Вода от 50 до 90% Соли и др. неорг. вещ-ва 1-1.5% Низкомолекулярные органические вещества липиды 1.5% прочие 0.1% Высокомолекулярные органические вещества Белки 10-20% Углеводы 0.2-20% Нуклеиновые кислоты 1-2% Роль воды Универсальный растворитель Водородные связи Высокая теплоемкость Участник многих реакций Транспорт веществ в организме Осмос Значение осмоса в биологических процессах Мембрана клетки полупронецаема! =>Белки остаются внутри клетки. Осмос участвует в переносе питательных веществ в стволах высоких деревьев. Растения - осмос увеличивает объём вакуоли, и она распирает стенки клетки (тургорное давление). Ионы в клетке Важнейшие анионы: Важнейшие катионы: Cl-, HCO3-, H2PO4K+, Na+, Ca2+, Mg2+ Буферные свойства Нерастворимые соли в костной ткани и раковинах Органические вещества клетки Белки 10-20% Углеводы 0.2-2% Нуклеиновые кислоты 1-2% Липиды 1-5% Липиды большая группа веществ биологического происхождения, хорошо растворимых в органических растворителях: метанол, ацетон, хлороформ, бензол и т.д. Нейтральные жиры: эфиры глицерина и карбоновых кислот стеариновая пальмитиновая олеиновая Карбоновые кислоты Незаменимые жирные кислоты не синтезируются в организме и должны поступать с пищей. Из Кольман, Рем «Наглядная биохимия» Фосфолипиды Из Кольман, Рем «Наглядная биохимия» Изопреноиды Все липиды произошли от одного предшественника - ацетилкофермента А [ацетил-КоА (ацетилCoA)], представляющего собой активированную форму уксусной кислоты Из Кольман, Рем «Наглядная биохимия» Витамин А Витамин А - ретинол Провитамин А – β каротин Родопсин (белок с хромофорной группой) 1) Поглощение кванта света 2) хромофорная группа (11-цис-ретиналь) переходит в транс-форму 3) разложение родопсина 4) возбуждение зрительного нерва СТЕРОИДЫ Из Кольман, Рем «Наглядная биохимия» Стероиды Структура мембран, желчные кислоты, гормоны, витамины Простагландины Е1 Е2 Липидные медиаторы – обнаружены во всех органах и тканях животных. Аспирин – ингибитор синтеза простогландинов. Функции липидов 1) Структурная 2) Энергетическая 3) Запасная 4) Изоляционная 5) Регуляторная 6) Рецепторная БИОПОЛИМЕРЫ Гомополимеры – один тип мономеров Гетерополимеры – более одного типа мономеров Регулярные Нерегулярные –А-В-А-В-А-В-А-С-В-А-Г-А- Литература

Рассмотрение основных химических компонентов клетки, молекулярных основ биокатализа, метаболизма, наследст-венности, иммунитета, нейроэндокринной регуляции и фоторецепции. Структура и свойства важнейших типов биомолекул рассматриваются в связи с их биологической функцией.

Особенности живой материи. Уровни организации живых организмов. Размеры и форма биомолекул. Обмен веществ и энергии в биологических системах. Вода как компонент живой материи. Регуляция и воспроизведение в биологических системах.

I. БИОМОЛЕКУЛЫ

• I.1.1. Аминокислоты. Физико-химические свойства. Стереохимия. Белковые и непротеиногенные аминокислоты. Заменимые и незаменимые аминокислоты. Аминокислоты как структурные элементы белков.
• I.1.2. Пептиды. Структура и свойства. Стереохимия. Определение концевых аминокислотных остатков. Фрагментация пептидных цепей. Химический и ферментативный синтез пептидов. Твердофазный пептидный синтез. Автоматические пептидные синтезаторы. Структурные аналоги природных пептидов.
• I.1.3. Белки. Молекулярная масса, размер и форма белковых макромолекул. Методы выделения белков. Классификация белков. Четыре уровня организации структуры белков.

Первичная структура белков и методы ее определения. Автоматические секвенаторы. Семейства белков и гомология первичной структуры.

Вторичная структура белков и методы ее определения. Пептидная связь и конформация полипептидной цепи. Основные типы вторичной структуры белков. Роль водородных связей.

Третичная структура белков. Рентгеноструктурный анализ биополимеров. Глобулярные и фибриллярные белки. Гидрофобные взаимодействия. Денатурация и ренатурация белков как кооперативные процессы. Связь третичной и первичной структур. Структура и функция глобинов. Миоглобин. Гемоглобин. Белки плазмы крови и их использование в медицине.

Четвертичная структура олигомерных белков. Природа взаимодействий. Стехиометрия. Биологическое значение олигомерных взаимодействий.

Химическая модификация белков.

Простые и сложные белки. Апопротеины и простетические группы. Нуклео-, липо-, глико-, хромо-, фосфо-, металлопротеиды. Серповидноклеточная анемия как пример "молекулярной болезни". Химическая сущность мутаций. Наследственные нарушения обмена веществ.

