Embed Size (px)
Citation preview
OgļhidrātiOlbaltumvielas
Gliko- proteīni
Hromo- proteīni
Nukleo- proteīni
Lipo- proteīniLipīdi
Organisma molekulāro sastāvdaļu studijas Cilvēka fizioloģijas un bioķīmijas katedrā
9., 10. lekcija
11., 12. lekcija
Fosfolipīdi VAV irvirsmas aktīvas vielas kompleksi ar holesterolu
organizē šūnu membrānas
dubultslāni
Lipo- proteīniLipīdi
Lipokalīni , cRBP, FABP , START olbaltumvielas
OSBP,albumīns, sRBP,hilomikroni,ĻZBL,ZBL,ABL
ekstracelulāri (asins plazma)
intracelulāri
Membrāna
Ogļhidrāti ir polihidroksialdehīdi, polihidroksiketoni
H C HO
H
H
H
H
H O
OC
HO
HO
HOCH
C
C
C
1
2
3
4
5
6
H
C
C O
H
H
HH O
HO
HO
HOCH
H
C
C
C
H HO1
3
4
5
6
2
Aldehīda grupa formējas asins pH vērtībā 7.36
Glikoze ir aldoheksoze ar aldehīda grupu oglekļa virknes galā. Skaitļa vārds “heksa” rāda oglekļa atomu skaitu virknē seši 6C.
Keto grupa veidojas skābā vidē PH < 7.
Fruktoze ir 6C atomu ketoheksoze ar keto
H OC1
H
CH HO1
HO
H+
Ogļhidrāti ir bioorganiskas vielas, kuru molekulās ir viena karbonil grupa >C=O.
HO H+
Aldehīds
2. Lapas puse : http://aris.gusc.lv/NutritionBioChem/35Ogl45Hidr150211.pdf
Glikozes un ogļhidrātu vitālās funkcijas
H H
glikoze
Fruktoze ir 6C atomu ketoheksoze ar ketogrupu pie otrā oglekļa atoma oglekļa atomu virknē.
Fruktoze atrodama augļos un ogās tā pēc to sauc arī par augļu cukuru.
C
C O
O2
tiek saukta parasins cukurufizioloģiskā
pH=7,36 vidē
fruktoze
tiek saukta paraugļu cukuruskābā vidē
pH < 7
1) Ķīmiskās enerģijas krājumi dzīvajā dabā (glikoze, ciete, cilvēka glikogēns); 2) Atbalsta struktūru komponentes augos (celuloze) un baktēriju šūnu apvalki; 3) Nukleīnskābju sastāv daļas (D-riboze RNS un 2-deoksi-D-riboze DNS); 4) Šūnu plazmu membrānās mazi oligosaharīdi ir starpnieki šūnu signālu mijiedarbībai ;
A, B, un O asins grupas imunoloģiski determinē specifiski membrānā saistīti oligosaharīdu ogļhidrātu virknes.
Ketons
Oglekļu 6 atomu ķēde glikoze plus 6 ūdens molekulas biodegviela šūnās2., 3. lapas puse : http://aris.gusc.lv/NutritionBioChem/35Ogl45Hidr150211.pdf ar Aivara Grīnberga atļauju!
Glikoze C6H12O6 ar sešām ūdens molekulām ir biodegviela sadegot ar sešām skābekļa molekulām.
+6H2O+6O2aquaBio_oksidēšanās> 6HCO3
-+6H3O++G+Q;
ΔGreact= - 2570,4 kJ/mol eksoerģiska; ΔHreact= - 2805,27 kJ/mol eksotermiskaH
C
H
O
HH
H
H
H
O
O
C
H
OH
OH
OC H
H
C C C12
3
4 5 6
1. Glikoze šķīst šūnās un starpšūnu telpā. 2. Skābeklis un ūdens osmozē cauri akvaporīniem nokļūst šūnās un mitohondrijā. Glikolīzes un
Krebsa cikla produkti ģenerē koncentrācijas gradientu 6HCO3-, 6H3O
+ virzienā ārā no šūnas izvadīšanai cauri protonu un bikarbonāta kanāliem. Skābekļa un ūdens osmoze cauri
akvaporīniem norisinās pretēji osmolārās koncentrācijas gradientam ΔCosmakvaporīniem norisinās pretēji osmolārās koncentrācijas gradientam ΔCosm
http://aris.gusc.lv/BioThermodynamics/ColigativePropertiesL.pdf virzienā uz šūnu Bio_oksidēšanas virzienā. Ja glikozes koncentrācija asinīs ir normā 5 mM ± 2mM , tad
glikozes nodrošināts transports uztur homeostāzi organismā.Homeostāzē nodrošināts transports C6H12O6, 6H2O+6O2aqua uz šūnām un
no šūnām ārā 6HCO3-+6H3O
+
Piezīme: Glikoze dod līdzvērtīgu bioenerģiju salīdzināmu ar ogles C-C-C-C-C-C un ģeneratora gāzes 6(CO↑gas+H2gas) vērtību 2805,3 - 3000 kJ/mol.
Glikozes C6H12O6 formula aprakstīta ogļhidrāta formā C6(H2O)6 ar profesora K.Šmita ieteikumu 1744.gadā.Sešu CH2O grupas vienību virkne ar Aivara Grīnberga ierosinājumu veido sešu C-C-C-C-C-C
oglekļa atomu ķēdes (CH2O)6. Atomu grupas vienība CH2O ir sastopama daudzos metabolītos, kuri irnelielas molekulas, atspoguļojot no CH2O grupas vienības veidotu kombinatoriku ar skaitļiem 1-7 dzīvajādabā CH2O, (CH2O)2, (CH2O)3, (CH2O)4, (CH2O)5, (CH2O)6, (CH2O)7:
Formaldehīds Glikolaldehīds Gliceraldehīds Tetroze Riboze Glikoze Sedoheptuloze
1. Ogle nešķīst ūdenī tā pēc nešķīst šūnās un starpšūnu telpā. 2. Gāzveida skābeklis un ogļskābā gāze ir nāvējoši šūnu organismiem ( medicīniski embolija),
saplēšot un nosprostojot transportu membrānās.
