Приложение на протеини, липиди, въглехидрати в промишлеността и медицината

Протеините играят най-важната роля в жизнените процеси. Те са резултат от генната експресия и инструментът, чрез който геномът контролира всички метаболитни реакции в клетката. Протеините участват в изграждането на клетки и тъкани, извършват биологична катализа, регулаторни и контрактилни процеси, защита от външни влияния.

Аминокиселините, свързващи се помежду си чрез пептидни връзки, образуват полипептиди. Протеините са полипептиди, съдържащи повече от 50 аминокиселинни остатъци. В природата малките полипептиди се синтезират с помощта на подходящи ензими, докато по-голямата част от протеините се образуват чрез синтез на матрица.

Реализирането на синтеза на протеини по химически начин се основава на метода на твърдофазна синтеза. Хормонът инсулин е получен по същия начин. Въпреки развитието на автоматичните синтезатори, методът на химичен синтез на протеини не е получил широко разпространение поради наличието на голям брой технически ограничения..

През последните години протеините от растителен произход все повече се използват за хранене не само за животни, но и за хора. Директната консумация на растителни протеини от човека се отнася предимно за зърнени култури, бобови растения и различни зеленчуци. Изолирането на високо пречистени протеини (изолати) става на няколко етапа. На първия етап протеините селективно се превръщат в разтворимо състояние. Ефективността на разделянето на твърди (примеси) и течни (протеини) фази е ключът към получаването на високо пречистен продукт в бъдеще. Протеиновият екстракт съдържа много съпътстващи разтворими продукти, поради което на втория етап протеините се разделят чрез утаяване или се използва мембранна технология, както и други методи (електролиза, йонообменни смоли, молекулни сита и др.). Когато се определят оптималните условия за разтворимост на протеини, изборът на конкретен технологичен процес зависи от вида на суровината и целевия продукт..

Производството на протеинови продукти чрез микробиологичен синтез има дълга история. Микробните протеини привличат вниманието на биотехнолозите като хранителни продукти поради тяхната евтиност и бързина на производство в сравнение с животински и растителни протеини. Промишленото производство на протеин от микробни клетки се осъществява по метода на дълбоко, непрекъснато култивиране. Значителен недостатък на тази технология е наличието на микробни примеси в крайния продукт, чието количество и токсичност трябва да бъдат строго взети под внимание. Наличието на нежелани примеси в производството на микробни протеини доведе до факта, че той се използва главно като храна за селскостопански животни. Протеините и техните продукти на разграждане се използват в медицината като лекарствени вещества и лекарствени хранителни добавки.

Протеиновите хидролизати се използват широко в клиничната практика. Чрез кисела или ензимна хидролиза на казеин се получават протеинови хидролизати за медицински цели. Така че, лекарството амиген се използва за загуба на кръв. Лекарството церебролизин, състоящо се от смес от незаменими аминокиселини, се предписва при нарушения на церебралната циркулация, умствена изостаналост, загуба на паметта.

Липиди - органични съединения с ниско молекулно тегло, напълно или почти напълно неразтворими във вода, могат да бъдат екстрахирани от клетките на животни, растения и микроорганизми чрез неполярни органични разтворители като хлороформ, етер, бензен. Те включват алкохоли, мастни киселини, азотни основи, фосфорна киселина, въглехидрати и др..

Солите с по-високи киселини - сапуни - намериха широко приложение, чийто промивен ефект е да емулгира мазнини и масла и да суспендира най-малките твърди частици от мръсотията. Сапуните се използват и за стабилизиране на емулсии, синтетични латекси, пени, като добавки, структуриращи добавки и др..

Газо-течната хроматография (GLC) е най-подходяща за анализ на смеси от мастни киселини. Този метод се характеризира с висока резолюция и достатъчно висока чувствителност..

Восъците са естери на мастни киселини и по-високи полихидратни или дихидрични алкохоли. Естествените восъци - пчелен восък и спермацети - се използват широко в медицината и парфюмерията. Спермацети се абсорбира добре през кожата и отдавна се използва в парфюмерията и медицината като основа за приготвяне на кремове и мехлеми. Пчелният восък се използва в медицината за приготвяне на мехлеми, пластири; е част от подхранващи, избелващи, почистващи кремове и маски. Той намира приложение и в различни индустрии и поради свойства като киселинност, водо и електрическа изолация, устойчивост на светлина, топлина.

Под микробни липиди се разбират всички клетъчни компоненти на микроорганизмите, разтворими в неполярни разтворители. В момента се търсят нови източници на производство на мазнини, включително за технически нужди. Този източник могат да бъдат микроорганизми, липидите на които след подходяща обработка са подходящи за използване в различни индустрии: медицинска, химическа и фармацевтична, боя и лакове, гуми и други, които ще отделят значителни количества масла от животински и растителен произход..

Технологичният процес на получаване на микробни липиди, за разлика от производството на протеинови вещества, задължително включва етапа на изолиране на липиди от клетъчната маса чрез екстракция в неполярен разтворител (бензин или етер). В същото време се получават едновременно два готови продукта: микробна мазнина (биомазнина) и белтъчен препарат без мазнини (bioschrot).

Суровините за този процес са същите среди, както за производството на фуражна биомаса. В процеса на култивиране на микроорганизмите на различни среди се получават три класа липиди: прости, сложни липиди и техните производни.

Простите липиди са неутрални мазнини и восъци. Неутралните мазнини (основните резервни компоненти на клетката) са естери на глицерол и мастни киселини, по-голямата част от които са триацилглицериди (има обаче и моно- и диглицериди). Восъците са естери на мастни киселини или моноокси киселини и алифатни алкохоли с дълга въглеродна верига. По структура и свойства те са близки до неутралните липиди. Най-голямото количество неутрални липиди се синтезира от дрожди и нишковидни гъби. Простите липиди се използват като технологични смазочни материали в процесите на студена и топлинна обработка на металите. Производителите на сложни липиди са главно бактерии.

