Материал: Биохимия теория

22. Производные моносахаридов.

Ответ. К производным моносахаридов относят соединения, в структуре которых одна или несколько гидроксильных групп отсутствуют или замещены другими функциональными группами (чаще всего амино- или карбоксильной группой). Наиболее важными из них являются следующие дезокси- и аминосахара. D-дезоксирибоза является структурным компонентом дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК), остаток D-дигитоксозы входит в структуру сердечных гликозидов – природных соединений, использующихся в кардиологии. Аминосахара являются структурными фрагментами полисахаридов – хитона, хондроитин-сульфата, гиалуроновой кислоты, гепарина. Аминогруппы в этих соединениях обычно ацилированы или сульфатированы. Аскорбиновая кислота (витамин С) по структуре близка к моносахаридам. Она присутствует в овощах, фруктах и ягодах. При недостатке витамина C в пище вызывает различные заболевания, например, цингу. В промышленности аскорбиновая кислота производится из D-глюкозы. Аскорбиновая кислота – γ-лактон 2-оксо-L-гулоновой кислоты. Аскорбиновая кислота является довольно сильной кислотой (pKa 4,2). Её кислотные свойства обусловлены наличием енольного гидроксила. Аскорбиновая кислота легко окисляется в дегидроаскорбиновую кислоту. Это обратимый процесс, который обеспечивает некоторые окислительно-восстановительные реакции в организме. Уроновые кислоты. Эти соединения – производные альдоз, у которых первичная спиртовая группа окислена до карбоксильныой. Образование уроновых кислот в организме происходит из альдогексоз в значительных количествах. Большинство уроновых кислот, встречающихся в тканях организмов, служат компонентами полисахаридов, гликозидов или образуют эфирные соединения. Аминомоносахаридыявляются производными моносахаридов, у которых гидроксильная группа у атома С-2 замещена аминогруппой (-). Распространёнными аминомоносахаридами являются 2-амино-D-глюкоза (глюкозамин, хитозамин), 2-амино-D-галактоза (галактозамин, хондрозамин). Гексозамины входят в состав ряда белков, групповых веществ крови и бактериальных мукополисахаридов. 2-амино-D-манноза – составной компонент нейраминовой кислоты, являющейся основой сиаловых кислот, входящих в состав гликолипидов и олигосахаридов молока.

23. Дисахариды. Восстанавливающие и невосстанавливающие сахара.

Ответ. Дисахариды – олигосахариды, молеку­лы которых содержат два остатка моносахаридов. При гидролизе дисахариды распадаются на две молекулы моносахаридов. К числу важнейших дисахаридов принадлежат сахароза, мальтоза, лактоза и трегалоза, которые являются изомерами и имеют формулу С12Н22О11. Дисахариды содержатся в следующих продуктах природного происхождения: сахароза (свекловичный сахар) – в сахарной свёкле и сахарном тростнике; лактоза (молочный сахар) – в молоке; мальтоза (солодовый сахар) – в проросших семенах хлебных злаков; образуется также при частичном ферментативном гидролизе крахмала; трегалоза (грибной сахар) – в грибах, в дрожжах, высших растениях. По своему строению дисахариды могут быть отнесены к гликозидам – соединениям, молекулы которых состоят из двух циклических остатков моносахаридов, соединённых через гликозидный гидроксил. Молекула сахарозы состоит из шестичленного остатка альфа–глюкозы в пиранозной форме и пятичленного остатка бета–фруктозы в фуранозной форме, соединенных через гликозидный гидроксил глюкозы: В зависимости от того, какой гидроксил второго моносахарида участвует в образовании связи с первым моносахаридом, различают дисахариды двух типов: восстанавливающие и невосстанавливающие. У восстанавливающих дисахаридов связь между моносахаридными остатками образована за счёт полуацетального гидроксила одной молекулы и спиртового гидроксила (чаще всего при четвёртом атоме углерода) второй молекулы. Для восстанавливающих дисахаридов характерна возможность существования как циклической (полуацетальной), так и открытой гидроксикарбонильной (альдегидной) формы. Для открытой формы за счёт альдегидной группы характерно наличие восстановительных свойств. Важнейшими представителями восстанавливающих моносахаридов являются мальтоза и лактоза. Невосстанавливающие дисахариды характеризуются связью между моносахаридами с участием обоих полуацетальных гидроксилов, поэтому они не могут переходить в другие таутомерные формы и, следовательно, не обладают восстановительными свойствами. Важнейшими представителями невосстанавливающих дисахаридов являются сахароза и трегалоза.

