Классификация коферментов

НУКЛЕОТИДЫ.

1-7 слайд.
Пуриновые и пиримидиновые азотистые основания.

В каждом живом организме присутствуют 2 типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК и РНК состоят из мономерных единиц - нуклеотидов, поэтому нуклеиновые кислоты называют полинуклеотидами.

Каждый нуклеотид содержит 3 химически различных компонента: гетероциклическое азотистое основание, моносахарид (пентозу) и остаток фосфорной кислоты.

Азотистые основания — это ароматические гетероциклические соединения, производные пиримидина или пурина. Пять соединений этого класса являются основными структурными компонентами нуклеиновых кислот. Пуриновые основания аденин (Ade, но не А) и гуанин (Guа), а также пиримидиновое основание цитозин (Cyt), входят в состав ДНК и РНК. В состав ДНК входит также тимин (Thy), 5-метил-производное урацила. Основание урацил (Ura) входит только в состав РНК. В ДНК высших организмов в небольшом количестве присутствует 5-метилцитозин. Производные азотистых оснований присутствуют в тРНК (см.с. 88) и в других типах РНК.

В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания двух типов: пуриновые - аденин (А), гуанин (G) и пиримидиновые - цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U).

Положения атомов в ароматическом кольце пронумерованы в соответствии с принятой номенклатурой.

Цитозин,тимин и урацил в нуклеиновых кислотах содержится в значительных количествах, а 5-метилцитозин,оротовая кислота и 5-оксиметил цитозин – в ничтожных и далеко не всегда. Поэтому они называются минорными (экзотическими основаниями).

Углеводные компоненты: рибоза и дезоксирибоза.
8-11 слайд.

Дезоксирибо́за C5H10O4 — углевод, альдопентоза: моносахарид, содержащий пять атомов углерода и альдегидную группу в линейной структуре. Это дезоксисахар — производное рибозы, где гидроксильная группа у второго атома углерода замещена водородом с потерей атома кислорода (дезокси — отсутствие атома кислорода). Химическая формула была открыта в 1929 году Фибусом Ливеном (Phoebus Levene).

Рибоза формирует пятичленное кольцо, состоящее из четырёх атомов углерода и атома кислорода. Гидроксильные группы соединены с тремя атомами углерода. Последний атом углерода и гидроксильная группа связаны с одним из атомов углерода, соединённых с кислородом. В дезоксирибозе атом углерода, расположенный дальше всего от атома кислорода, лишён гидроксильной группы.

Входит в состав ДНК, вместе с азотистым основанием и остатком фосфорной кислоты образуя мономерную единицу дезоксирибонуклеиновой кислоты — нуклеотид.

Особенности рибозы и дезоксирибозы.

1. Рибоза С5H10O5 и дезоксирибоза С5H10O4 – кристаллические вещества сладкого вкуса, растворимые в воде.

2. Состав дезоксирибозы не отвечает формуле Сn(Н2О)m, считавшейся общей формулой всех углеводов.

3. Дезоксирибоза отличается от рибозы отсутствием в молекуле одной гидроксильной группы (оксигруппы), которая заменена атомом водорода. Отсюда и произошло название вещества (дезоксирибоза).

Структурные формулы:

СН2-СН-СН-СН-С-Н=О (рибоза).

4. Они точно указывают, при каком именно атоме углерода дезоксирибозы нет гидроксильной группы.

5. Подобно глюкозе молекулы пентоз существуют не только в альдегидной, но и в циклической форме.

Замыкание кольца в них можно представить аналогичным образом.

Отличие будет лишь в том, что карбонильная группа взаимодействует с гидроксилом не пятого, а четвертого атома углерода, и в результате перегруппировки атомов образуется не шестичленный, а пятичленный цикл.

Как и в случае глюкозы, пентозы известны в двух циклических формах в водном растворе они ннаходятся в подвижном равновесии с альдегидной формой.

Химические свойства рибозы и дезоксирибозы.

1. При окислении по альдегидной группе они образуют соответствующие кислоты.

2. При восстановлении пентозы превращаются в многоатомные спирты.

3. Рибоза и дезоксирибоза имеют большое биологическое значение.