Сложните липиди се делят на две групи: фосфолипиди и гликолипиди. Фосфолипидите (фосфоглицериди и сфинголипиди) са част от различни клетъчни мембрани и участват в преноса на електрони. Молекулите им са полярни и при рН 7.0 фосфатната група носи отрицателен заряд. Фосфолипидният концентрат се използва като антикорозионна добавка към масла и като добавка при флотацията на различни минерали. Гликолипидите, за разлика от фосфолипидите, не съдържат молекули на фосфорната киселина, но те също са силно полярни съединения поради наличието на хидрофилни въглехидратни групи в молекулата (остатъци от глюкоза, маноза, галактоза и др.).

Производните на липидите включват мастни киселини, алкохоли, въглеводороди, витамини D, E и K. Мастните киселини са представени от наситени и ненаситени киселини с една двойна връзка с нормална структура и четен брой въглеродни атоми (палмитинова, стеаринова, олеинова). Сред диеновите мастни киселини може да се разграничи линолова. Двойните връзки в ненаситените мастни киселини на микробните липиди често са подредени по такъв начин, че те се разделят на части, като броят на въглеродните атоми е кратен на три. Пречистените монокарбоксилни киселини с 14-18 въглеродни атома са широко използвани в производството на сапуни, гуми, химикали, бои и лакове и други индустрии..

Присъстващите в липиди алкохоли се разделят на три групи: алкохоли с права верига, алкохоли с β-йонни пръстени, включително витамин А и каротеноиди, както и стероли - компоненти на неустановимата част на липидите (например ергостерол, облъчването на който с ултравиолетова светлина дава възможност за получаване на витамин D2 ).

За промишлена употреба е важна способността за интензивно натрупване на липиди. Тази способност се притежава от малко микроорганизми, предимно дрожди. Процесът на образуване на липиди в повечето дрожди се състои от два отделни етапа:

- първият се характеризира с бързото образуване на протеин при условия на засилено снабдяване с азот към културата и се придружава от бавно натрупване на липиди (главно глицерофосфати и неутрални мазнини);

- втората - спиране на растежа на дрождите и увеличено натрупване на липиди (предимно неутрални).

Дрождите Cryptococcus terricolus са типични липидни форми. Те могат да синтезират големи количества липиди (до 60% от сухото тегло) при всякакви условия, дори и най-благоприятните за синтеза на протеини.

Сред другите липидообразуващи дрожди дрождите C. guilliermondii, които използват алкани, представляват индустриален интерес. Те синтезират главно фосфолипиди. Дрождите от вида Lipomyces lipoferus и Rhodotorula gracilis също натрупват големи количества липиди и активно се развиват върху въглехидратните субстрати (върху меласа, хидролизати от торф и дървесина). При тези видове дрожди липогенезата е силно зависима от условията на отглеждане. Тези производители натрупват значителни количества (до 70%) триацилглицериди.

Микроскопските гъби все още не са широко разпространени в производството на липиди, въпреки че съставът на гъбичните мазнини е близък до този на растителните мазнини. Добивът на мазнини в Asp.terreus, например, върху въглехидратна среда достига 51% от абсолютното сухо тегло (ACB). Липидният състав на гъбите е представен главно от неутрални мазнини и фосфолипиди.

Липидите, синтезирани от бактерии, са уникални по своя състав, тъй като включват главно сложни липиди, докато неутралните мазнини съставляват незначителна част от биомасата. В този случай бактериите произвеждат различни мастни киселини (съдържащи от 10 до 20 въглеродни атома), което е важно за промишленото производство на специфични мастни киселини. Водораслите обещават за култивиране като липидообразуватели, тъй като не се нуждаят от източник на органичен въглерод. Химичният състав (съотношение на протеини и мазнини) на водораслите също варира значително в зависимост от съдържанието на азот в околната среда. Недостатъци - нисък темп на растеж и натрупване на токсични съединения в клетките - ограничават индустриалното приложение.

И така, основната роля в процеса на биосинтеза на липидите се играе от различни щамове на дрожди. Те използват същите източници на суровини, както за производството на фуражен протеин, а добивът от биомаса, количеството и съставът на синтезираните липиди зависят от стойността на храненето с въглерод. За да се осигури насочена биосинтеза на липидите в хранителната среда, се използват лесно асимилирани източници на азот.

Преместването на биосинтезата към образуването на липиди или протеин се влияе от съотношението въглерод и азот в средата. И така, увеличаването на концентрацията на азот причинява намаляване на образуването на липиди, а липсата на азот с въглероден запас води до намаляване на добива на протеинови вещества и висок процент мазнини. Установено е, че колкото по-труден е източникът на въглерод, толкова по-малко е оптималното съотношение N: C. Обикновено за въглеводородните суровини съотношението N: С = 1:30, а за въглехидратните суровини - 1:40. Натрупването на липиди е възможно само при наличие на фосфор в средата. При липсата му въглеродните източници не се използват напълно, с излишък от нелипидни продукти. Промяната в съдържанието на фосфор не влияе на фракционния състав на липидите..

Влиянието на други елементи от околната среда (микро и макроелементи) влияе върху скоростта на растеж на дрождите и скоростта на използване на източника на въглерод, което също влияе върху количеството на натрупаните липиди, но не и върху тяхното качество..

Фракционният състав на синтезираните липиди се влияе от други условия на култивиране: аерация, рН и температура. Синтезът на фосфоглицериди, мастни киселини и триацилглицериди зависи от интензивността на аерирането. При недостатъчна аерация липидите съдържат 4 пъти по-малко триацилглицериди, 2 пъти повече фосфоглицериди и 8 пъти повече мастни киселини, отколкото при нормалните. С усилването на аерацията степента на ненаситеност на липидите се увеличава и относителното количество на всички групи ненаситени киселини се увеличава. Повишаването на рН на средата води до увеличаване на съдържанието на фосфоглицериди и мастни киселини, докато количеството на триацилглицеридите намалява. Оптималните температури за растеж и образуване на липиди за клетките съвпадат, а съдържанието на липиди не зависи от температурата на културата. Въпреки това, като регулирате температурата, можете да създадете различни съотношения на наситени и ненаситени мастни киселини в състава на фосфолипидните мембрани..