24. Гомо- и гетерополисахариды.

Ответ. Полисахариды – это природные высокомолекулярные вещества, состоящие из большого количества остатков моносахаридов. Полисахариды, в составе которых присутствуют остатки только одного моносахарида, называют гомополисахаридами. Если остатки моносахаридов разные, такие полисахариды называют гетерополисахаридами. Полисахариды в различных организмах выполняют несколько важных биологических функций: структурная у растений (целлюлоза); защитная у членистоногих (хитин); запасающая (крахмал – у растений; гликоген – у животных и грибов). К числу наиболее распространенных гомополисахаридов принадлежат крахмал, гликоген (животный крахмал) - резервные полисахариды и цел­люлоза (клетчатка) - структурный полисахарид. Все они являются полигликозидами, в молекулах которых за счет эфирных (кислородных) мостиков объединяются сотни, тысячи и десятки тысяч остатков моносахаридов. Эфирные мостики образуются за счет взаимодействия гликозидного гидроксила одного остатка моносахарида со спиртовым гидроксилом (чаще всего у 4-го атома С - для линейных форм, 4-го и 6-го - у разветвленных форм) другого остатка моносахарида. Крахмал - один из самых распространенных гомополисахаридов, содержится в зернах злаков (пшеница, кукуруза) и в клубнях расте­ний (картофель и др.). Он нерастворим в холодной воде, а в горячей об­разует коллоидный раствор - клейстер. Крахмал - природный полимер, мономером которого является D-глюкоза. Состоит из двух различных фракций, различающихся по своему строению и свойствам: амилозы (~20%) и амилопектина, общая формула которых одинакова (С6Н10О5)n. Амилоза - линейный полисахарид - остатки D-глюкозы соеди­нены α-1,4-глюкозидными связями; она имеет молекулярную массу от 20000, до 200000 Да, в водной среде амилоза образует двухспиральные структуры. Ее коллоидные частицы (мицеллы) дают с йодом характерное синее окрашивание. Амилопектин - разветвленный полисахарид с молекулярной массой от 100000 до 1 млн Да. Примерно через 15-25 моносахаридных звеньев у него имеются точки ветвления, образованные α-1,6-глюкозидмыми связями. Коллоидные растворы амилолектина дают с йодом красно-фиолетовое окрашивание. Компоненты крахмала прочно связываются в клетке с белком, образуя смешанные макромолекулы. Возможно, что синтез крахмала, т.е. удлинение полисахаридных цепей, происходит на белковой основе. Оче­видно, белковая часть придает полисахариду некоторую способность к диффузии внутри клетки. При частичном гидролизе крахмала образуются полисахариды с меньшей степенью полимеризации - декстрины, при полном гидролизе - мальтоза и глюкоза. Крахмал - наиболее важный пищевой углевод для человека, содержание его в муке 75-80%, в картофеле - 25%. Гликоген - является главным резервным гомополисахаридом в организме человека и животных. Поэтому его называют «животный крахмал», однако он найден в грибах, дрожжах и зернах кукурузы. Гли­коген содержится почти во всех органах и тканях животных и человека, но больше всего в печени и в мышцах. Молекулярная масса гликогена 105-108Да и выше. Гликоген по строению близок к амилолектину, но от­личается большой разветвленностью цепей. В молекуле гликогена раз­личают внутренние цепи - участки полиглюкозидных цепей между точ­ками ветвления, и наружные цепи - участки от периферической точки ветвления до конца цепи. В цепях остатки глюкозы соединены α-1,4-глюкозидными связями, а в точках ветвления - α-1,6-глюкозидные связи. При гидролизе гликоген распадается, как и крахмал, сначала до декстринов, затем до мальтозы и, наконец, до глюкозы. Распад гликогена носит название гликогенолиза и обеспечивает потребность организма в энергии для поддержания температуры тела, осуществления мышечного сокращения, протекания биохимических реакций и т.