Oglekļa atomu savienojums ogle un ģeneratoru gāze degviela-kurināmais
Ogle sešu oglekļa atomu C-C-C-C-C-C degviela sadegot ar sešām skābekļu molekulām.
2.,3. lapas puse : http://aris.gusc.lv/NutritionBioChem/35Ogl45Hidr150211.pdf ar Aivara Grīnberga atļauju!
C-C-C-C-C-C+6O2 =―Spēkstacija>6CO2+Q+ΔG; ΔGreact= -2366,35 kJ/mol eksoerģiska; ΔHreact= -2361,05 kJ/mol eksotermiska
6 CO↑gas + 6 H2↑gas + 6 O2↑gas ―ģeneratora-gas> 6CO2↑gas + 6 H2O↑gas +G +Q eksotermiska
Sešu ģeneratora gāzes 6(CO↑gas+H2gas) komponentu degviela ar 6O2↑gas producē 6CO2↑gas+6H2O↑gas+Q.
Ģeneratora gāzes (CO↑gas+H2↑gas) komponentu sastāvā ir viena atomu grupas vienība CH2Obet glikozes formulai C6H12O6 atbilst sešu oglekļa atomu virkne (CH2O)6
tāpat kā ģeneratora gāzē sešas 6 virnības no (CO↑gas+H2↑gas) kompozīcijas.
ΔGreact= -2914,72 kJ/mol eksoerģiska; ΔHreact= -3148,89 kJ/mol eksotermiska
6 CO↑gas + 6 H2↑gas + 6 O2↑gas ― > 6CO2↑gas + 6 H2O↑gas +G +Q eksotermiska
1. Tvana gāze ir toksiska hromoproteīnu aktīvā centra hēma inde bloķējot šo enzīmu aktivitāti. 2. Gāzveida 6H2gas , 6O2↑gas , 6CO2↑gas , 6 H2O↑gas ir nāvējoši šūnu organismiem
(medicīnisks simptoms embolija), saplēšot un nosprostojot transportu membrānās.
Pilsētas gāzes fabrika pie Bastejkalna (1863. g.)
Otrā Rīgas gāzes fabrika
H HO
HOC
H
H
C
H OC
Ddeterminants
*kiralais
-
Gliceraldehīds satur vienu kirālo oglekli un var pastāvēt kā spoguļa attēls - enantiomers pāris: kreisais un labais
H HO
HOC
H
H
C H
O
C
kiralais-
HH O
C
HOC
H
H
H
O
Ckiralais
-HH O C
HOCH
H
H OC
Ldeterminants
*kiralais
-
H HO
HOCH
H
H OC
*kiralais
-
HH O
HOCH
H
H OC
*kiralais
-
enantiomēri
Molekulas kuras nav identiskas ar to spoguļa attēliem, sauc par kirālām vai hirālām(cheir, grieķiski , latviski rokas), piemēram, termins ķirurģija – ārstēšana ar rokām
Kiralitāte - molekulu optiskie izomēri
Fišera projekcijaFišera projekcija
L-gliceraldehīds - Levos LD-gliceraldehīds -Dexter D
H
spogulis
Labās rokas izomērs
Pulksteņa rādītāja virzienā
Pretēji pulksteņa rādītāja virzienam
Kreisās rokas izomērs
Oglekļa atoms ar četrām dažādām piesaistēm ir kirāls tā tad optiskais izomērs
Clockwise rotationCW
CounterClockwise rotation
CCW
Atvērto virkņu monosaharīdi attēloti ar Fišera projekcijām
D-glikozeheksoaldozeasins cukursH
H
H
H
OH
O
HO C
H
HO
HO
HOCH
H
C
1
2
3
4
5
6D
determinants
H HO
H
H
H
H
H O
OC
HO
HO
HOCH
H
1
2
3
4
5
6D
determinants
HO
H+
HOOC
H HO
H
H
H
H
H O
OC
HO
HO
1
2
3
4
5
6 D
determinants
D-glikuronskābe ogleklis C6 oksidēts
D-fruktozeheksoketozeaugļu cukurs
Visi fizioloģiskie ogļhidrāti ir D optiskie izomēri. D kiralitātes determinants oglekļu virknē ir pēdējais kirālais ogleklis. Heksozes D determinants ir piektais C5 ogleklis virknē.
D-glikozes epimērs D-galaktoze pie C4
H HO
H
H
H
H
H O
OC
HO
HO
HOCH
H
1
2
3
4
5
6D
determinants
epimers
C4
-
H HO
H
H
H
H
H O
OC
H O
HO
HOCH
H
1
2
3
4
5
6 D
determinants
HH O
H
H
H
H
H O
OC
HO
HO
HOCH
H
1
2
3
4
5
6 D
determinants
epimers
C2
-H HO
H
H
H
H
H O
OC
HO
HO
HOCH
H
1
2
3
4
5
6 D
determinants
D-glikozes epimērs D-mannoze pie C2
Heksozes D determinants ir piektais C5 ogleklis virknē. Pentozes D determinants ir ceturtais C4 ogleklis virknē.
Atvērtas virknes monosaharīdu oksidēšana un reducēšana
D-glikoze
H HO
H
H
H
H
H O
OC
HO
HO
HOCH
H
1
2
3
4
5
6
D-glikoze D-glikonskābe
H HO
H
H
H
H
H O
OC
HO
HO
HOCH
H
1
2
3
4
5
6
+2 HHOC
H
H
H HO
H
H
HH O
HO
HO
HOCH
H
1
2
3
4
5
6
O+
H O
H HO
H
H
HH O
OC
HO
HO
HOCH
H
1
2
3
4
5
6
reducēšana
oksidēšana
divu ūdeņražu pievienošana aldehīda reducēšana
aldehīda oksidēšana
D-sorbitolsD-glikoze
H HO
H
H
H
H
H O
OC
HO
HO
HOCH
H
1
2
3
4
5
6H O O
C
H HO
H
H
H
H
H O
OC
HO
HO
1
2
3
4
5
6
D-fruktoze D-sorbitolsD-glikoze D-glikuronāls D-glikuronskābe
-2 H
HOC
H HO
H
H
H
H
H O
OC
HO
HO
1
2
3
4
5
6 O+H
H
H
H
OH
O
HO C
H
HO
HOH
OCH
H
C
1
2
3
4
5
6
+2HHOC
H
H
H HO
H
H
HH O
HO
HO
HOCH
H
1
2
3
4
5
6
D-glikozes sestā C6 hidroksila –OH oksidēšana
reducēšana
oksidēšanaoksidēšana
divu ūdeņražu pievienošana keto grupai reducēšana
D-sorbitols
Aldozes un ketozes reaģē ar ūdeni veidojot hemiacetālus un hemiketālus.Cikliski hemiacetāli un hemiketāli viegli veidojas, kad hidroksila un karbonila grupas ir
vienā un tai pašā molekula līdzīgi kā polihidroksil aldozē glikozē.