За въглехидратните субстрати най-развита е технологията за получаване на липиди от хидролизати на торф и дърво. Проучванията показват, че съотношението на торф и дървесни хидролизати 1: 4 осигурява най-висок добив на биомаса в етапа на култивиране (до 10 g / l) с максимално съдържание на липиди (до 51% от ASB) и висок коефициент на асимилация на субстрата (до 0,54). От 1 тон абсолютно сух торф след неговата хидролиза и ферментация можете да получите 50-70 кг микробна мазнина с преобладаващо съдържание на триацилглицериди.

Практическо използване на въглехидрати

Въглехидратите от различно естество и техните производни са широко използвани в медицинската и фармацевтичната практика. Глюкоза, захароза, лактоза, нишесте се използват отдавна за приготвянето на различни лекарствени форми във фармацевтични и фабрични условия.

Групата на въглехидратните производни - кардиотоничните лекарства включва сърдечни гликозиди, които засилват контрактилитета на миокарда. Например, дигитоксинът е мощен стимулант на сърдечния мускул.

Гликозидите включват също някои антибиотици, като еритромицин, стрептомицин, пуромицин.

Полизахаридите и техните производни стават все по-важни в медицината. Много от тях повишават устойчивостта на организма към бактериални и вирусни инфекции, тоест имат имуностимулиращ ефект; предотвратяват появата и развитието на тумори, действието на рентгенови лъчи и др..

На базата на бактериалния полизахарид декстран са разработени и използвани в медицината разтвори, заместващи плазмата - полиглюцин, реополиглюцин, рондекс, реоглуман.

Полизахаридите се използват във фармацевтичната индустрия като основа за приготвяне на мехлеми, емулсии, гелове.

От биомасата на редица базидиомицети в Япония се получават полизахариди кориолан, лентипан, пахиман, шизофилан, които се използват за лечение на някои видове рак. В Русия е разработено биотехнологично производство на екзополизахариди: аубазидан и поллулан, които са производители на гъбата Aureobasidium pullulans. Аубазидан се използва като помощно средство за създаване на лекарствени форми, а поллуланът намери приложение в хранително-вкусовата промишленост.

В допълнение към изброените полизахариди са изследвани много други гъби въглехидрати, които в бъдеще могат да бъдат препоръчани за въвеждане в производство..

Практическите дейности през цялата история на човешкото развитие са свързани с преработката на съдържащи въглехидрати суровини: печене, ферментация, производство на хартия, памучни и ленени тъкани, ацетатна и вискозна коприна, бездимен прах и др..

В практиката на биохимичните лаборатории широко се използват карбоксиметилцелулозата и DEAE-целулозата, Сефадексесите са неразтворими омрежени декстранни (глюкани), които са намерили приложение в техниката на отделяне на различни полимерни вещества. Високомолекулен полизахариден агар-агар, съдържащ се в някои морски водорасли, се използва широко в микробиологията за приготвяне на твърди хранителни среди, както и в сладкарската промишленост за производство на желе, пастили, мармалад. В хранително-вкусовата и сладкарската промишленост се използват естествени гликозиди като ванилин, синигрин и пеларгадин. Сорбитолът, продукт на редукцията на D-глюкозата, се използва като ароматизираща добавка в хранително-вкусовата промишленост. В момента биотехнологичното производство на ксантан, бактериален полизахарид за добив на нефт, хранително-вкусова промишленост, медицинска промишленост, селско стопанство и горско стопанство придоби широко разпространение..

Микробният полизахарид курдалан (от англ. Curda - за коагулация, компактен), използван в хлебарната, хранителната и медицинската промишленост, представлява голям интерес за практиката. Известни биотехнологични процеси за получаване на циклодекстрини от нишесте, използвани като носители за включване на много летливи и ароматни ароматизиращи съставки, както и лекарствени вещества.

Протеинови препарати в медицината.

Първична структура на протеините, техният аминокиселинен състав и векторност. Видова специфичност на първичната структура на протеините. Адаптивни промени в основната структура на протеините. Протеинов полиморфизъм.

Първичната структура е последователност от аминокиселинни остатъци в полипептидна верига. Основната структура на протеин обикновено се описва, като се използват еднобуквени или трибуквени обозначения за аминокиселинни остатъци..

Важни характеристики на първичната структура са консервативните мотиви - стабилни комбинации от аминокиселинни остатъци, които изпълняват специфична функция и се намират в много протеини. Консервативните мотиви съществуват по време на еволюцията на видовете и често е възможно да се предвиди функцията на неизвестен протеин от тях [24]. Степента на хомология (сходство) на аминокиселинните последователности на протеини от различни организми може да се използва за оценка на еволюционното разстояние между таксоните, към които принадлежат тези организми..

Проучванията показват, че протеините от различни растителни видове, както и различни органи на едно и също растение, могат значително да се различават по съдържанието на аминокиселини (Таблици 3 и 4).

В албумина, в сравнение с проламините, концентрацията на аргинин, глицин, лизин, метионин и триптофан е значително по-висока, но съдържанието на левцин, пролин, тирозин, фенил-аланин е значително по-ниско..

В специфичен протеин от пшеничен ендосперм - пуротионин, хистидин, метионин и триптофан напълно отсъстват, но съдържанието на лизин (15%) и аргинин (18%) е повишено.

Аминокиселинният състав на протеините от зърнените бобови растения и маслодайните семена е близък до глобулините, тъй като те представляват 60-70% от тези протеини. Аминокиселинният състав на протеини в картофените клубени, коренните плодове, зеленчуците, плодовете и плодовете, вегетативната маса на растенията е доста близък до албумина и глобулините, тъй като тези протеини съставляват 65-75% от общата маса на протеините на тези растителни продукти.

Растителните протеини са източници на незаменими аминокиселини за хората и селскостопанските животни, тъй като те са основните компоненти на храната или фуражите. Под действието на храносмилателните ензими фуражните протеини се хидролизират до аминокиселини, които след това навлизат в кръвта и се използват за синтезиране на протеини от животинското тяло.