д. В клетке гликоген, как и крахмал, связан с белком цитоплазмы и частично белком внутриклеточных мембран. Целлюлоза (клетчатка) - наиболее распространенный гомополисахарид растительного мира: в древесине 50 - 70% клетчатки, в стеб­лях волокнистых растений (лен) еще больше, а волокно хлопка - почти чистая, клетчатка. Она играет большую роль в построении клеточных стенок (название целлюлоза - от латинского "целлюла" - клетка). Клетчатка так же, как и крахмал, построена из остатков D-глюкозы, но в отличие от крахмала - это β-полиглюкозид: с молеку­лярной массой 5·104- ·106 Да. Ниже представлен фрагмент молекулы целлюлозы. При частичном гидролизе клетчатки образуется дисахарид целлобиоза, а при полном гидролизе – D-глюкоза. Гетерополисахариды, или мукополисахариды (от латинского mucos - слизь), представляют собой сильно гидратированные, желеподобные, липкие вещества, имеющие значительный отрицательный заряд. Они обычно находятся в межклеточном веществе и связаны с белками, вот почему зачастую их относят классу протеогликанов. На рисунках ниже представлен участок внеклеточной матрицы (гликокаликс) представляющий собой длинную молекулу гиалуроновой кислоты нековалентно связанной с примерно 100 молекулами основного белка аггрекана, который в свою очередь ковалентно связывает хондроитин сульфат и кератан сульфат. В качестве примеров изолированных гетерополисахаридов можно привести гиалуроновую кислоту, хондроитин-4-сульфат, хондроитин-6-сульфат, кератансульфат, гепарин, гепарансульфат. Гиалуроновая кислота содержит D-глюкуроновую кислоту и N-ацетил-D-глюкозамин, а остальные - сульфатированные аминосахара и D-глюкуроновую или L-идуроновую кислоты. В кератансульфате вместо гексуроновых кислот содержится D-галактоза. Взаимосвязь между клетками и внеклеточной матрицей осуществляется через мембранный белок интегрин и внеклеточный белок фибронектин связанный с коллагеновыми фибриллами и протеогликаном. Протеогликан внеклеточной матрицы представляет собой длинную молекулу гиалуроновой кислоты нековалентно связанную с примерно 100 молекулами основного белка аггрекана, который в свою очередь ковалентно связывает хондроитин сульфат и кератан сульфат. Потребление глюкозы клетками из кровотока происходит путем облегченной диффузии при участии специальных белков-транспортеров (ГЛЮТов). Следовательно, скорость трансмембранного потока глюкозы зависит только от градиента ее концентрации. Исключением являются клетки мышц и жировой ткани, где облегченная диффузия регулируется инсулином. В отсутствии инсулина плазматическая мембрана этих клеток непроницаема для глюкозы, так как в ней нет белков переносчиков для глюкозы (ГЛЮТов). ГЛЮТ-1 служит для обеспечения стабильного потока глюкозы в мозг. В других тканях (в плаценте, почках, толстой кишке) он поставляет глюкозу в клетки, когда они находятся в состоянии покоя. ГЛЮТ-2 обнаружен в клетках органов, выделяющих глюкозу в кровь (печень, b-клетки островков Лангерганса). При участии ГЛЮТ-2 глюкоза переходит в кровь из энтероцита после ее всасывания в кишечник. ГЛЮТ-3 обладает большим, чем ГЛЮТ-1, сродством к глюкозе. Он также обеспечивает постоянный приток глюкозы к клеткам нервной системы, плаценте, почкам. ГЛЮТ-4 – главный переносчик глюкозы в мышцах и адипоцитах. ГЛЮТ-5 встречается г.о. в клетках тонкой кишки. Его функции известны недостаточности. Все типы ГЛЮТов могут находится как в плазматической мембране, так и в цитозольных везикулах. В отсутствие инсулина ГЛЮТ-4 (и в меньшей степени ГЛЮТ-1) почти полностью находится в цитоплазме. Влияние инсулина на такие клетки приводит к перемещению везикул, содержащих ГЛЮТы к плазматической мембране и их слиянию с ней, после чего возможен облегченный транспорт глюкозы в эти клетки. После снижения концентрации инсулина в крови белки-транспортеры глюкозы снова перемещаются в цитозоль. В клетки печени глюкоза переходит при участии ГЛЮТ-2, независимого от инсулина.

