Биохимия клетки

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

(ГБОУ ВПО НГМУ Минздрава России)

 

Фармацевтический факультет

Кафедра фармацевтической химии

 

Контрольная работа №1

 

Вариант №17

 

 

Выполнила:

студентка 3 курса 2 группы

фармацевтического факультета

заочного отделения

Фомченко Татьяна Ивановна.

89538870427

Проверил:

старший преподаватель

                                                                                            Юзенас Татьяна Петровна

 

 

                                                 Новосибирск 2015

ГБОУ ВПО НГМУ Минздрав России

Регистрационный номер 

Факультет фармацевтический

Кафедра фармацевтической химии

Дисциплина

Контрольная работа №1

Студентки 3 курса 2 группы

Фомченко Татьяны Ивановны

Дата сдачи контрольной работы в деканат

Дата возвращения контрольной работы на доработки

Дата повторной сдачи контрольной работы рецензенту

Оценка

Рецензент

Рецензия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

Вопрос 1. Цикл трикарбоновых кислот. Ход процесса. Значение. Регуляция.  

Вопрос 5. Изоферменты. Понятие. Примеры изоформ лактатдегидрогеназы (ЛДГ) и креатинкиназы (КК). Реакции,  катализируемые ЛДГ и КК. Значение определения активности изоферментов в  сыворотке крови.  

Вопрос 6. Регуляция метаболических процессов.

Аллостерическая регуляция. Примеры.  

Список использованной литературы:  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос 1. Цикл трикарбоновых кислот. Ход процесса. Значение. Регуляция.

Цикл трикарбоновых кислот (цитратный цикл, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса) впервые был открыт английским биохимиком Кребсом.

Реакции цикла Кребса относятся к третьей стадии катаболизма питательных веществ и происходят в митохондриях клетки. Эти реакции относятся к общему пути катаболизма и характерны для распада всех классов питательных веществ (белков, липидов, углеводов).

Главной функцией цикла является окисление ацетального остатка с образованием четырех молекул восстановленных коферментов (трех молекул НАДН и одной молекулы ФАДН2), а также образование молекулы ГТФ путем субстратного фосфорилирования. Атомы углерода ацетильного остатка выделяются в виде двух молекул СО2.

Цикл Кребса включает 8 последовательных реакций:

Рисунок 1. Реакции цикла Кребса, включая образование α-кетоглутарата

1. Конденсация ацетил-КоА с оксалоацетатом.

В результате которой образуется цитрат (рис. 1, реакция 1); поэтому цикл Кребса называют также цитратным циклом. В этой реакции метильный углерод ацетильной группы взаимодействует с кетогруппой оксалоацетата; одновременно происходит расщепление тиоэфирной связи. В реакции освобождается коэнзим А, который может принять участие в окислительном декарбоксилировании следующей молекулы пирувата. Реакцию катализирует цитратсинтаза, это – регуляторный фермент, он ингибируется высокими концентрациями НАДН, сукцинил-КоА, цитрата.

2. Превращение цитрата в изоцитрат через промежуточное образование цис-аконитата. 

Образующийся в первой реакции цикла цитрат содержит третичную гидроксильную группу и не способен окисляться в условиях клетки. Под действием фермента аконитазы идёт отщепление молекулы воды (дегидратация), а затем её присоединение (гидратация), но другим способом (рис.1, реакции 2-3). В результате данных превращений гидроксильная группа перемещается в положение, благоприятствующее её последующему окислению.

3. Окислительное декарбоксилирование изоцитрата.

Эту реакцию катализирует изоцитратдегидрогеназа. Существует 2 формы изоцитратдегидрогеназы: одна содержит в качестве коферманта NAD⁺, вторая - NADP⁺. NAD-зависимый фермент локализован в митохондриях и участвует в ЦТК; NADP-зависимый фермент, присутствующий и в митохондриях, и в цитоплазме, играет иную метаболическую роль. В результате действия этого фермента на изоцитрат образуется α-кетоглутарат (рис 1, реакция 4).

Реакция, катализируемая NAD-зависимой изоцитратдегидрогеназой – самая медленная реакция цитратного цикла.

Рисунок 2. Реакции цикла Кребса, начиная с α-кетоглутарата.

4. Окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата.

В этой реакции α-кетоглутарат подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием в качестве конечных продуктов сукцинил-КоА, СО2 и NADH + Н⁺ (рис.2 реакция 5).