Нуждата на животинското тяло от незаменими аминокиселини се определя от средния състав на аминокиселини на синтезираните протеини и в допълнение се взема предвид степента на използване на всяка аминокиселина, която зависи от химичния състав на храната, както и от характеристиките на храносмилателната система и метаболизма на организма на този животински вид. Този индикатор обикновено се изразява в g на 100 g фуражен протеин и изразява необходимата пропорция на аминокиселини в хранителния протеин. Високата видова специфичност на протеините може да бъде причинена или от разлики в химическата структура на тъканните протеини, или, по-вероятно, от промяна в конфигурацията на крайните полипептидни вериги на повърхността на глобулата (стр. 48). Възможно е, освен видовата и тъканната специфичност на протеините, да има и някои различия във физикохимичната структура и особеностите на протеините в даден вид, но тези разлики не се откриват от съществуващите биологични реакции. Първичната структура на протеин е специфична последователност на аминокиселини във полипептидната верига, както и техният количествен и качествен състав. Последователността на аминокиселините в отделните протеини е генетично фиксирана и определя индивидуалната и видова специфичност на протеина. Видова специфика. Протеините, съдържащи се в тъканите и органите на хора, животни, растения и др., Се различават рязко по структура една от друга, имат висока видова специфичност. Чуждият протеин, когато се въвежда в кръвта на друго животно, има много силно токсичен ефект върху този организъм. Следователно, предпоставка за усвояването на специфични хранителни протеини е предварителната им хидролиза в стомашно-чревния тракт в аминокиселини, лишени от специфичност. Всяка клетка може да синтезира свой специфичен протеин от аминокиселини. Пример за протеинов полиморфизъм е хемоглобинът, който има много форми. Хемоглобин А е нормалният хемоглобин на възрастен. Този протеин е тетрамер, състоящ се от две двойки полипептидни вериги - мономери: два мономера на α-вериги и два мономера на β-вериги, или два мономера от α и два мономера на δ. Хемоглобин F - фетален, фетален тип човешки хемоглобин. Хемоглобин F е хетеротетрамерен протеин от две α-вериги и две γ-вериги на глобин. Хемоглобин F има повишен афинитет към кислорода (съдържа серин вместо лизин) и позволява на сравнително малък обем фетална кръв да изпълнява по-ефективно функциите за подаване на кислород. Хемоглобин F обаче е по-малко устойчив на разграждане и по-малко стабилен. През последния триместър на бременността и след раждането хемоглобин F постепенно се замества от „възрастен“ хемоглобин А (HbA), по-малко активен преносител на кислород, но по-устойчив на разрушаване и по-стабилен. Молекулярните заболявания са наследствени нарушения в първичната структура на кок. Например, замяната на шестата глутаминова аминокиселина в β-субединицата на хемоглобина с валин води до образуването на хемоглобин S и до факта, че молекулата на хемоглобина като цяло не може да изпълнява основната си функция - транспорт на кислород; в такива случаи човек развива заболяване - сърповидноклетъчна анемия.

3. Наследствени промени в първичната структура на протеините. Наследствени протеинопатии: сърповидноклетъчна анемия, фибриногенопатии, патология на глюкозо-6-фосфат дехидрогеназа.

Молекулярните заболявания са наследствени нарушения в първичната структура на кок. Например, замяната на шестата глутаминова аминокиселина в β-субединицата на хемоглобина с валин води до образуването на хемоглобин S и до факта, че молекулата на хемоглобина като цяло не може да изпълнява основната си функция - транспорт на кислород; в такива случаи човек развива заболяване - сърповидноклетъчна анемия. Недостигът на глюкозо-6-фосфат дехидрогеназа (G6PD) е X-свързано ензимно заболяване, по-често се проявява в черни, хемолиза може да възникне след остро заболяване или прием на окислители (включително салицилати и сулфонамиди). Диагнозата се основава на определяне на G6PD, въпреки че изследванията често са отрицателни по време на остра хемолиза. Симптоматично лечение.

Единственият съществен дефект в пътя на хексозата монофосфат се дължи на дефицит на глюкозо-6-фосфат дехидрогеназа (G6PD). Има над 100 вида мутации на ензимите. Клинично най-често срещаният тип е зависимия от лекарството вариант. Заболяването е свързано с Х хромозомата и се проявява напълно при мъже и хомозиготни жени, а също така се изразява в различна степен при хетерозиготни жени. Тази аномалия се среща при чернокожи, около 10% от мъжете, по-малко от 10% от жените и с по-малка честота в средиземноморския басейн..

Дефицитът на G6PD намалява количеството енергия, необходимо за поддържане структурата на клетъчната мембрана на червените кръвни клетки, което води до съкратен период на живот.

Протеинова конформация и нейната зависимост от първичната структура. Корелация между стабилността и лабилността на протеиновата конформация като основа на тяхната функционална дейност. Явлението молекулярна кинеза по примера на функционирането на хемоглобин, карбоксипептидаза А и други протеини като предпоставка за функционирането на протеините. Адаптивно значение на протеиновата конформация се променя.

Първичната структура се нарича аминокиселинната последователност на полипептидната верига (разположението на аминокиселинните остатъци в нея). Първичната структура е специфична за всеки протеин (фиг. 2.4) и се определя от генетична информация, т.е. кодирана в ДНК. Всички свойства и функции на протеина зависят от първичната структура. И така, специфичното действие на ензима изисква много специфична последователност на аминокиселини.

Конформацията е специфична триизмерна форма на полипептидна верига. Веригите обикновено са усукани, сгънати или огънати. Конформацията се определя от първичната структура; това е термодинамично най-стабилното състояние на полипептидната верига. Конформацията включва вторични, третични и кватернерни структури. Линейните полипептидни вериги от отделни протеини поради взаимодействието на функционални групи аминокиселини придобиват определена пространствена триизмерна структура, наречена "конформация". Всички молекули на отделни протеини (т.е. с една и съща първична структура) образуват една и съща конформация в разтвор. Следователно цялата информация, необходима за формирането на пространствени структури, се намира в първичната структура на протеините. В протеините има 2 основни типа конформация на полипептидните вериги: вторични и третични структури. 1. Вторична структура на протеини. Вторичната структура на протеините е пространствена структура, образувана в резултат на взаимодействия между функционални групи, съставляващи пептидната гръбнака. В този случай пептидните вериги могат да придобият редовни структури от два вида: α-спирала и β-структура.