25. Переваривание углеводов в жкт.

Ответ. Потребность в углеводах взрослого организма составляет 350-400 г в сутки, при этом целлюлозы и других пищевых волокон должно быть не менее 30-40 г. С пищей в основном поступают крахмал, гликоген, целлюлоза, сахароза, лактоза, мальтоза, глюкоза и фруктоза, рибоза. Со слюной сюда поступает кальций-содержащий фермент α-амилаза. Оптимум ее рН 7,1-7,2, активируется ионами Cl–. Являясь эндоамилазой, она беспорядочно расщепляет внутренние α1,4-гликозидные связи и не влияет на другие типы связей. В ротовой полости крахмал и гликоген способны расщепляться α-амилазой до декстринов – разветвленных (с α1,4- и α1,6-связями) и неразветвленных (с α1,4-связями) олигосахаридов. Некоторая часть декстринов может расщепляться до мальтозы и изомальтозы, но эти дисахариды ничем не гидролизуются. Из-за низкой рН амилаза в желудке инактивируется, хотя некоторое время расщепление углеводов продолжается внутри пищевого комка. В полости тонкого кишечника работает панкреатическая α-амилаза, гидролизующая в крахмале и гликогене внутренние α1,4-связи с образованием мальтозы, мальтотриозы и декстринов. Кроме полостного, имеется еще и пристеночное пищеварение, которое осуществляют: сахаразо-изомальтазный комплекс (рабочее название сахараза) – в тощей кишке гидролизует α1,2-, α1,4-, α1,6-гликозидные связи, расщепляет сахарозу, мальтозу, мальтотриозу, изомальтозу, β-гликозидазный комплекс (рабочее название лактаза) – гидролизует β1,4-гликозидные связи в лактозе между галактозой и глюкозой. У детей активность лактазы очень высока уже до рождения и сохраняется на высоком уровне до 5-7 лет, после чего снижается, гликоамилазный комплекс – находится в нижних отделах тонкого кишечника, расщепляет α1,4-гликозидные связи и отщепляет концевые остатки глюкозы в олигосахаридах с восстанавливающего конца. Целлюлоза ферментами человека не переваривается, т.к. не образуются соответствующие ферменты. Но в толстом кишечнике под действием ферментов микрофлоры некоторая часть ее может гидролизоваться с образованием целлобиозы и глюкозы. Глюкоза частично используется самой микрофлорой и окисляется до органических кислот (масляной, молочной), которые стимулируют перистальтику кишечника. Малая часть глюкозы может всасываться в кровь. Основная роль целлюлозы для человека: стимулирование перистальтики кишечника, формирование каловых масс, стимуляция желчеотделения, абсорбция холестерола и других веществ, что препятствует их всасыванию.

26. Липиды. Классификация липидов и их функции.