Aldozes un ketozes ūdenī ciklizējas hemiacetālos un hemiketālos
H
H
H
H
O
H
O
O
O
OO
H
H
H
H
H
H
H
H
OH
H
H
H
O
C
O
O
O
OH
H
H
HH
H
H
OH
H
CO H
O H
HH
H
H
H
O
O
OO
OH
H
H
HH
H
H OHH
1
4
6
+
+
atvērta virkne starp produkts hemiacetāls
atvērta virkneD glikoze
___α–D-glikoze______________
D glikoze
H HO
H
H
H
H O
OC
HO
1
2
3
4
5
Fišera projekcija
HOOH
O
OH
O H
H O CH2
1
6
2
3
4
trans
anomeraisogleklis
Ddeterminants
5
-jaunais
Heiverta projekcija
Starp produkts ar divām –OH grupām pie C1
cikliskā forma
H
H
H H
O
H
O
O
O
OO
H
H
H
H
H
HH
H
OH
H
H
H
O
C
O
O
O
OH
H
H
HH
H
H
OH
H
C OH
O H
H
H
H
H
H
O
O
OO
OH
H
H
HH
H
HO
HH
1
4
6
++
Līdzsvars novirzīts ciklisko formu virzienā:
Keq= = 190/1]virkne_atverta[
]ciklisks[
100% ir 190+1=191 ta pēc atvērto virkņu masas daļa procentos ir neliela
w%= *100%= 0.5 %191
1
___β–D-glikoze_____________
D glikozeH HO
HOCH
H
5
6D
determinants
HO
OH
O
OH
O H
H O CH2
1
6
2
3
4
cis
D 5
jaunaisanomeraisogleklis
determinants
-
cikliskā forma
-
Aldozes un ketozes reaģē ar ūdeni veidojot hemiacetālus un hemiketālus.Cikliski hemiacetāli un hemiketāli viegli veidojas, kad hidroksila un karbonila grupas ir
vienā un tai pašā molekula līdzīgi kā polihidroksil ketozē fruktozē .
Fišera projekcija
H
H
H
H
OH
O
HO C
H
HO
HOH
OCH
H
C
HO
H
OH
H
OH
H
H
H
OOO
OH
HH
H
HO
HOH
HO
H
H
H
H
OOO
OH
HH
H
O
H
OH
H
H
OH
H O
H
OH
H HO1
25
6
1
2
3
4
5
6
25
-D-fructopyranose-D-fructopyranose
1
4
3
2
5
6
61
4 3
2
5
6
(57%)(3%)
H
C
C O
H
H
HH O
HO
HO
HOCH
H HO1
3
4
5
6
2
Heiverta
Aldozes un ketozes ūdenī ciklizējas hemiacetālos un hemiketālos
Keq= = 9999/1
100% ir 9999+1=10000 tā pēc atvērtas virknes masas daļa procentos ir neliela
W%= *100%= 0.01%10000
1
D fruktoze
HH O
HO
HO
H
H
H HO
HO
HH
H
H
H
H O2
34
5
1
2
34
5D-fructose
open chain of free
ketone form (0.01%)
α-D-fruktoze (9%)
HOCH
H6
Ddeterminants
β-D-fruktozekura ir
bioķīmisksmetabolīts fizioloģijā
Heivertaprojekcija
31%
Līdzsvars novirzīts ciklisko formu virzienā:
]virkne_atverta[
]ciklisks[-
Cikliski hemiacetāla, hemiketāla monosaharīdiHeiverta projekcijās
CH3
O
L6
zemcikla
determinants
5
O
H OCH
2
O
D6
virscikla
determinants
5
O
Piranozei un Furanozei līdzīgie
O
H O OHO
H
OH
HOCH2
1
6
2
3
4
trans
5
anomeraisogleklis
-jaunais
O
HOOH O
H
O H
H O CH2
1
6
2
3
4
trans
5
anomeraisogleklis
-jaunais
EnantiomēriSpoguļa attēli
Kreisais │ labais
α-L-glikoze
O
HOOH O
O H
H O CH2
1
6
2
3
4
trans
5
anomeraisogleklis
-jaunais
OHO
OH OH
O H
H O CH2
1
6
2
3
4
cis
5
ogleklis
-
Jaunais anomērais ogleklis pie C1 ir α un β epimēri
α-L-Fukoze
ir sānu grupa pieoligosaharīda virknēm ekstra celulārā telpā kā
imunoloģiskais marķieris cilvēka
HO
OH
OH
O H
CH3
O1
6
2
3
4
5Ldeterminants
anomeraisogleklis
-jaunais
D izomērs L izomērs
α-D-glikoze
Pirāns Furāns
α-D-glikozes epimērs pie C4α-D-galaktoze
O
HOOH O
H
O H
H O CH2
1
6
2
3
4
trans
O
HO
OH
OH
O H
H O CH2
1
6
2
3
4
trans
5
anomeraisogleklis
-jaunais
α-D-Glikozes epimērs pie C2α-D-Mannoze
O
HOOH O
H
O H
H O CH2
1
6
2
3
4
trans
O
HOOH
OHO H
H O CH2
1
6
2
3
4
trans
5
anomeraisogleklis
-jaunais
OH O
H3
transH OH
anomerais-jaunais
α-D-glikoze β-D-glikoze
H O
HO
HO
HH
O
H
H
H
O2'
1'
3'
4'
5' Ddeterminants
H
H O HO
HH
O
HH
H
O2'
1'
3'
4'
5' Ddeterminantsβ -D-riboze
RNS
imunoloģiskais marķieris cilvēka ķermenī molekulārai atpazīšanai.