α-спирала. При този тип структура пептидният гръбнак е усукан под формата на спирала поради образуването на водородни връзки между кислородните атоми на карбонилните групи и азотните атоми на аминогрупите, които съставят пептидните групи чрез 4 аминокиселинни остатъка. Водородните връзки са ориентирани по оста на спиралата (Фигура 1-5). Има 3.6 аминокиселинни остатъци на оборот на α-спиралата. Почти всички кислородни и водородни атоми на пептидни групи участват във формирането на водородни връзки. В резултат на това α-спиралата се "изтегля" от много водородни връзки. Въпреки факта, че тези връзки са класифицирани като слаби, техният брой гарантира максимално възможна стабилност на α-спиралата. Тъй като всички хидрофилни групи на пептидния гръбнак обикновено участват в образуването на водородни връзки, хидрофилността (т.е. способността да се образуват водородни връзки с вода) на α-спирали намалява и тяхната хидрофобност се увеличава..

α-спирална структура е най-стабилната конформация на пептидния гръбнак, съответстваща на минимума свободна енергия. В резултат на образуването на α-спирали полипептидната верига се съкращава, но ако се създадат условия за разрушаване на водородни връзки, полипептидната верига отново ще се удължи.

Радикалите на аминокиселините са разположени от външната страна на α-спиралата и са насочени от пептидната гръбнака към страните. Те не участват в

образуването на водородни връзки, характерни за вторичната структура, но някои от тях могат да нарушат образуването на α-спирала. Те включват:

• области, където последователно са разположени няколко еднакво заредени радикала, между които възникват електростатични отблъскващи сили;

• области с плътно разположени обемисти радикали, които механично нарушават образуването на α-спирала, например метионин, триптофан.

Пръстеновата структура на пролина има фиксиран ъгъл, близък по стойност до ъгъла на въртене на α-спиралата, въпреки липсата на водород в азотния атом и невъзможността за водородна връзка. Следователно, пролинът обикновено се намира в онези региони на протеина, където има бримка или огъване. Голямо количество пролин се намира в колагена (всяка четвърта аминокиселина) под формата на спирала вече на нивото на основната му структура. Основните свойства на прионните протеини са способността да се агрегират и да възникнат de novo, наличието на много патологични конформационни варианти и унаследяването на патологична конформация. Прионните полимери също се характеризират с устойчивост към денатуриращи агенти и някои протеази (например химотрипсин). Последното свойство се проявява и от амилоидните агрегати, но те не се наследяват и не са инфекциозни. Конформационните варианти за тях все още не са идентифицирани. Изследването на прионите до голяма степен се дължи на патологията, която причиняват при хора и животни. Откриването на прион-подобни протеини в по-ниски еукариоти значително разшири разбирането за прионите. Стана ясно, че това е не просто принципно ново, но и доста общо явление, което се среща при различни организми. Проучването на дрожжеви приони предостави допълнителна информация за явлението като цяло, както и доказателства за фундаменталното сходство на прионите със самилоидните фибрили. Понастоящем прион-амилоидният феномен се интензивно изучава в много лаборатории и списъкът на заболяванията сред известните по-рано, за които е потвърдена амилоидната природа, нараства. При дрождите и гъбите съществуването на протеини с прионни свойства има предимно адаптивно значение. Освен това е известно, че все повече и повече прионови и амилоидни протеини на бозайници участват в различни биологични процеси. И най-вероятно такива протеини са дори по-широко разпространени, отколкото изглежда сега..

5. Класификация на протеините, техните биологични функции. Пространствената структура на протеините: вторични, третични структури, сили, тяхното определение (пептидна връзка, водород, електростатични, хидрофобно-хидрофилни взаимодействия, дисулфидни връзки). Концепцията за молекулната кинеза, нейното значение за функционирането на протеините.

Всички протеини са разделени на три групи: прости, сложни, производни. Простите или протеините включват тези, които при пълна хидролиза дават само аминокиселини. Според разтворимостта си в отделни разтвори те се делят на следните групи: албумини, глобулини, проламини, хистони, склеропротеини и глутелини.

Албуминът е водоразтворим протеин, който се коагулира при нагряване. Съдържа се в мляко, яйца, кръвен серум, ензими и растителни семена. Всички албумини са кълбовидни протеини с молекулно тегло не повече от 75 000. Албуминът е богат на съдържащи сяра и дикарбоксилни аминокиселини.

Глобулините са протеини, неразтворими във вода, но разтворими в разредени солни разтвори, киселини, основи. Съсирва се при нагряване, намира се в тъканите на животните (миозин), кръвта, млякото, яйцата, бобовите култури и маслодайните култури.

Проламините са протеини от семена на различни зърнени растения, разтворими в 60-80 процента алкохол, неразтворими във вода. Добре разтворим в различни разтвори на киселини и основи. Когато се сварят, те не се изваряват. Проламинът от семената от пшеница и ръж се нарича глиадин, от царевичните семена - зеин.

Хистоните са основни протеини, които съдържат големи количества лизин и агренин. Те са разтворими в кисели и неутрални разтвори, утаени от амоняк, са част от клетъчните ядра.

Склеропротеините са протеини, които рязко се различават от другите протеини по своите свойства. Те се разтварят само след продължително лечение с концентрирани киселини и основи и с разделянето на молекулите. В животинските организми те изпълняват поддържащи и интегриращи функции, не се срещат в растенията. Представители: кератин - протеин на косата, вълната, епидермиса на кожата. Еластинът е протеин в стените на кръвоносните съдове и сухожилията. Kologenn е протеиново вещество на кожата, костите, хрущялите, съединителните тъкани. Глутелините са растителни протеини. Разтваря се само в разредени разтворими основи. Съдържа се главно в семейството на зърнени култури, по-специално той е част от глутена.