Ответ. Липиды — разнообразная по строению группа биоорганических веществ, с общим свойством — растворимостью в неполярных растворителях. Липиды по способности к гидролизу делятся на две большие группы: омыляемые (сложные эфиры спиртов и жирных кислот: триглицериды, фосфолипиды и т. д.) и неомыляемые липиды (холестерин, витамины А, Е, Д, К). Липиды при комнатной температуре (+20 °C) могут находиться в твёрдом (жиры) или жидком (масла) состоянии. В основном, жирами являются липиды животного (теплокровные) происхождения (исключение, например триглицериды какао и ореха кокоса). Маслами являются липиды растений, холоднокровных животных (например, рыбы). Молекулы простых липидов состоят из спирта и жирных кислот, сложных — из спирта, высокомолекулярных жирных кислот и других компонентов. Содержатся во всех живых клетках. Гидрофобная или амфифильная молекула, полученная путём конденсации ацетильных и пропильных групп (в виде ацил-CoА) с возможностью последующей этерификации с различными спиртами. Классификация липидов сложна, так как в класс липидов входят вещества весьма разнообразные по своему строению. Их объединяет только одно свойство – гидрофобность. По отношению к гидролизу в щелочной среде все липиды подразделяют на две большие группы: омыляемые и неомыляемые. Среди неомыляемых определена большая группа стероидов, в состав которой входят холестерол и его производные: стероидные гормоны, стероидные витамины, желчные кислоты. Среди омыляемых липидов существуют простые липиды, т.е. состоящие только из спирта и жирных кислот – воска, триацилглицеролы (триглицериды), эфиры холестерола, и сложные липиды, включающие, кроме спирта и жирных кислот, вещества иного строения – фосфолипиды, гликолипиды, сфинголипиды. Липиды являются третьим классом органических веществ из которых состоит живой организм. Правильный качественный и количественный состав липидов клетки определяет ее возможности, активность и выживаемость. Жирнокислотный состав мембранных фосфолипидов, недостаток или избыток холестерола в мембране неизбежно влияет на деятельность мембранных белков – транспортеров, рецепторов, ионных каналов. Все это влечет за собой изменение работы клеток и, конечно, функций всего органа, как например, при инсулиннезависимом сахарном диабете. Существуют наследственные болезни накопления липидов – липидозы, сопровождающиеся тяжелыми нарушениями в организме. Необходимость изучения строения, свойств и видов липидов кроется в многообразии из функций. Функции липидов существенно зависят от их вида. Триацилглицеролы подкожного жира являются основным энергетическим резервом организма при голодании. В адипоцитах жиры могут составлять 65-85% веса. Для поперечно-полосатой мускулатуры, печени и почек они являются основным источником энергии. Мембраны клеток состоят из фосфолипидов, обязательным компонентом являются гликолипиды и холестерол. Основным компонентом сурфактанта легких является фосфатидилхолин (и содержащий две пальмитиновые кислоты). Т.к. активность мембранных ферментов зависит от состояния и текучести мембран, то жирнокислотный состав и наличие определенных видов фосфолипидов, количество холестерола влияет на активность мембранных липидзависимых ферментов (например, аденилатциклаза, Nа+,К+-АТФаза, цитохромоксидаза). Гликолипиды выполняют рецепторные функции и задачи взаимодействия с другими клетками. Фосфатидилинозитол непосредственно принимает участие в передаче гормональных сигналов в клетку. Производные жирных кислот – эйкозаноиды – являются "местными (тканевыми) гормонами", обеспечивая регуляцию функций клеток. Подкожный жир является хорошим термоизолирующим средством, наряду с брыжеечным жиром он обеспечивает механическую защиту внутренних органов. Фосфолипидный фактор активации тромбоцитов участвует в агрегации тромбоцитов, играет роль как медиатор воспаления и в патогенезе анафилактического шока.

27. Жирные кислоты. Их роль в организме.