4. Они входят в состав нуклеиновых кислот, которые осуществляют в клетках организмов синтез белков и передачу наследственных признаков.

Нуклеозиды и нуклеотиды.
12-15 слайд.

Нуклеотиды.

Известно, что нуклеотиды называются аденин, гуанин, тимин, цитозин и урацил – азотистые основания, они представлены на рисунке ниже.

В более широком смысле-соед., в к-рых моносахаридный остаток нуклеозида или его неприродного аналога этерифицирован одной или неск. моно- или олигофосфатными группами. В зависимости от природы нуклеозида различают рибо- и дезоксирибонуклеотиды, пиримидиновые и пуриновые нуклеотиды.

Обычно используют сокращенные обозначения нуклеотидов. Напр., аденозин-5'-монофосфат, или адениловую к-ту обозначают 5'-АМФ, или AMP; аденозин-5'-дифосфат -АДФ, или ADP; 2'-дезоксицитидин-5'-три-фосфат дЦТФ, или dCTP.

Длина эфирной связи Р—О в фосфатной группе нуклеотидов (ок. 0,16 нм) меньше длины обычной простой связи (0,171 нм); т.е. вклад p-связи близок к 35%. Вследствие sр2-гибридиза-ции валентный угол при атоме кислорода в группировке Р—О—R увеличен до 118-120° и вращение вокруг связи С—О более заторможено, чем вокруг связи Р—О. Почти все торсионные углы в молекуле нуклеотидов коррелируют между собой. Обычно нуклеотиды конформационно менее подвижны, чем нуклеозиды, что не исключает наличия неск. конформации в динамич. равновесии, но сказывается на их относит. заселеннести. В особенности это относится к вращению вокруг N-гликозидной связи и связи между атомами С-4'—С-5'. Конформации нуклеотидов (как и нуклеозидов) стабилизируются взаимод. С—Н-атомов основания с 5'-О; в нуклеозид-5'-фос-фатах фосфатная группа делает этот атом более электроотрицательным, чем в нуклеозиде, что повышает стабилизирующий эффект.

Наряду с хим. св-вами, общими со св-вами нуклеозидов, нуклеотиды характеризуются рядом особенностей. В присут. конденсирующих реагентов (напр., карбодиимидов) нуклеозид-монофосфаты способны претерпевать внутримол. этерифи-кацию (фосфорилирование) с образованием циклических 3',5'- или 2',3'- или же межмол. дегидратацию, приводящую, в зависимости от условий, к динуклеозидпирофосфатам или продуктам олиго- и поликонденсации (олиго- и полинуклео-тидам). Действие аналогичных реагентов превращает нуклеозидтрифосфаты в циклич. триметафосфаты. Фосфорилирование по своб. гидроксилам или имеющимся остаткам фосфорной к-ты приводит к разл. полифосфатам. Фосфатная группа в нуклеотидах может быть отщеплена действием ферментов (фосфатаз), что приводит к нуклеозидам, проалкилирована (наряду с N-атомами) с образованием преим. моноэфиров нуклеотидов или же превращена в фосфамидную группу.

Нуклеотиды-мономерные звенья и промежут. продукты биосинтеза нуклеиновых кислот и нуклеотидкоферментов, участники мн. др. процессов в обмене в-в, исходные в-ва для хим. и хим.-ферментативного синтеза олиго- и полинуклеотидов. Они широко применяются в биол. исследованиях. Так, мн. нуклеозид-5'-трифосфаты, модифицированные по моносаха-ридному остатку (с заменой гидроксила в положении У на атом Н, др. атом или группу), включаются с помощью полимераз в цепь нуклеиновой к-ты, обрывая ее рост (терминация цепи). Благодаря этому такие нуклеотиды широко используют при выяснении первичной структуры нуклеиновых к-т (метод Сенгера).

Нуклеозид-5'-трифосфаты во мн. случаях являются био-активир. формами физиологически активных нуклеозидов; последние благодаря отсутствию заряда эффективнее проникают через клеточную мембрану и, т. обр., служат ср-вом доставки нуклеотидов в клетку. Нек-рые нуклеотиды, напр. АТФ, применяют в медицине.