Сложните протеини или протеини включват компоненти на прости протеини с белтъчни компоненти (въглехидрати, фосфорна киселина, нуклеинови киселини и др.).

Протеините са разделени на редица групи.

Фосфопротеини - съдържат остатъци от фосфорна киселина, свързани чрез естерна връзка с аминокиселините ксерин и треонин. Например: cosein - млечен протеин, vitellin - протеин, който е част от жълтъка на пилешко яйце. Групата на фосфопротеините включва много ензими, чиято функция е каталитичният пренос на фосфатни групи. Те са част от клетки и тъкани, обменът на фосфопроиди се свързва с работата на йонната помпа, както и с окислителните процеси в митохондриите на жива клетка..

Нуклеопротеините са протеини, в които протеиновата част е свързана с нуклеиновите киселини. Те са част от ядрата на растителните и животинските клетки.

Хромопротеините са вещества, в които протеиновата част се свързва с багрило. Например: кръвен хемоглобин, хлорофил.

Глюкопротеините са протеини, в които протеиновата част се комбинира с въглехидрат.

Липопротеините са протеини, свързани с липиди. Те са разтворими във вода и неразтворими в органични разтворители, съдържащи се в протоплазмата на клетките, кръвен серум, яйчен жълтък.

Биологичните функции на протеините са изключително разнообразни. Те изпълняват различни функции: каталитични (ензими), регулаторни (хормони), структурни (колаген, фибралин), моторни (миозин), транспортни (хемоглобин), защитни (имуноглобулин, интерферрон), резервни (казеин, албумин, глиадин, зеин).

Сред протеините има антибиотици и вещества, които имат токсичен ефект..

Протеините играят ключова роля в живота на клетката, образувайки материалната основа на нейната химическа активност. Цялата активност на тялото е свързана с протеинови вещества. Те са най-важната съставна част от храната за хора и животни, доставчици на аминокиселините, от които се нуждаят.

Отсъствието на протеини в храната в продължение на няколко дни води до сериозни метаболитни нарушения, а продължителното хранене без протеини неизбежно завършва със смърт. Всеки отделен протеин, който има уникална първична структура и конформация, също има уникална функция, която го отличава от bqcx на други протеини. Набор от отделни протеини в клетката изпълнява много разнообразни и сложни функции.

Предпоставка за функционирането на протеините е прикрепването на друго вещество към него, което се нарича "лиганд". Лигандите могат да бъдат както вещества с ниско молекулно тегло, така и макромолекули. Взаимодействието на протеин с лиганд е силно специфично, което се определя от структурата на регион на протеина, наречен протеин-лиганд свързващ сайт или активно място. Активният център на протеините е определена част от протеиновата молекула, като правило, разположена в нейното задълбочаване ("джоб"), образувана от радикали на аминокиселини, събрани на определено пространствено място по време на образуването на третична структура и способна на комплементарно свързване към лиганд. В линейната последователност на полипептидната верига радикалите, които образуват активния център, могат да бъдат разположени на значително разстояние един от друг. Високата специфичност на свързването на протеина към лиганда се осигурява от комплементарността на структурата на активния център на протеина към структурата на лиганда. Комплементарността се разбира като пространствено и химично съответствие на взаимодействащи молекули. Лигандът трябва да може да влиза и пространствено да съвпада с конформацията на активното място. Това съвпадение може да е непълно, но поради конформационната лабилност на протеина, активният център е способен на леки промени и се "коригира" към лиганда. В допълнение, връзките трябва да възникнат между функционалните групи на лиганда и аминокиселинните радикали, които образуват активния сайт, които държат лиганда в активното място. Връзките между лиганда и активния център на протеина могат да бъдат или нековалентни (йонни, водородни, хидрофобни) или ковалентни.

Протеинови препарати в медицината.

На този етап, като се вземе предвид продължаващата хипопротеинемия, се прилага FFP - 10 mlkg или протеинови препарати (албумин, протеин), съставът на електролитите се коригира с помощта на балансирани електролитни разтвори (калиев-магнезиев аспартат). За целите на парентералното хранене се прилагат разтвори на въглехидрати и аминокиселини. Нормализирането на микроциркулацията и коагулацията се осигурява чрез въвеждането на антитромбоцитни средства (трентал, аспизол) и хепарин според строги показания и под контрола на времето за съсирване. За коригиране на глобуларния обем се използва еритрома за не повече от 3 дни. съхранение или промити еритроцити. Предотвратяването на гнойно-септични усложнения, извършвано от широкоспектърни антибиотици (цефалоспорини), е задължително. За да се регулират метаболитните процеси, се прилагат ATP препарати (NEOTON до 6 g на ден), Riboxin (30-50 ml на ден), Actovegin 800 mg на ден. на фона на умерена дигитализация.

Стимулирането на имунитета се осъществява чрез въвеждането на имуномодулатори (Т-актимин, тималин, цекарис, имуноглобулин), като се използват различни методи за фотомодификация на кръвта (ултравиолетово, лазерно облъчване на кръвта). Трябва да помним за хипоко - регулиращия ефект на последния! За да се предотврати синдрома на полиорганната недостатъчност и да се облекчат нарушенията в хемокоагулацията, дискретна плазмафереза ​​е показана при жени след раждане, които са претърпели масивна загуба на кръв, не повече от 12 часа след хирургична хемостаза. В същото време най-малко 70 VCP се ексфузират с адекватно заместване с донорска прясно замразена плазма. Етап III от периода на реанимация се характеризира с развитието на SPON.

Ензими като биокатализатори. Характерът и структурата на ензимите, активният център и неговата функция. Характерът на високата активност и специфичността на ензимите. Разлика на ензимите от небелтъчните катализатори.

Свойства на ензимите като биокатализатори:

1) Специфичността (селективността) на действието. Има такива видове:

а) абсолютна специфичност - ензимът катализира превръщането само на един субстрат (един ензим - един субстрат). Пример - уреаза, аргиназа, сукраза, лактаза и др..