β -D-2-deoksi-ribozeDNS
Neeksistē dabā
Izcelsmezaļo augu fotosintēze
Ciklisko hemiacetālu vai hemiketālu monosaharīdu reakcijas
Hidroksil -O-H grupas ogļhidrātos viegli veido esterus ar dažādām skābēm. Dzīvības procesu uzturēšanai ir neaizstājami un nepieciešami fosfāta esteri ar hidroksil grupām. Piemēram, glikozei iekļūstot šūnā gandrīz momentāni esterificējas par glikozes fosfāta esteri, kurš var tikt iesaistīts daudzās sekojošos pakāpeniskos procesos tādos kā glikolīze un Krebsa - citrāta cikls oksidēšanai vai enerģijas uzkrāšanai .
H
H H
H
O
O
OP
O CH2
O
O H
H
OH
1
6
2 4
+
H
O
O
OP
O
OH
H
HCH2
HOO
O
O H1
6
2
3
4+
Hidrogen fosfāts
ūdensFosforilēšana-esterificēšana
Hidrolāze
Kināze
H
HHOO
H OH
O H 2
3HHOO
H OH
3
Glikozes sestā oglekļa C6 hidroksila oksidēšanas reakcijas:1) Divu ūdeņraža atomu atņemšana no glikozes veido glikurālu un
2) glikurāla oksidēšana veido glikuronskābi:
HOOH
O
OH
O H
H O CH2
1
6
2
3
4
α-D-glikoze
HOC
HOOH
O
OH
O H
O
1
6
2
3
4
α-D-glikurāls
CH
HOOH
O
OH
O H
O
1
6
2
3
4
α-D-glikoze-6-fosfātsα-D-glikoze
oksidēšana oksidēšana
Hidrolāze klases E.2.
enzīms
α-D-glikuronskābe
O+-2 H
Di-saharīdu sintēzes un hidrolīzes reakcijas
Ogļhidrātu polikondensācijas - sintēzes reakcijasveido disaharīdus vai polisaharīdus izdalot + H2O.
Glikoze ar fruktoze polikondensācijā sintezē saharozi – galda cukuru un ūdeni + H2O :
C6H12O6 + C6H12O6 sugar_caneC12H22O11 + H2O
glikoze fruktoze saharoze ūdens
Atgriezeniskā reakcija ir hidrolīzesreakcija. Saharozes disaharīds + H2Osadalās par glikozi un fruktozi.
C12H22O11 + H2O drolize1h
2 C6H12O6
disaharīds divi monosaharīdi
glikoze glikoze
ūdens
OH
O
OH
O H
H OH
H
O
H
HO
H
H O
O
O
HH
H
HH
OH H
OH
H
2
1
6
1
5
6
+H
OOH
O
OH
O H
H OH
H
OH
H
HO
H
H O
O
O
HH
H
HH
OH H
2
1
6
1
5
6
+
OH
O
OH
O H
H OH
H
O
H
HO
H
H O
O
O
HH
H
HH
OH H
OH
H
2
1
6
1
5
6
+
HOO
H
O
OH
O H
HO
HH
OH
H
HO
H
H O
O
O
HH
H
H HO
H H
2
1
6
1
5
6
+
glikoze
fruktoze saharoze
ūdens
saharoze
ūdens
glikoze
fruktoze
Polisaharīdi ciete, celuloze, cilvēka glikogēns
Augi uzkrāj glikozi fotosintēzes reakcijā sintezētajā cietes polimērā (C6H10O5)n , kur skaitlis n varsasniegt n=1000000 vienu miljonu glikozes vienības. Mikroskopā šo molekulu agregāti sīku, cietu gragraudiņu formā, tā pēc sauc par “cieti”- cietie graudiņi. Glikozes trīs burtu saīsinājums ir Glc. Sasaistās kopā α-glikozes molekulas garās polimēru virknēs. Trīs struktūrvienību secība attelota Heiverta projekciju struktūr formulā ciete Glc(α14)Glc(α14)Glc(α1 un celuloze Glc(β14)Glc(β14)Glc(β1
Augi fotosintēzes reakcijā iegūto glikozes vienību izmanto sasaistot celulozes rāmja struktūrā
H HH
HHHH
H
H
H H
HH
H
HOO
O
O
H O HH
OH
O H
O
O H
O H
H O HH
O
O
H O HH
OH
O H
1 4
6 6
4
6
1
14
O
H
HH
O
HH
H
O
O H
O H
H OH
H
O
H
HH
H
O
HOH
H
O H
O HH
OH
H
H
H
O
HOH
H
O H
O H
1 4 4
6 6 6
1 1
4
5. lapas puse : http://aris.gusc.lv/NutritionBioChem/35Ogl45Hidr150211.pdf
Augi fotosintēzes reakcijā iegūto glikozes vienību izmanto sasaistot celulozes rāmja struktūrā (C6H10O5)n ar šķērs saišu šķiedrām. Celuloze uztur augu šūnu rāmja vai matricas ķermeni. Piešķir augam stiebra struktūrām mehanisku izturību augu organismu ķermeņiem.
Cilvēka gremošanas traktā jau mutes siekalās ir biokatalizators - enzīms amilāze, kura viegli hidrolizē tikai α14 glikozīda -O- saiti starp glikozes monosaharīdu molekulām, atdalot no polimēra virknes brivu glikozes molekulu :
(C6H10O5)n + H2O=>(C6H10O5)n-1 + C6H12O6 .ciete ūdens cietes atlikums glikoze
Celuloze β14 glikozīda saites skābekli –O- amilāze nespēj hidrolizēt dēļ atšķirīgās struktūras. Tā pēc zāles un augu celulozi saturošās daļas ēdienā nevar izmantot cilvēks fizioloģiski.
Zālēdāju dzīvniekos īpašas baktērijas, kuras mājo priekškuņģī, atdala brīvās glikozes molekulas no celulozes polimēra. Zālēdāji brīvo glikozes saturošo masu nogādā kuņģī un gremošanas trakts absorbē glikozi audos.