Ответ. Жирные кислоты входят в состав всех омыляемых липидов. У человека жирные кислоты характеризуются следующими общими чертами: четное число углеродных атомов в цепи, отсутствие разветвлений цепи, наличие двойных связей только в цис-конформации. В свою очередь, по строению жирные кислоты неоднородны и различаются длиной цепи и количеством двойных связей. К насыщенным жирным кислотам относится пальмитиновая (С16), стеариновая (С18) и арахиновая (С20). К мононенасыщенным – пальмитоолеиновая (С16:1, Δ9), олеиновая (С18:1, Δ9). Указанные жирные кислоты находятся в большинстве пищевых жиров и в жире человека. Полиненасыщенные жирные кислоты содержат от 2-х и более двойных связей, разделенных метиленовой группой. Кроме отличий по количеству двойных связей, кислоты различаются положением двойных связей относительно начала цепи (обозначается через греческую букву Δ "дельта") или последнего атома углерода цепи (обозначается буквой ω "омега"). По положению двойной связи относительно последнего атома углерода полиненасыщенные жирные кислоты делят на ω9, ω6 и ω3-жирные кислоты. ω6-жирные кислоты. Эти кислоты объединены под названием витамин F, и содержатся в растительных маслах. Линолевая (С18:2, Δ9,12), γ-линоленовая (С18:3, Δ6,9,12), арахидоновая (эйкозотетраеновая, С20:4, Δ5,8,11,14). ω3-жирные кислоты: α-линоленовая (С18:3, Δ9,12,15), тимнодоновая (эйкозопентаеновая, С20:5, Δ5,8,11,14,17), клупанодоновая (докозопентаеновая, С22:5, Δ7,10,13,16,19), цервоновая (докозогексаеновая, С22:6, Δ4,7,10,13,16,19). Поскольку жирные кислоты определяют свойства молекул, в состав которых они входят, то они находятся в совершенно разных продуктах. Источником насыщенных и мононенасыщенных жирных кислот являются твердые жиры – сливочное масло, сыр и другие молочные продукты, свиное сало и говяжий жир. Полиненасыщенные ω6-жирные кислоты в большом количестве представлены в растительных маслах (кроме оливкового и пальмового) – подсолнечное, конопляное, льняное масло. В небольшом количестве арахидоновая кислота имеется также в свином жире и молокопродуктах. Наиболее значительным источником ω3-жирных кислот служит жир рыб холодных морей – в первую очередь жир трески. Исключением является α-линоленовая кислота, имеющаяся в конопляном, льняном, кукурузном маслах. Именно с жирными кислотами связана самая известная функция липидов – энергетическая. Благодаря окислению насыщенных жирных кислот ткани организма получают более половины всей энергии (β-окисление), только эритроциты и нервные клетки не используют их в этом качестве. Как энергетический субстрат используются, как правило, насыщенные и мононенасыщенные жирные кислоты. Жирные кислоты входят в состав фосфолипидов и триацилглицеролов. Наличие полиненасыщенных жирных кислот определяет биологическую активность фосфолипидов, свойства биологических мембран, взаимодействие фосфолипидов с мембранными белками и их транспортную и рецепторную активность. Для длинноцепочечных (С22, С24) полиненасыщенных жирных кислот установлено участие в механизмах запоминания и поведенческих реакциях. Еще одна, и очень важная функция ненасыщенных жирных кислот, а именно тех, которые содержат 20 углеродных атомов и формируют группу эйкозановых кислот (эйкозотриеновая (С20:3), арахидоновая (С20:4), тимнодоновая (С20:5)), заключается в том, что они являются субстратом для синтеза эйкозаноидов – биологически активных веществ, изменяющих количество цАМФ и цГМФ в клетке, модулирующих метаболизм и активность как самой клетки, так и окружающих клеток. Иначе эти вещества называют местные или тканевые гормоны. Внимание исследователей к ω3-кислотам привлек феномен эскимосов (коренных жителей Гренландии) и коренных народов российского Заполярья. Несмотря на высокое потребление животного белка и жира и очень незначительное количестве растительных продуктов у них отмечалось состояние, которое назвали антиатеросклероз. Это состояние характеризуется рядом положительных особенностей: отсутствие заболеваемости атеросклерозом, ишемической болезнью сердца и инфарктом миокарда, инсультом, гипертонией; увеличенное содержание липопротеинов высокой плотности (ЛПВП) в плазме крови, уменьшение концентрации общего холестерина и липопротеинов низкой плотности (ЛПНП); сниженная агрегация тромбоцитов, невысокая вязкость крови; иной жирнокислотный состав мембран клеток по сравнению с европейцами – С20:5 было в 4 раза больше, С22:6 в 16 раз. В экспериментах по изучению патогенеза сахарного диабета 1 типа у крыс было обнаружено, что предварительное применение ω-3 жирных кислот снижало у экспериментальных крыс гибель β-клеток поджелудочной железы при использовании токсичного соединения аллоксан (аллоксановый диабет). Показания к применению ω-3 жирных кислот: профилактика и лечение тромбозов и атеросклероза, инсулинзависимый и инсулиннезависимый сахарный диабет, диабетические ретинопатии, дислипопротеинемии, гиперхолестеролемия, гипертриацилглицеролемия, дискинезии желчевыводящих путей, аритмии миокарда (улучшение проводимости и ритмичности), нарушение периферического кровообращения.