б) стереоскопски - ензимът катализира превръщането на определен стереоизомер (лактат дехидрогеназа конвертира само L-лактат)

в) относително - ензимът катализира трансформацията на група вещества с един вид химическа връзка (един ензим - една връзка). Примерна пептидаза, естераза, гликозидаза.

2) Зависимост на скоростта на ензимната реакция от температурата. Ензиматичните реакции, както всички химични реакции, се ускоряват, когато температурата се повиши (24 пъти за всеки 10 ° C). Скоростта на ензимната реакция обаче има свой собствен температурен оптимум, излишъкът от който води до намаляване на активността на ензимите поради термичната денатурация на техните молекули. За повечето ензимни реакции температурният оптимум е 3840 ° С, а при 5060 ° С и по-висока, скоростта на ензимните реакции е значително намалена поради разрушаването на ензимните молекули (освен миокиназата не се инактивира дори при 100 ° С). Зависимостта на ензимната активност от температурата се нарича термоустойчивост. Ензимите се запазват по-добре при ниски температури - тяхната активност намалява, но денатурация не се случва. Това свойство се използва в медицината за производството на ензимни препарати. При някои операции е необходимо да се намали скоростта на метаболизма. След това се използва охлаждане на органите (например при трансплантации на бъбреци, сърце и други органи).

3) Зависимост на ензимната активност от рН на средата. Всеки ензим има свой собствен pH - оптималната стойност на pH, при която неговата активност е максимална. Ензимът, подобно на всеки протеин, има йоногенни групи в структурата си (например карбоксилни групи или амино групи в странични вериги), а дисоциацията им и съотношението между положителните и отрицателно заредените групи зависят от концентрацията на водородни йони. Връзката между тези групи също определя пространствената структура на ензимната молекула (нейната конформация) и, следователно, нейната активност. Повечето ензими са най-активни при рН 68. Изключения пепсин (pHopt = 1,52), аргиназа (pHopt = 1011).

4) Ензимите ускоряват както директните, така и обратните реакции (например лактат дехидрогеназа)

5) Активността на ензимите може да се промени под въздействието на различни вещества, което може да увеличи (активатори) или да намали (инхибиторите) скоростта на катализираната реакция.

6) Ензимите, за разлика от небиологичните катализатори, проявяват по-висока активност и проявяват способността си да ускоряват реакциите в много малки концентрации (например, една молекула карбахидраза е способна да разцепва 36 милиона молекули H2CO3).

7) Ензимите, подобно на небиологичните катализатори, катализират само онези реакции, които се подчиняват на II закона на термодинамиката и са енергийно възможни. Ензимите не са включени в крайните продукти на реакцията, не влияят на равновесната константа на реакцията, а само увеличават скоростта на нейното постигане.

Специфичността на ензима към определена химическа реакция е свързана с естеството на функционалните групи и вида на химичните връзки на реагиращото вещество (субстрат), неговата пространствена конфигурация и характерния протеинов компонент на ензима [14-17, 19, 20]. [C.12]

В природата има ензими (глюкозидази), които хидролизират или само α-глюкозиди, или само β-глюкозиди. Тази специфичност на ензимите се използва за установяване на конфигурацията на някои захари, както ще бъде показано по-нататък (виж олигозахариди). [P.151]

Всеки ензим действа само върху едно конкретно вещество или върху група вещества с подобна структура. Той осъществява реакция от определен тип, разделя връзки на определен строеж. Това, може би, най-характерното свойство на ензима се нарича неговата специфичност. Спецификата на действието на ензимите е най-важният биологичен феномен. Без него насоченият метаболизъм в природата и съответно самият живот е невъзможен. Биологичните катализатори не само регулират скоростта на химичните реакции в клетките, но и определят кои вещества трябва да претърпят трансформация. Взаимосвързаното действие на ензимите, както би било, организира жизнените процеси, избира, включва определени вещества в реакцията и в допълнение определя от различни възможни пътища, който е необходим, може би единственият път, по който трябва да върви процесът. Специфичността на ензимите може да бъде изразена по различни начини. [P.57]

Обикновено специфичността на ензима (т.е. способността му да действа върху дадено вещество, а не на който и да е друг) се определя от естеството на протеиновата част на активните групи измежду тези, които изобщо могат да бъдат отделени от протеина, самите те са много по-малко активни и по-малко придирчиви към избор на субстрат. [стр.94]

Информацията за състава на активните центрове и техните групи е по-пълна по отношение на онези ензими, в които тези групи имат небелтъчен характер. В случаите, когато самият протеин образува активно място на повърхността на молекулата, изследването става трудно поради сложната топография на тази повърхност и данните за състава на активните места са по-малко надеждни. Ензимът по правило ускорява реакциите от същия тип, тоест това е катализатор, който проявява свойството на селективност или специфичност. Връзката между ензима и неговия субстрат беше сравнена със съотношението на ключа към ключалката. Всъщност специфичността на ензимите варира в широки граници. По този начин ензимът уреаза катализира една-единствена реакция на разлагането на карбамид и не действа върху други субстрати. Този ензим има абсолютна специфичност. Но, например, ензимите, които катализират хидролизата на естери, са много по-малко специфични при избора на субстрат и етерните връзки действат различно.

Зависимост на скоростта на ензимната реакция от рН, температура, ензимни и субстратни концентрации. Ензимни кофактори. Водоразтворими витамини (групи В, РР, липоева киселина, пантотенова киселина и др.) Като прекурсори на коензими.

Зависимост на скоростта на ензимната реакция (V) от концентрацията на ензима [E] (Фигура 7.3). При висока концентрация на субстрата (многократно по-висока от концентрацията на ензима) и при постоянството на други фактори, скоростта на ензимната реакция е пропорционална на концентрацията на ензима. Следователно, знаейки скоростта на реакцията, катализирана от ензима, можем да заключим за неговото количество в тествания материал.