Реакцию катализирует α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, который по структуре и функциям сходен с пируватдегидрогеназным комплексом (ПДК). Равновесие реакции окислительного декарбоксилирования α-кетоглутарата сильно сдвинуто в сторону образования сукцинил-КоА, и её можно считать однонаправленной.  

5. Превращение сукцинил-КоА в сукцинат.

Сукцинил-КоА – высокоэнергетическое соединение. Изменение свободной энергии гидролиза этого тиоэфира составляет ΔG⁰= -35,7 кДж/моль. В митохондриях разрыв тиоэфирной связи сукцинил-КоА сопряжен с реакцией фосфорилирования гуанозиндифосфата (ГДФ) до гуанозин-трифосфата (ГТФ).

Сукцинил-КоА→Сукцинат (рис2, реакция 6).

(ΔG⁰= - 10,36кДж/моль)

Эту сопряженную реакцию катализирует сукцинаттиокиназа. Промежуточный этап реакции – фосфорилирование молекулы фермента по одному из гистидиновых остатков активного центра. Затем остаток фосфорной кислоты присоединяется к ГДФ с образованием ГТФ.

С ГТФ концевая фосфатная группа может переноситься на АДФ с образованием АТФ; эту обратимую реакцию катализирует нуклеозид-дифосфаткиназа.

ГТФ + АДФ =  ГДФ + АТФ

Образование высокоэнергетической связи за счет энергии субстрата (сукцинил-КоА) – пример субстратного фосфорилирования.  

6. Дегидрирование сукцината.

Образовавшийся на предыдущем этапе сукцинат превращается в фумарат под действием сукцинатдегидрогеназы (рис2. Реакция 7). Этот фермент – флавопротеин, молекула которого содержит прочно связанный кофермент FAD.

Сукцинат дегидрогеназа прочно связана с внутренней митохондриальной мембраной. Она состоит из 2 субъединиц, одна из которых связана с FAD. Кроме того, обе субъединицы содержат железо-серные центры; одна – Fe2S2, а другая – Fe4S4. В железо-серных центрах атомы железа меняют свою валентность, участвуя в транспорте электронов.

7. Образование малата из фурамата (рис. 2, реакция 8).

Образование малата происходит при участии фермента фумаратгидротазы. Этот фермент более  известен как фумараза.

Фумараза – олигомерный белок, состоящий из 4 идентичных полипептидных цепей. Он расположен в матриксе митохондрий. Фумаразу относят к ферментам с абсолютной субстратной специфичностью: она катализирует гидратацию только транс-формы фумарата.

8) Дегидрирование малата, приводящее к образованию оксалоацетата и третьей молекулы НАДН (рис. 2, реакция 9). Образующийся в реакции оксалоацетат может вновь использоваться в реакции конденсации с очередной молекулой ацетил-КоА. Поэтому данный процесс носит циклический характер. Реакцию катализирует NAD-зависимая малатдегидрогеназа, содержащаяся в матриксе митохондрий.

Значение цитратного цикла.

Образованием оксалоацетата завершается один оборот цитратного цикла. В одном обороте цикла лимонной кислоты в 2  реакциях декарбоксилирования (превращение изоцитратрата и α-кетоглутарата в сукцинл-КоА) происходит образование 2 молекул СО2. В 4 реакциях цитратного цикла происходит дегидрирование с образованием восстановительных коферментов: 3 молекул NADH+H⁺ и 1 молекулы FADH2 в составе сукцинатдегидрогеназы.

Наконец, на один оборот цикла затрачивается 2 молекулы воды: одна – на стадии образования цитрата, вторая – на стадии гидратации фумарата.

Восстановительные коферменты (3 молекулы NADH и молекула FADH2), образованные в цикле лимонной кислоты, отдают электроны в ЦПЭ на кислород – конечный акцептор электронов. Восстановленный кислород взаимодействует с протонами с образованием воды.

 На каждую молекулу NADH при образовании молекулы воды в процессе тканевого дыхания синтезируется 3 молекулы АТФ, а на каждую молекулу FADH2 - 2 молекулы АТФ.

Таким образом, каждый оборот цикла лимонной кислоты сопровождается синтезом 11 молекул АТФ путем окислительного фосфорилирования. Одна молекула АТФ образуется путем субстратного фосфорилирования.

В итоге на каждый ацетильный остаток, включенный в цитратный цикл, образуется 12 молекул АТФ.

Регуляция цитратного цикла.