Glikozes transports cauri šūnu membrānām
No asinīm uzņemšanu šūnā virza koncentrācijas gradients [Glcasinis]=5 mM>[Glccitosols]= 0.01 µM.
H
H
H
H
O
H
O
O
O
OO
H
H
H
H
H
H
H
O O
O OP
H
H
H
H
O
O
O
OO
H
H
H
H
H
H
H
membrana
membrana
kanals
-
-
-
asinis citosols
6. Lapas puse : http://aris.gusc.lv/NutritionBioChem/12CarbohydratesDisacchari.pdf
No arpuses šūnās [Glcasinis]=5 mM iekļuvušo šūnā glikozi fosforilē heksokināze tā pēc koncentrācija samazinās līdz [Glccitosols]=0.01 µM vērtībai, jo fosforilētās glikozes [Glc6P2-] koncentrācija neietekmē glikozes gradientu abpus membrānai.
Polimērs glikogēns uzkrāj aknu šūnu citosolā [Glc]=0.4 M glikozes citosolā [Glc]=0.4 M glikozes vienības. Glikogēna kopējais daudzums labi barotā pieaugušā ķermenī ir 350 g, gandrīz līdzvērtīgi sadalās starp aknām un muskuļiem. Cilvēka muskuļu un aknu šūnas uzkrāj 350g glikozi uz nakti. Hidrolīzē no glikogēna glikozes molekulas cilvēka organisms patērē nakts miera 8 stundu laikā, lai uzturētu asins glikozes normālu koncentrāciju [Glc]=5 mM. Glikogēns ir glikozes rezerve dzīvniekos.
Bioorganiskās vielas Olbaltumvielas
Oglekļa atomu izkārtojums lieneārās, cikliskās un aromātiskās ķēdēs ar skaitļu 2, 3, 4, 5, 6 kombinatoriku atspoguļo aminoskābju molekulāro nanomašīnu piemērotību variāciju daudzveidībai dzīvības procesu adaptācijai apstākļiem: 11. lapa : http://aris.gusc.lv/NutritionBioChem/38Olbalt10311.pdf
Bioorganiskas aminoskābes molekulas veido oglekļa-oglekļa savienojumi ķēdēs C-C-C-C-C-C;lineāras, cikliskas un aromātiskas ar 2, 3, 4, 5, 6 oglekļa atomu skaitu ķēdes kombinatorikā.
1. lapa : http://aris.gusc.lv/NutritionBioChem/38Olbalt10311.pdf
OC
O
CH
HH
N+H
H OC
O
CH
HH
N+H
CH3
H
OC
O
CH
HH
N+H
C
CH3
CH3
CH
HH
N+H
OC
O
HN
CH2
1
6
2
3
4
5
OC
O
CH
HH
N+H
CH2
H
C
CH3
CH3
OC
O
CH
HH
N+H
CH2CH2CH2CH2
HH
N+H
L- α-glicīns L- α-alanīns; L- α-valīns; L- α-triptofāns; L- α-leicīns L- α-lizīns
OC
O
CH
H
N+
H
CHCH
CH2
CH
HH
N+H
OC
O
O
H
CH2
OC
O
CH
HH
N+H
CH2
H O
OC
O
CH
HH
N+H
CH
H O
CH3
CH2CH2
L- α-prolīns L- α-tirozīns; L- α-serīns L- α-serīns
OC
O
CH
HH
N+H
CH2
H S
OC
O
CH
HH
N+H
CH2
SCH3
CH2
OC
O
CH
HH
N+H
CH2O C
O
OC
O
CH
HH
N+H
CH2O C
O
CH2
L- α-prolīns L- α-tirozīns; L- α-aspartāts L- α-glutamāts
Sešu veidu funkcionālās grupas oglekļa atoma savienojumā ar skābekli, slāpekli un sēru.
1) Karbonskābes grupa -C=OOH deprotonēta -C=OO-+ H+ jo fizioloģiskais pH ir 7,36;
2) Amino grupa –NH2 ir protonēta -NH3+, jo fizioloģiskais pH ir 7,36;
3) Hidroksila grupa –OH;. 4) Sulfhidril grupa -SH; Metionīns CH3-S-;
5) Alifātiska nepolāra; 6) Aromātiska planāra nepolāra.
Olbaltumvielas
Peptīdu saite un polipeptīdu virknes primārā 1º struktūra
CC
H
NC
O trans
alfa alfaaminoskābe aminoskābe
R
H
C
H
NC
O
C
R
H
:
::
120o
trans
Peptīdu saitei ir plakana ģeometrija trans konfigurācijā. Trīs sigma saišu elektronu blīvumi pie karbonila oglekļa un amīda slāpeklis paredz 120º saites leņķī abiem ap oglrkļa un slāpekļa atomiem.
Polipeptīdu virknes primāro 1º struktūru veido peptīdu saites, kuras ir stipras -330÷-360 kJ/mol kovalentās saites :
aminoskābe
4. lapas puse : http://aris.gusc.lv/NutritionBioChem/32ProteinsLatC.pdf
CC
H
NC
O trans
alfa alfa
Peptīdu saites atbalsta trans konfigurāciju starp alfa oglekļu Cα saistītām aminoskābēm.
CC
H
NC
O
cisalfa alfa
aminoskābe aminoskābeR
H C
H
NC
O
CH
R
::
120ocis
:
120o cis peptīda saite
Datu bāzē deponēto molekulu skaits119137 bioloģisko makro molekulu struktūras 2016.gada 26.maijā
144871 2018.gada oktobrī ; 156767 2019.gada oktobrī ;
Katrai cis peptīda saitei ir norādīta pozīcija olbaltumvielas virknē olbaltumvielu datu bāzēs(protein data bank – saīsinājumā: PDB) http://www.rcsb.org/.