Фигура 7.3. Зависимост на скоростта на ензимната реакция от концентрацията на ензима

Зависимост на скоростта на реакцията от концентрацията на субстрата [S]. Графикът на зависимост има формата на хипербола (Фигура 7.4). При постоянна концентрация на ензима, скоростта на катализираната реакция нараства с увеличаване на концентрацията на субстрата до максималната стойност Vmax, след което остава постоянна. Това трябва да се обясни с факта, че при високи концентрации на субстрата, всички активни центрове на ензимните молекули са свързани с молекулите на субстрата. Всяко излишно количество субстрат може да се комбинира с ензима само след формиране на реакционния продукт и освобождаване на активния център..

Фигура 7.4. Зависимост на скоростта на ензимната реакция от концентрацията на субстрата.

Зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията на субстрата може да бъде изразена чрез уравнението на Майкълс - Ментен:

където V е скоростта на реакцията при субстратната концентрация [S], Vmax е максималната скорост и KM е константата на Майкълс.

Константата на Michaelis е равна на концентрацията на субстрата, при която скоростта на реакцията е половината от максималната. Определянето на KM и Vmax е от практическо значение, тъй като позволява количествено да се опишат повечето ензимни реакции, включително реакции, включващи два или повече субстрата. Различните химикали, които променят ензимната активност, имат различни ефекти върху Vmax и KM.

Зависимостта на скоростта на реакцията от t - температурата, при която протича реакцията (фиг. 7.5), има сложен характер. Температурната стойност, при която скоростта на реакцията е максимална, е температурният оптимален за ензима. Оптималната температура за повечето ензими в човешкото тяло е приблизително 40 ° C. За повечето ензими оптималната температура е равна или по-висока от същата температура, при която са клетките.

Фигура 7.5. Температурна зависимост на скоростта на ензимната реакция.

При по-ниски температури (0 ° - 40 ° С) скоростта на реакцията нараства с повишаване на температурата. Когато температурата се повиши с 10 ° С, скоростта на ензимната реакция се удвоява (температурният коефициент Q10 е 2). Увеличаването на скоростта на реакцията се обяснява с увеличаването на кинетичната енергия на молекулите. С по-нататъшно повишаване на температурата връзките, които поддържат вторичната и третичната структура на ензима, се разрушават, тоест термичната денатурация. Това е придружено от постепенна загуба на каталитична активност..

Зависимост на скоростта на реакцията от рН на средата (фигура 7.6). При постоянна температура ензимът работи най-ефективно в тесен диапазон на рН. Стойността на pH, при която скоростта на реакцията е максимална, е рН оптималният за ензима. Повечето ензими в човешкото тяло имат рН оптимален в диапазона на pH 6-8, но има ензими, които са активни при стойности на pH извън този диапазон (например пепсин, който е най-активен при рН 1,5-2,5).

Промяната на pH както на киселинната, така и на алкалната страна от оптималното води до промяна в степента на йонизация на киселинни и основни групи аминокиселини, които съставляват ензима (например COOH групи от аспартат и глутамат, NH2 групи лизин и др.). Това причинява промяна в конформацията на ензима, в резултат на което пространствената структура на активния център се променя и афинитетът му към субстрата намалява. В допълнение, при екстремни стойности на pH ензимът се денатурира и инактивира..

Фигура 7.6. Зависимост на скоростта на ензимната реакция от рН на средата.

Трябва да се отбележи, че оптималната стойност на pH за ензим не винаги съвпада с pH на неговата непосредствена вътреклетъчна среда. Това предполага, че средата, в която се намира ензимът, до известна степен регулира неговата активност..

Зависимост на скоростта на реакцията от наличието на активатори и инхибитори. Активаторите увеличават скоростта на ензимната реакция. Инхибиторите намаляват скоростта на ензимната реакция.

Неорганичните йони могат да действат като ензимни активатори. Смята се, че тези йони причиняват молекулите на ензима или субстрата да приемат конформация, която улеснява образуването на ензимно-субстратния комплекс. Това увеличава вероятността от взаимодействие между ензима и субстрата и следователно скоростта на реакцията, катализирана от ензима. Например, активността на слюнната амилаза се увеличава в присъствието на хлоридни йони.

Протеиновата част на сложния ензим се нарича апоензим, небелтъчната част се нарича кофактор. Кофакторите могат да бъдат от различно химично естество и да се различават по силата на връзката си с апоензима. Йони на различни метали, както и други неорганични йони, могат да действат като кофактор..

Органичните вещества с неаминокиселинно естество, използвани като кофактори, се наричат ​​коензими. Коензим заедно с апоензим образуват холоензим.

. Водоразтворимият витамин В, който също има тривиалното химично наименование тиамин, е широко разпространен в природата, синтезира се от много растения и микроорганизми (но не и от животни). Най-богатите на тях са мая, пълнозърнесто брашно, зърнени храни, бобови растения, черен дроб, постно свинско месо.

По отношение на химическата структура, тиаминът е система от два хетероцикъла (пиримидин и тиазол) с малък набор от функционални групи: аминогрупа в пиримидиновия пръстен и алкохолна група в фрагмента на тиазола. Азотният атом на тиазоловия пръстен е в амониево състояние, а самото съединение е под формата на сол, алкохолната група се естерифицира с фосфорна киселина. В живите организми тиаминът присъства или в свободна форма, или под формата на моно-, ди- и трифосфати с най-висок дял на дифосфат.

Витамин В е просто съединението, което попада под понятието витамин, който не изпълнява никакви функции самостоятелно, но под формата на коензим (TPP) на редица важни ензими на метаболизма на въглехидратите участва в серия от биохимични процеси, свързани с реакции на окислително декарбоксилиране на пирувинова киселина (пируват дехидрогеназа ), 2-оксоглутарова киселина, декарбоксилиране на 2-оксоизовалерова и други разклонени кетокиселини (а-оксоглутарат дехидрогеназа) и трансфер на дву въглероден фрагмент с карбонилна група (транс-кетолаза).

Известни са няколко синтетични производни на витамина, които имат своята активност, но за разлика от оригинала, това са мастноразтворими съединения и по своята химическа структура те могат да се считат за провитамини В, тъй като е лесно да се види начинът на тяхното превръщане директно в тиамин (Схема 10.2.2).

Дата на добавяне: 29.01.2015; изгледи: 67 | Нарушаване на авторски права