Функции белков в организме. Ферменты. Гормоны. Транспортные белки. Антитела. Биотоксины. Антибиотики. Ингибиторы и активаторы ферментов. Агонисты и антагонисты рецепторов. Элементы теории фармакокинетики.

• I.2. Моносахариды - олигосахариды - полисахариды
• I.2.1.Важнейшие семейства моносахаридов. Стереохимия. Химические реакции. Биологически важные производные моносахаридов.
• I.2.2. Олигосахариды. Структура и свойства. Важнейшие дисахариды и трисахариды.
• I.2.3. Полисахариды. Структура, классификация, свойства. Биологическое значение. Резервные и структурные полисахариды.
• I.3. Нуклеозиды - нуклеотиды - нуклеиновые кислоты.
• I.3.1. Структуры нуклеозидов. Пиримидиновые и пуриновые основания. Углеводные компоненты. Конфигурация гликозидного центра. Химические реакции.
• I.3.2. Мононуклеотиды. Структура, номенклатура. Классификация. Стереохимия. Химические свойства. Биологически важные производные мононуклеотидов. Мононуклеотиды как структурные элементы нуклеиновых кислот.
• I.3.3. Полинуклеотиды и нуклеиновые кислоты. Классификация и номенклатура. Фосфодиэфирная связь. ДНК и РНК. Первичная структура нуклеиновых кислот. Секвенирование. Химические и ферментативные превращения полинуклеотидов. Вторичная структура нуклеиновых кислот, двойная спираль ДНК. Комплементарные и межплоскостные взаимодействия нуклеиновых оснований. Полиморфизм двойной спирали ДНК. Макромолекулярная структура РНК. Структура тРНК.

Химический и ферментативный синтез полинуклеотидов. Автоматический твердофазный синтез.

Функции полинуклеотидов в живых организмах. Нуклеопротеиды. Вирусы и вирусные болезни.

• I.4. Жиры - фосфолипиды
• I.4.1. Жиры. Структура, номенклатура и классификация. Нейтральные ацилглицериды. Воска. Стероиды. Терпены. Простагландины. Тромбоксаны.
• I.4.2. Фосфолипиды. Структура, номенклатура, классификация. Фосфоглицериды. Химические превращения фосфолипидов. Сфинголипиды и гликолипиды. Липидные мицеллы. Липопротеиды. Молекулярные компоненты биомембран и функции биомембран. Клеточные стенки бактерий. Пенициллин и родственные антибиотики.
• I.5. Витамины и микроэлементы.
• I.5.1. Витамины. Номенклатура и классификация. Жирорастворимые и водорастворимые витамины. Витамины как компоненты коферментов. Тиамин. Рибофлавин. Никотинамид. Пантотеновая кислота. Пиридоксин и пиридоксальфосфат. Антагонисты пиридоксальфосфат-зависимых ферментов как яды и лекарства. Изоникотинилгидразид в лечении туберкулеза. Биотин. Фолиевая кислота. Липокислота. Кобаламин. Аскорбиновая кислота. Витамины А, Д, Е и К как производные изопрена. Биологическая роль витаминов. Авитаминозы (цынга, рахит, пеллагра, анемии, берибери) и их лечение.
• I.5.2. Микроэлементы. Роль ионов железа, меди, цинка, марганца и кобальта в биологических процессах. Биохимия и токсикология селена и бора. Молибден, ванадий и никель как компоненты некоторых ферментов. Биологическое значение ионов кальция, хрома, олова и алюминия. Кремний как микроэлемент. Особая роль ионов щелочных металлов в биологических системах.

II. БИОКАТАЛИЗ

• II.1. Ферменты. Номенклатура, классификация. Белковая природа ферментов. Активный центр. Участок связывания с субстратом. Кофакторы ферментов. Коферменты и простетические группы. Холофермент и апофермент.
• II.2. Каталитические свойства ферментов. Кинетика реакций ферментативного катализа. Кинетическая схема и уравнение Михаэлиса. Стационарная, предстационарная и релаксационная кинетика. Автокаталитические ферментные процессы. Скорости элементарных стадий. Кинетика инактивации и денатурации ферментов. Элементарные акты ферментативных реакций в рамках теории переходного состояния. Субстратная специфичность ферментов. Конкурентные и неконкурентные ингибиторы. Механизмы ферментативных реакций. Регуляция активности ферментов. Влияние ионов водорода и ионов металлов. рН-Зависимости ферментативных реакций. Зависимость скорости реакций от температуры. Регуляторные ферменты. Аллостерические ферменты и модуляторы. Проферменты. Изоферменты. Мутации и активности ферментов. Молекулярные механизмы действия ферментов. Гидролазы: пепсин, химотрипсин, карбоксилаза, пирофосфатаза. Применение ферментов и их ингибиторов в медицине. Инженерная энзимология. Источники ферментов. Химическая модификация, иммобилизация и стабилизация ферментов, иммобилизованные клетки.