Циклические нуклеотиды
16-17 слайд.

Нуклеотиды, в молекулах которых остаток фосфорной кислоты, связываясь с углеродными атомами рибозы в 5' и 3' положениях, образует кольцо; универсальные регуляторы биохимических процессов в живых клетках.

Наиболее изучен циклический 3', 5'-аденозинмонофосфат (цАМФ) — белый порошок, хорошо растворимый в воде. цАМФ открыт в 1957 американским биохимиком Э. Сазерлендом с сотрудниками при исследовании механизма активации фермента фосфорилазы печени гормонами глюкагоном и адреналином. В тканях животных и человека цАМФ служит посредником в осуществлении многообразных функций различных гормонов и др. биологически активных соединений (некоторых медиаторов, токсинов, лактинов). У бактерий при недостатке в среде легкоусвояемых соединений, например глюкозы, увеличивается содержание цАМФ в клетке, что приводит к биосинтезу адаптивных (индуцируемых) ферментов, необходимых для усвоения др. источников питания. Уровень цАМФ в клетках сальмонеллы Salmonella thyphimurium определяет будущее попавшего в неё фага (при высокой концентрации цАМФ происходит Лизогенизация культуры бактерий, при низкой — фаг вызывает её Лизис). У миксоамёбы Dictyostelium discoideum цАМФ играет роль аттрактанта, привлекающего клетки друг к другу. У высших растений цАМФ опосредует влияние Фитохрома на синтез пигментов бетационинов (у Amaranthus paniculatus).

Концентрация цАМФ в тканях млекопитающих очень мала и составляет десятые доли микромоля на 1 кг сырой ткани (10^-7—10^-6 моль). При активации аденилатциклазы, катализирующей биосинтез цАМФ, или блокировании фосфодиэстеразы, осуществляющей гидролиз этого нуклеотида, концентрация цАМФ в клетке быстро увеличивается. Т. о., содержание цАМФ в клетке определяется соотношением активностей этих двух ферментов. Связь между гормоном или др. химическим сигналом (первый «посредник») и цАМФ (второй «посредник») осуществляет т. н. аденилатциклазный комплекс, включающий рецептор, настроенный на определённый гормон (или др. биологически активное вещество) и расположенный на внешней стороне клеточной мембраны, и аденилатциклазу, расположенную на внутренней стороне мембраны. Гормон, взаимодействуя с рецептором, во многих случаях активизирует аденилатциклазу, которая катализирует биосинтез цАМФ. Концентрация цАМФ, образующегося т. о. в клетке, превышает концентрацию действующего на клетку гормона в 100 раз. В основе механизма действия цАМФ в тканях животных и человека лежит его взаимодействие с протеинкиназами — ферментами, активность которых проявляется в присутствии этого нуклеотида. Связывание цАМФ с регуляторной субъединицей протеинкиназы приводит к диссоциации фермента и активации его каталитической субъединицы, которая, освободившись от регуляторной субъединицы, способна фосфорилировать определённые белки (в т. ч. ферменты). Изменение свойств этих макромолекул путём фосфорилирования меняет и соответствующие функции клеток. Например, при действии адреналина на клетки печени происходит фосфорилирование двух ферментов — фосфорилазы и гликогенсинтетазы. Фосфорилаза при этом активируется, что приводит к быстрому гидролизу гликогена — запасного вещества печени. Одновременно с началом гидролиза гликогена прекращается его новый синтез, т.к. фермент, участвующий в его образовании, — гликогенсинтетаза при фосфорилировании его протеинкиназами теряет свою активность. Один и тот же гормон, действуя через посредство цАМФ, в разных тканях вызывает различные функциональные ответы, зависящие от особенностей данной ткани. При стрессе, когда потребность в энергии очень велика, мозговой слой надпочечников в повышенном количестве образует гормон адреналин. В печени адреналин обусловливает активное расщепление (фосфоролиз) гликогена, образование фосфорных эфиров глюкозы и выброс в кровь большого количества глюкозы, в жировой ткани — приводит к гидролизу липидов, достигнув сердца, — увеличивает силу сокращения сердечной мышцы, усиливает кровообращение и улучшает питание тканей, осуществляя мобилизацию всех сил организма. цАМФ играет определённую роль в морфологии, подвижности, пигментации клеток, в кроветворении, клеточном иммунитете, вирусной инфекции и др. Некоторые медиаторы, например ацетилхолин, могут ускорять образование др. Ц. н. — 3',5'-гуанозинмонофосфата (цГМФ), который синтезируется в клетке из гуанозинтрифосфата при активации фермента гуанилатциклазы, входящей в гуанилатциклазный комплекс, расположенный в клеточной мембране. Характерно, что многие эффекты цГМФ прямо противоположны эффектам цАМФ. Антагонистические отношения Ц. н. проявляются чаще всего в сложных системах, когда для регуляции клеточной функции требуется разновременная модификация многих белков, осуществляемая согласованным действием попеременно активируемых цАМФ- и цГМФ-зависимых протеинкиназ. У бактерий цАМФ, соединившись с неферментным рецепторным белком, присоединяется к ДНК и позволяет ферменту РНК-полимеразе начать транскрипцию гена, ответственного за синтез индуцируемого фермента. Т. о., механизм действия цАМФ у бактерий и в тканях животных и человека принципиально различен. Исследования роли Ц. н. в живых клетках — одно из наиболее быстро развивающихся направлений в биохимии, уже внёсшее существенный вклад в понимание механизмов биологической регуляции на молекулярном уровне.