Olbaltumvielas sintēze Peptīdu saite un polipeptīda virkne, primārā 1º struktūra
N+
H CH
CO
NH
CH
CH
CO
NH
H
CH
CO
NH
CH2
S
CH
CO
NH
CH
CHCH
3 CH3
CO
NH
CH2
O
CO
O
H
H
H H
O H
CH2
N+
H
CH2
CH2
CH22
HCH
HOH
H+ 5
+H3N-Val1 Ser2 Tyr3 Cys4 Gly5 Lys6-COO-
5. – 7. lapas puse s: http://aris.gusc.lv/NutritionBioChem/38Olbalt10311.pdf
O H
OH
H5
Olbaltumvielas sintēze Peptīdu saite un polipeptīda virkne, primārā 1º struktūra
Polipeptīdu primārā 1º secība sākas ar pirmo N-termināla aminoskābes brīvo amino grupu +H3N-;
Šūnās enzīmu kompleks ribosomas sintezē olbaltumvielas trīs saistītās, tandēmu reakcijās : 1) ATP hidrolīze, 2) polikondensēšanās (polimerizēšanās) un 3) transferāzes reakcijās, nolasot mRNS tri kodonus aminoskābēm virknes secībā.
Ribosomas, sāk ar metionīnu (Met[M]), iniciē polipeptīda virknes sintēzi. Ribosomas šūnu šūšanas-mašīna saista katru no 21 L-aminoskābēm
korektā gēnos iekodētā secībā.
un virkne beidzas ar C-termināla aminoskābes brīvo karboksila grupu —COO-
Rribosomas L aminoskabes polikondensēšanā saista olbaltumvielā primārajā 1º struktūrā
5. – 7. lapas puse s: http://aris.gusc.lv/NutritionBioChem/38Olbalt10311.pdf
N+
H
H
OCH
C
O
N+H
H
OC
O
CH
OC
O
N+
H
H
CH
H OH H N
+H
CH
CO N
+H C
HCO
N CH
CH
CO
NCH
CO
NCH
CO
NCH
CO
N COH+ +
+H3N- Amino N-termināls => polipeptīda virkne sekvence karboksil => C-termināls —COO-
Cilvēka DNS genoma kods atklāj 31078 iekodētas olbaltumvielas Harper’s Biochemistry 26th edition 2003.Identificētas ir 23371 olbaltumvielas cilvēka ķermenī (Science 2001;291(5507):1304-1351).
http://aris.gusc.lv/NutritionBioChem/HarperT54–3enCoded.pdf
Heksa peptīds polikondensēšanas reakcijā N-termināls Val-Ser-Tyr-Cys-Gly-Lys-C-termināls
NH
H
OC C
CHCH3 CH
3
NH
H
OCC
CH2
O H
O H
OCN+
H
H
CH
CH2N
+H
H
OCCH
CH2
HS
ON+
H CH
C
O
HH
H N+
H
H
N+
H
CH
CH2
CH2
CO
O
CH22HC
H
H
NH C C NH
CC C NH
H
C C NH
CH2
S
C C NH
C
CHCH
3 CH3
C NH
CH2
O
C
OH
H H
O H
CH2
N+
H
CH2
CH2CH
22HCH
HOH
H
+ + +
+ 5hidrolize-
Valīns....Serīns......Tirozīns Cisteīns Glicīns Lizīns +H3N-Val Ser Tyr Cys Gly Lys-COO-
Sekundārā (otrējā) 2º struktūra
Linus Polings (Pauling) un Roberts Koreis (Corey) 1939. parādīja, ka lielākā konformācijas stabilitāte ir, ja (1) visi atomi peptīdu saitēs atrodas vienā plaknē un(2) katra amīda grupa ir ūdeņraža-saistīta starp vienas peptīda saites
>N—H ar otras peptīda saites O=C< grupu.
1. Alfa spirāle savijas pulksteņa rādītāja vai labās rokas virzienā. Labā roka nozīmē, ka spirāle savijas pulksteņa rādītāja virzienā
O
C
N
HO
C
N
H
N-termināls─+NH3
aminoskābe sākuma gals
α
α
α
α
α
αC
Polings un Koreis parādīja molekulāro modeļu-uzbūvē, ka divi raksturīgi virknes salocīšanās veidi ir stabīli:
α-spirāles un anti paralēlās β-izklājuma plāksnītes.α-spirāles
O CN H
5. lapas puse : http://aris.gusc.lv/NutritionBioChem/32ProteinsLatC.pdf
Olbaltumvielas
Labā roka nozīmē, ka spirāle savijas pulksteņa rādītāja virzienā prom no novērotāja. Tā kā koka vai metāla skrūves labā vītne.
2. Spirāles vienā vijuma pagriezienā ir 3.6 aminoskābes.3. Katra peptīdu saite ir trans un plakana.
4. >N-H grupa peptīda saitē vērsta anti paralēli spirales asij augšup;bet >C=O karbonila grupa vērsta lejup, paralēli spirales asij.
5. Karbonila grupa peptīda saitē ir ūdeņraža-saistīta ar >N-H grupučetras 4 aminoskābju vienības uz priekšu no >C=O.
6. Visas R— grupas vērstas prom no spirales.
N
C termināla aminoskābe polipeptīda virknes beigās ar brīvu karboksila grupu
COO─
5 Å
1.5 Å
α
α
α
OC
NH
β-izklājuma plāksnītesizstiepta polipeptīdu virkne ar pretējā virzienā (anti paralēli) skrejošu kaimiņa virkni. Atšķirīgi no α-spirāles izkārtojuma, >N-Hun >C=O grupas atrodas plāksnē un ir aptuveni perpendikulāri garajām polipeptīdu asīm plaknē. >C=O grupas katrā peptīda saitē ir ūdeņraža-saistīti ar >N-H grupublakus virknē >C=O- - -H—N<.
H3+N— Amino termināls ——→ Polipeptīda virkne ——→ Karboksil termināls —COO-
6. lapas puse : http://aris.gusc.lv/NutritionBioChem/32ProteinsLatC.pdf
Olbaltumvielas Sekundārā (otrējā) 2º struktūra
blakus virknē >C=O- - -H—N<.-OOC— Karboksil termināls ←—— Polipeptīda virkne ←—— Amino termināls —+NH3
1. Divas polipeptīdu virknes atrodas blakus un stiepjas pretējos (anti paralēlos) virzienos.
2. Katra peptīdu saite ir trans un plakana.3. Polipeptīdi ir virknes no plakanām atomu sekcijām saistītas pie aminoskābju α-oglekļiem.