В большинстве случаев скорость реакций в метаболических циклах определяется их начальными реакциями. В ЦТК важнейшая регуляторная реакция – образование цитрата из оксалоацетата и ацетил-КоА, катализируемая цитратсинтазой. Эта реакция ускоряется при повышении концентрации оксалоацетата – субстрата реакции и тормозится продуктом реакции – цитратом. Когда отношение NADH/NAD⁺ снижается, скорость окисления малата в оксалоацетат возрастает. Повышение концентрации оксалоацетата ускоряет цитратсинтазную реакцию. Скорость реакции снижается при повышении концентрации АТФ, сукцинил-КоА длинноцепочечныхтжирных кислот.

Изоцитратдегидрогеназа, олигомерный фермент, состоит из 8 субъединиц. Присоединение изоцитрата к первой субъединице вызывает кооперативное изменение конформации других, увеличивая скорость присоединения субстрата. Фермент аллостерически активируется АДФ и Са²⁺, которые присоединяются к ферменту в разных аллостерических центрах. В присутствии АДФ конформация всех субъединиц меняется таким образом, что связывание изоцитрата происходит значительно быстрее. Таким образом, при концентрации изоцитрата, которая существует в митохондриальном матриксе, небольшие изменения концентрации АДФ могут вызвать значительное изменение скорости реакции. Увеличение активности изоцитратдегидрогеназы снижает концентрацию цитрата, что, в свою очередь, уменьшает ингибирование цитратсинтазы продуктом реакции. При повышении концентрации NADH активность фермента снижается.

α -кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, имеющий сходное строение с пируватдегидрогеназным, в отличие от последнего, не имеет  в своем составе регуляторных субъединиц. Главный механизм регуляции α-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса – ингибирование реакции  NADH и сукцинил-КоА.

α -кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, как и изоцитратдегидрогеназа, активируется Са²⁺, а при повышении концентрации АТФ скорости обеих реакций снижаются.

В регуляции цитратного цикла существует множество дополнительных механизмов, обеспечивающих необходимый уровень метаболитов и их участие в других метаболических путях.

Компартментализация ферментов, участвующих в реакциях окислительного декарбоксилирования пирувата и цикла лимонной кислоты, играет важную роль в регуляции этих процессов.

Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для анионов и катионов, в том числе и для промежуточных продуктов цитратного цикла, которые могут быть перенесены через мембрану только при участии специальных белков. Поэтому ферменты цитратного цикла имеют больше возможностей для взаимодействия с продуктами предыдущих реакций, чем в случае свободного удаления этих продуктов из митохондрий.

Доступность субстратов возрастает также в результате образования ферментных комплексов. Малатдегидрогеназа и цитратсинтаза образуют непрочные комплексы, в которых цитратсинтаза может использовать оксалоацетат, непосредственно образующийся малатдегидрогеназой.

В ПДК и α-кетоглутаратдегидрогеназном комплексе субстраты непосредственно передаются от одного фермента к другому: только трансацилаза может взаимодействовать с промжуточным продуктом, связанным с ТДФ, дигидролипоилдегидрогеназа – с дигидролипоевой кислотой.

NAD⁺, NADH, КоА, ацетил-КоА сукцинил-КоА не имеют транспортных белков в мембране митохондрий. Поэтому эти соединения не могут пройти через митохондриальную мембрану.

Накопление ацил-КоА производных, таких как ацетил-КоА или сукцинил-КоА, в митохондриальном матриксе ингибирует другие реакции, для которых необходим КоА.

Тесная связь цитратного цикла с ЦПЭ поддерживается благодаря использованию в этих реакциях общего фонда NAD⁺ и NADH.

 

 

 

 

Вопрос 5. Изоферменты. Понятие. Примеры изоформ лактатдегидрогеназы (ЛДГ) и креатинкиназы (КК). Реакции,  катализируемые ЛДГ и КК. Значение определения активности изоферментов в  сыворотке крови.

Изоферменты, или изоэнзимы – ферменты, катализирующие один и тот же тип реакции с принципиально одинаковым механизмом, но отличающихся друг от друга кинетическими параметрами, условиями активации, особенностями связи апофермента и кофермента.

Природа появления изоферментов разнообразна, но чаще всего обусловлена различиями в структуре генов, кодирующих эти изоферменты. Следовательно, изоферменты различаются по первичной структуре белковой молекулы и, соответственно, по физико-химическим свойствам.

По своей структуре изоферменты  в основном являются олигомерными белками. Причем та или иная ткань синтезирует преимущественно определенные виды протомеров. В результате определенной комбинации этих протомеров формируются ферменты с различной структурой – изомерные формы. Обнаружение определенных изоферментных форм ферментов позволяет использовать их для диагностики заболеваний.