III. МЕТАБОЛИЗМ

• III.1. Обмен веществ и биоэнергетика. Термодинамическая обеспеченность биопроцессов. Метаболизм как совокупность процессов анаболизма и катаболизма. Источники углерода, кислорода, азота и водорода для жизнедеятельности организмов. Амфиболические процессы. Автотрофы и гетеротрофы. Стадии метаболизма. Неидентичность катаболических и анаболических путей. Уровни регуляции метаболизма. Метод изотопных меток в изучении метаболизма.
• III.2. Гликолиз и его стадии. Брожение и дыхание. Спиртовое брожение. Другие типы брожения.
• III.3. Цикл трикарбоновых кислот. Гелоксилатный цикл. Фосфоглюконатный путь. Окислительное фосфорилирование. Причина ядовитости мышьяка. Окисление жирных кислот. Окислительное расщепление аминокислот.
• III.4. Биосинтез углеводов, липидов, аминокислот, мононуклеотидов. Тимидилат-синтетаза как мишень в химиотерапии рака. Фотосинтез.
• III.5. Биоэнергетика и роль АТФ. Локализация и свойства АТФ. Стандартная свободная энергия гидролиза АТФ. Аденилатная система. Роль ионов магния. Пути ферментативного переноса фосфатных групп. Роль АТФ и пирофосфата. Механизм окислительного фосфорилирования и фотосинтеза. Элементы термодинамики открытых систем.
• III.6. Химия биологической фиксации азота атмосферы. Нитрогеназы. Азот-фиксирующие организмы и сельское хозяйство.

IV. БИОПОЛИМЕРЫ И НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ

• IV.1. Генетическая функция ДНК. Хромосомы. Прокариоты и эукариоты. Репликация ДНК. Ферменты биосинтеза ДНК. Транскрипция: биосинтез РНК на ДНК. Ферменты транскрипции. Регуляция экспрессии генов при инициации транскрипции. Опероны. Операторы. Репрессоры. Активаторы. Трансляция. Генетический код и функции тРНК. Свойства генетического кода. Кодирующие элементы. Состав кодирующих триплетов. Кодон-антикодоновые взаимодействия. Аминоацил-тРНК-синтетазы.
• IV.2. Рибосомы и биосинтез белков. Структура рибосом. Самосборка рибосом. Этапы биосинтеза белков. Инициация. Элонгация. Терминация. Энергетика биосинтеза белков. Регуляция биосинтеза белков.
• IV.3. Генная инженерия. Выделение генов и получение кДНК. Полимеразная цепная реакция. Векторы. Молекулярные механизмы мутагенеза. Мутагенез генов и белковая инженерия. Делеции, вставки, инверсии и замены. Генная инженерия и биотехнология. Генно-инженерные интерферон, гормон роста, инсулин. Экологические и этические проблемы генной инженерии. Гены и геномика. Геном человека.

V. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АСПЕКТЫ ФИЗИОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА

• V.1. Химия дыхания. Гемоглобин как переносчик кислорода. Взаимодействия субъединиц гемоглобина и кооперативность процесса связывания кислорода. Мутантные гемоглобины и заболевания крови.
• V.2. Химия иммунитета. Иммунный ответ. Структура антител. Иммуноглобулины. Легкие и тяжелые цепи. Вариабельные и инвариантные участки. Антигены. Комплексы антиген - антитело. В- и Т-лимфоциты. Комплемент и его компоненты. Иммунодефициты. Проблема СПИДа.
• V.3. Химия нейроэндокринной регуляции. Нейроны. Синапсы. Нейромедиаторы. Ацетилхолин и ацетилхолинэстераза. Ингибиторы ацетилхолинэстеразы. Химия нервной передачи. Нейропаралитические яды. Нейропептиды. Энкефалины. Эндорфины. Опиоидные пептиды. Эндокринные железы и гормоны. Химическая структура гормонов. Стероидные гормоны коры надпочечников и половых желез. Адреналин и норадреналин. Молекулярные действия гормонов. Аденилатциклазная система. Рецепторы.
• V.4. Химия зрения. Сетчатка и фоторецепторы. Зрительные пигменты. Родопсин. Фотоизомеризация ретиналя. Люмиродопсин и метародопсины. Фотоинициирование нервного импульса.
• V.5. Химия мышечного сокращения. Миозин. Актин. Актомиозиновый комплекс. АТФ-азная активность миозина. Сопряжение возбуждения и сокращения. Роль ионов магния, кальция и сульфгидрильных групп.
• V.6. Химия активного трансмембранного переноса. Структура и функции биомембран. Системы активного переноса против градиента концентрации. Роль ионов натрия и калия. АТФ-азная система. Натриевый насос. Активный перенос аминокислот и сахаров.