4. Peptīdu saišu >C=O un N-H grupas no blakus virknes izvirzītas viena pie otras un atrodastajā pašā plaknē, tā kā ūdeņraža saites starp blakus virknēm stabilizē β-plāksnīti.
5. R - grupas pamīšus virs un zem β-izklājuma plāksnes.
β-izklājuma plāksnes konformācija stabilizējas ar ūdeņraža saitēm starp N-H un C=O grupām blakus virknēs >C=O- - -H—N<.
Salīdzinājumā α-spirāles stabilizējas ar ūdeņraža saitēm starp > N—H un >C=O grupām tajā pašā polipeptīdu virknē.
Trešējā (terciārā) 3º struktūra
Trešējā 3º struktūra ir sekundārās struktūras vienību salocīšanās trīs-dimensionālā izkārtojumā, kuru atbalsta pieci starp molekulārie spēki
Ca2+
N+
HH
H
CAsn
O
N H
H
Asp
Ser
C
O
O
Lys
Phe
Glu
Phe
C
O
Cys
Glu
Cys S S
C
O
O
H
O O
(H )O2 4
(H )O2 4
starp O un N atomiem
2. Sāls tiltiņš
5. Disulfīda saite3. Hidrofobā saite
4. Koordinatīvā saiteAspCOO-...+H3NLys
CysSSCys
1.Ūdeņraža saite
:NCH2
-
1. lapas puse : http://aris.gusc.lv/BioThermodynamics/4HydrogenBondL.pdf3. lapas puse : http://aris.gusc.lv/NutritionBioChem/38Olbalt10311.pdf7. lapas puse : http://aris.gusc.lv/NutritionBioChem/32ProteinsLatC.pdf
Olbaltumvielas
starp O un N atomiemūdeņraža atoms H
CysSSCys(H2O)4→← (H2O)4
ūdens saspiež kopā nepolāros aminoskābju
atlikumus
ūdeņraža akceptors
O
O
H
N
O
H
O
O
H
O
NH
N
NH
O
NH
ūdeņraža donors N
:N
CH2
H
N
:N
Fe2+
CH3
OO
N
CH3
CH2
CH3
CH2
:N
CH3
O
ONH
OO
globinsoksi
globins
-
-
koordinatīvā donoru akceptoru saite kalcija jons arkarboksil grupām -COO:→□Ca2+
□←:OOC- vaidzelzs(II) jons hēma centrā →□Fe2+□←
Mioglobīnu veido 153 aminoskābju secība pirmējā 1º struktūra Val1 līdz Gly153. Hēms saistīts globīna kabatā ar histidīnu 93 proksimālo un histidīna distālo 64 aminoskābi.
4. Sāls tiltiņš lizīna amīnu —NH3+ pievelk glutamīnskābes karboksila —COO- grupai.
J. C. Kendrew,
1. 153 aminoskābju αC mugurkaulu (backbone) veido 8 α-spirāles A,B,C,D,E,F,G,H salocītas trešējā 3º struktūrā. H α-spirālē ir 23 aminoskābes, D ir 7. 75% aminoskābes ir 8 α-spirālēs.
Hidrofobie spēki saloka mioglobīnu 3º trešējā struktūrā apņemot hēmu.
2. Hidrofobās sānu virknes: fenilalanīns, alanīns, valīns, leicīns, izoleicīns un metionīns veido hēma kabatas klasteri izolē skābekli O2 no kontakta ar ūdeni H2O un ar hidroksonija jonu H3O
+.Jūtīgais oksideoksi līdzsvars citosola skābekļa koncentrācijai [O2aqua] =1.5·10-5 M .
3. Mioglobīna apvalks hidrofīlās sānu virknes: lizīns, arginīns, serīns, glutamīnskābe, histidīns un glutamīns ūdens vidē ar hidrāta apvalku. 8. lapas puse : http://aris.gusc.lv/NutritionBioChem/32ProteinsLatC.pdf
GluCOO-...+H3NLysH
+:N
H C H Odeprotonets- CH2 Hprotons
satvertais
sals tiltins-,
v
J. C. Kendrew,veiktie pētījumi apbalvoti ar Nobeļa prēmiju
ķīmijā 1963. gadā
N
:N
CH2
H
H
N
:N
Fe2+
CH3
O ON
CH3
CH2
CH3
CH2
:N
CH3
O
O
NH
H2C
OO
N+
H
H
HO H
C
O
O
oksi
His93
His64
deprotonets
globin
N
:N
CH2
H
N
:N
Fe2+
CH3
O ON
CH3
CH2
CH3
CH2
:N
CH3
O
O
:N+H
N
H
CH2
N+
H
H
H
O H
C
O
Odeoksi
His93
His64
globins-
sals tiltins,
Ceturtējā (Quaternary) 4º struktūra
Hemoglobīnu veido 4 sintezēti olbaltumvielu mono mēri - sub vienības: α1, α2 141 aminoskābes virknē un β1, β2 146 aminoskābes virknē. Ar pieciem 5 starp molekulāriem spēkiem sasaistotkopā ar plakaniem hēma diskiem četras hēma kabatas.
beta virknesAtbildīgās stabilizējošās mijiedarbības olbaltumvielučetru sub vienību saistīšanai ir hidrofobā un desmit 10sals tiltiņi atbalstot oksi-deoksi venozā skābekļa
koncentrācijas [O2aqua]=1.85·10-5M jūtīgu līdzsvaru kā konformācijas izmaiņas uz deoksi stāvokli. 1 - α1Arg141COO-...H3
+Nα2Val1,2 -α1Arg141COO-...H3
+Nα2Lys127,3 -α2Arg141 NH3
+...-OOC α1Asp126,4 -β2Asp94COO-...H3
+Nβ2His146,
9. lapas puse : http://aris.gusc.lv/NutritionBioChem/32ProteinsLatC.pdfOlbaltumvielas
alfa virknes
4 -β2Asp94COO-...H3+Nβ2His146,
5 -β2His146COO-...H3+Nα1Lys40,
3. Hidrofobās saites - mijiedarbība
(H2O)4→← (H2O)4 ūdens tetra mērs saspiež kopā nepolāros aminoskābju atlikumus
Sirpjveida šūnu hemoglobīns SC pretojasmalārijai. Hidrofobas virsmas saspiežas izslēdzot ūdeni izsauc salipšanu. Val6 β virknē
salīp ar Ala70 un Leu88.