Коферменты
18-22 слайд

Коферменты– это небелковые компоненты сложных ферментов, которые проявляют высокую химическую активность и входят в состав активных центров сложных ферментов.

Классификация коферментов.

1.По химической природе:

1. витаминные

2. витаминоподобные

3. невитаминные.

2. По механизму действия:

1. переносчики атомов водорода, электронов и протонов.

2. переносчики отдельных химических групп.

Коферменты І группы переносчики атомов водорода, электронов и протонов:

А. Невитаминные: гем, глутатион,

Б. Витаминные: аскорбиновая кислота (АК), НАД и НАДФ, ФАД и ФМН,

5-дезоксиаденозилкобаламин.

В. Витаминоподобные: убихинон (коэнзим Q), липоєвая кислота (ЛК), тетрагидробиоптерин

(ТГБП), хиноновые коферменты.

Коферменты ІІ группы (переносчики различных химических групп):

А. Невитаминные: фосфаты нуклеозидов, фосфаты углеводов.

Б. Витаминные: ТДФ, КоА, ПАЛФ, биоцитин, ТГФК, метилкобаламин, витамины К и А

1. переносчики атомов водорода, электронов и протонов.

2) переносчики отдельных химических групп.

Коферменты І группы переносчики атомов водорода, электронов и протонов:

А. Невитаминные: гем, глутатион,

Б. Витаминные: аскорбиновая кислота (АК), НАД и НАДФ, ФАД и ФМН,

5-дезоксиаденозилкобаламин.

В. Витаминоподобные: убихинон (коэнзим Q), липоєвая кислота (ЛК), тетрагидробиоптерин

(ТГБП), хиноновые коферменты.

Коферменты ІІ группы (переносчики различных химических групп):

А. Невитаминные: фосфаты нуклеозидов, фосфаты углеводов.

Б. Витаминные: ТДФ, КоА, ПАЛФ, биоцитин, ТГФК, метилкобаламин, витамины К и А

Гем- транспортирует электроны. Структуру гема составляет суперкольцо протопорфири-

на ІХ, которое состоит из 4 пирольних колец, соединенных метиновыми (-СН-) мостиками; 4-х метильных (-СН3) групп, 2-х винильных групп и 2-х остатков пропионовой кислоты. В центре протопорфиринового ядра находится атом Fе2+. Механизм действия: Благодаря наличию в составе гема атома железа, ферменты содержащие гем способны транспортировать электроны. При этом железо переходит из двухвалентной формы в трехвалентную форму и наоборот:

Биологическая роль: гем входит в состав гемсодержащих ферментов: цитохромов (ферменты тканевого дыхания и микросомального окисления), ферментов каталазы и пероксидазы.