Ceturtējā 4º struktūra Venozo asiņu hemoglobīnam ir desmit sāls tiltiņi
α1, α2, β1 un β2 virknes saista negatīvi lādētas karbonskābes COO- un pozitīvi lādētas amonija H3
+N funkcionālās grupas. Koncentrācija [O2aqua] =1.85·10-5 M atbalsta10 sāls tiltiņus deoksi hemoglobīnā un 8 ar 2,3-bisfosfo glicerātu.
1 - α1Arg141COO-...H3+Nα2Val1,
2 - α2Arg141COO-...H3+Nα1Val1,
3 - α1Arg141COO-...H3+Nα2Lys127,
4 - α2Arg141COO-...H +Nα1Lys127,
C
C
O
O
O
O
O
OOP
C
P O
O
O
H
H
H
N+
H
H
H
Lys82
beta2
N+
H
H
H
Lys82
beta1
His2
beta2
:N+H
NH
CH2 His
143
:N+H
NH
CH2
:N+H
CH2
His143
:N+H
N H
CH2
+H
H
Val beta
N+
H
H
H
Val1
beta2
beta2
beta1
Olbaltumvielas
alfa virknes
beta virknes
4 - α2Arg141COO-...H3+Nα1Lys127,
5 - α2Arg141N+H3...-OOCα1Asp126,
6 - α1Arg141N+H3...-OOCα2Asp126,
7 - β2Asp94COO-...H3+N β2His146,
8 - β1Asp94COO-...H3+N β1His146,
9 - β2His146COO-...H3+N α1Lys40,
10- β1His146COO-...H3+N α2Lys40,
OHis
2beta
1
NH
CH2
N+H
H
Val1
beta1
Deoksi hemoglobīna komplekss ar 2,3-bisfosfo glicerātu
sāls tiltiņi
Denaturācija
Denaturāciju izsauc mehāniska-fizikāla iedarbība, izņemot disulfīda un koordinatīvo saišusaraušanu. Denaturācijas izmaiņu pamatā ir sekundārās, trešējās vai ceturtējās struktūras noārdīšana, saraujot nekovalentās starp molekulārās mijiedarbības spēkus :
1. Karsēšana. Globulārās olbaltumvielas denaturējas, ja karsē virs T > 50-60º C. Piemēram, vārot vai cepot olas baltums un dzeltenuma olbaltumvielas denaturējas nešķīstošā masā.
2. Stipras pH izmaiņas. Koncentrētas skābes vai sārma pievienošana skābju un bāzu grupu jonizēšanos virknēs un sāls tiltiņi veido izmaiņas olbaltumvielā. Piemēram, klīniskajos testos, kur nepieciešams vispirms attīrīt no olbaltumvielām, pievieno trihloretiķskābi (stipru organisku skābi). Tā denaturē un izgulsnē katru olbaltumvielu paraugā.
3. Detergenti. Olbaltumvielu apstrāde ar virsmas aktīvām vielām (VAV): nātrija dodecilsulfāts (sodium dodecylsulfate SDS), Detergenti izraisa dabisko konformāciju attīšanos un pievērš
12. lapas puse : http://aris.gusc.lv/NutritionBioChem/32ProteinsLatC.pdfOlbaltumvielas
(sodium dodecylsulfate SDS), Detergenti izraisa dabisko konformāciju attīšanos un pievērš nepolārās sānu virknes ūdens videi. Tās tad stabilizējas hidrofobā mijiedarbībā ar ogļūdeņražu virknēm detergentā.
4. Organiskie šķīdinātāji tādi kā etanols, acetons vai citi.
5. Mehāniskā apstrāde. Globulārās olbaltumvielas denaturējas ūdens šķīdumā, ja maisa vai krata enerģiski. Piemēram, saputotas olas baltums cepot bezē biskvītus vai pudiņu.
6. Urīnviela un guanidīna hidrohlorīds izraisa ūdeņraža un hidrofobās saišu pārtrūkšanu . Tā kā urīnviela ir maza molekula ar augstu polaritātes pakāpi un tā ir labi šķīstoša ūdenī. Lieto 8M urīnvielas (480 g/L ūdens)šķīdumu, lai denaturētu olbaltumvielas. Guanidīnu iegūst no urīnvielas. kurā >C=O aizvietots ar =NH.Guanidīns ir stipra bāze un reaģē ar HCl veidojot sāli guanidīna hidrohlorīdu.
Denaturācija daļēja vai pilnīga un atgriezeniska vai neatgriezeniska
Piemēram, hormons insulīns denaturēts ar 8M urīnvielu reducējot trīs disulfīda saitesCys-S-S-Cys dod sešas brīvas Cys-SH grupas. Ja pārtrauc reducēšanu un disulfīda saitesreģenerē ar oksidēšanu, rezultējošā molekula ir par 1% mazāk bioloģiski aktīva. Denaturācija irpilnīga un praktiski neatgriezeniska.
Piemērā ar ribonukleāzi enzīmu, kuru veido polipeptīdu virkne no 124 aminoskābēm, salocītas kompaktā trīs-dimensionālā struktūrā stabilizēts ar četrām disulfīda saitēm Cys—S—S—Cys.Apstrādājot ribonukleāzi ar urīnvielu molekula atvijas vaļā, jo disulfīda saites reducējas par tiola grupām Cys—SH. Denaturētai ribonuklāzei nav bioloģiskās aktivitātes. Ja pārtrauc reducēšanuun tiola grupas Cys—SH reoksidētas par disulfīda saitēm Cys-S-S-Cys, olbaltumvielai atjaunojastās bioloģiskā aktivitāte. Denaturācija ir pilnīga bet atgriezeniska.
Olbaltumvielas
HS+ 8H + 8e
+ -1
1
26
26
84
8465
72
72
65
100
95
95
40
40
58
58
100
Natural Biologicaly active ribonuclease
Denatured Reduced ribonuclease
SH
HS
HS
HS
HS
HS
SH