Никотинамидные коферменты:Это производные витамина РР, которые используется

ферментами – оксидоредуктазами. Наиболее известными являются НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат).

Функция НАД и НАДФ состоит в переносе атомов водорода и электронов (эта реакция осуществляется за счет никотинамидной части молекул коферментов).

В качестве примера рассмотрим обратимую реакцию превращения лактата в пируват с участием НАД-зависимого фермента лактатдегидрогеназы (ЛДГ):

Роль НАД и НАДФ очень велика. Укажем на некоторые процессы, которые идут с уча-стием НАД и НАДФ-зависимых дегидрогеназ: 1) гликолиз (аэробный, анаэробный); 2) декарбоксилирование кетокислот; 3) пентозофосфатный цикл (в нем идет синтез НАДФН2); 4)цикл трикарбоновых кислот; 5) -окисление и синтез жирных кислот; 6) синтез и гидроксилирование холестерина и стероидов; 7) гидроксилирование ксенобиотиков.

Некоферментные функции: Моно-АДФ-рибозилированиебелков – это присоедине-

ние к белкам одного остатка АДФ-рибозы. Эта реакция вызывает изменению активности ферментов и регуляторных белков (белки мышц, АТФ-аза, альдегиддегидрогеназа и другие).

Холерный и дифтерийный токсины имеют АДФ-рибозилтрансферазную активность, с чем и связана их высокая токсичность для организма.

НАД + Белок = АДФ-рибоза-белок + никотинамид

Поли-АДФ-рибозилированиебелков клеточных ядер (гистонов, факторов транскрип-

ции) необходимо для регуляции експресии генов, дифференциации клеток.

НАД служит источником цикло-АДФ-рибозы, который стимулирует выход кальция и

запускает процессы, зависимые от кальция в клетке.

Флавиновые коферментысодержат витамин В2 - рибофлавин, который имеет желтый

цвет, поэтому они были названы желтыми коферментами. Главными коферментами являются ФМН (флавинмононуклеотид) и ФАД (флавинадениндинуклеотид). Особен-

ностью их структуры является то, что они содержат производное рибозы – спирт рибитол .Действующая часть кофермента – флавин (в его основе лежит кольцо изоаллоксазина). Механизм действия ФАД и ФМН состоит в переносе атомов водорода (протонов и электронов). ФАД входит в состав ферментов - флавопротеинов, которые катализируют большое количество разных типов реакций. Выделяют три главных типа реакций:

1) Флавиновые ферменты осуществляют обратимую реакцию дегидрирования (отщепленияприсоединения атомов водорода) от субстрата.

2) Флавиновые коферменты катализируют перенос атомов водорода (электронов и протонов) в дыхательной цепи митохондрий, забирая их от восстановленных никотинамидных коферментов (в процессе биологического окисления).

3) Флавиновые коферменты участвуют в свободно-радикальных реакциях. Именно флавиновые коферменты в дыхательной цепи митохондрий, являются основным источник супероксидного радикала и пероксида водорода.

ФАД + ФАДН2 → ФАДН.(семихинонный флавиновый радикал)

ФАДН. + О2 + Н+→ ФАД + Н2О2

ФМН и ФАД входят в состав многих ферментов - сукцинатдегидрогеназа, альдегидоксидаза, ксантиноксидаза, оксидаза D-аминокислот, моноаминоксидаза. Флавиновые ферменты принимают участие в β-окислении жирных кислот, в окислении спиртов, альдегидов, глюкозы, аминов, глицерина, пуринов (ксантина, гипоксантина, 6-метилпурина), производных никотина, хинолина, НАДН и НАДФН, амида липоевой кислоты. ФАД участвует в работе пируватдегидрогеназного и альфа-кетоглутаратдегидрогеназного комплексов, в окислении ксенобиотиков. Например, моноаминоксидаза окисляет биогенные амины – гормоны и нейромедиаторы до соответствующих альдегидов:

В реакциях, которые протекают с участием кислорода, флавопротеины переносят атомы водорода непосредственно на кислород, что ведет к образованию пероксида водорода. Такие флавопротеины относят к оксидазам (аэробным дегидрогеназам) – моноаминоксидаза, ксантиноксидаза.

Поиск по сайту: