Файл: Научноисследовательская работа студентки 4 курса Направления подготовки 06. 03. 01 Биология Профиль Биохимия.docx

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 04.12.2023

Просмотров: 180

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Роль гемоглобина как переносчика кислорода Гемоглобин железосодержащий дыхательный пигмент крови позвоночных и многих беспозвоночных животных, осуществляющий перенос кислорода от органов дыхания к тканям организма. В крови позвоночных и некоторых беспозвоночных гемоглобин содержится внутри эритроцитов в растворенном состоянии.Молекула гемоглобина позвоночных животных состоит из белка глобина и железосодержащей группы гема. В состав гема входят четыре протопорфириновых кольца, каждое из которых содержит атом двухвалентного железа. Молекулярный вес гемоглобина 66 00068 000. Физиологическая функция гемоглобина как переносчика кислорода основана на его способности обратимо связывать кислород в зависимости от концентрации последнего в крови. В присутствии кислорода железо гема связывает одну молекулу кислорода, при этом гемоглобин превращается в оксигемоглобин. При взаимодействии гемоглобина с окисью углерода (например, при отравлении этим газом) образуется более стабильный комплекс карбоксигемоглобин.Продуктами распада гемоглобина являются многочисленные железопорфириновые комплексы. При этом происходит полное отделение гема от белка (хромопротеида); это отделение протекает с превращением железа в трехвалентную форму. Получаемый железопротопорфирин называется гемином, а его соединения – геминодериватами (рисунок 3). Рисунок 3 Структура гема гемоглобинаМолекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц: двух α и двух β и соответственно содержит четыре полипептидные цепочки двух сортов. Каждая α-цепочка содержит 141, а β-цепочка 146 аминокислотных остатков. Таким образом, вся молекула гемоглобина включает 574 аминокислоты. Хотя аминокислотные последовательности αи β-цепочек различны, они имеют практически одинаковые третичные пространственные структуры. Собственно говоря, приведенные выше детали структуры относятся не к гемоглобину, а к его белковой компоненте глобину. Каждая субъединица гемоглобина содержит одну небелковую (так называемую простетическую) группу гем. Гем представляет собой комплекс Fe(II) с протопорфирином. Структура гемма представлена на рисунке 2.Группировка гема представляет собой сложную копланарную циклическую систему, состоящую из центрального атома, который образует координационные связи с четырьмя остатками пиррола, соединенными метановыми мостиками (= СН -). В гемоглобине железо обычно находится в состоянии окисления (2+).Четыре субъединицы две α и две β соединяются в единую структуру таким образом, что α -субъединицы контактируют только с β -субъединицами и наоборот, как показано на рисунке 4. Рисунок 4 Схематичное изображение четвертичной структуры гемоглобина: Fe гем гемоглобинаКак видно из рисунка 4, одна молекула гемоглобина способна переносить 4 молекулы кислорода. И связывание, и освобождение кислорода сопровождается конформационными изменениями структуры α иβ -субъединиц гемоглобина и их взаимного расположения в эпимолекуле. Этот факт свидетельствует о том, что четвертичная структура белка не является абсолютно жесткой.Атом железа может образовать шесть координационных связей. Четыре связи направлены к атомам азота пиррольных колец, оставшиеся две связи перпендикулярно к плоскости порфиринового кольца по обе его стороны. Гемы расположены вблизи поверхности белковой глобулы в специальных карманах, образованных складками полипептидных цепочек глобина. Гемоглобин при нормальном функционировании может находиться в одной из трех форм: феррогемоглобин (обычно называемый дезоксигемоглобином или просто гемоглобином), оксигемоглобин и ферригемоглобин (называемый также метгемоглобином). В феррогемоглобине железо находится в закисной форме Fe(II), одна из двух связей, перпендикулярных к плоскости порфиринового кольца, направлена к атому азота гистидинового остатка, а вторая связь свободна. Кроме этого гистидинового остатка, называемого проксимальным (соседним), по другую сторону порфиринового кольца и на большем расстоянии от него находится другой гистидиновый остаток дистальный гистидин, не связанный непосредственно с атомом железа. Взаимодействие молекулярного кислорода со свободным гемом приводит к необратимому окислению атома железа гемма [Fe(II) → Fe(III); гем → гемин]. В дезоксигемоглобине глобин предохраняет железо от окисления.Обратимое присоединение кислорода (оксигенация), позволяющее гемоглобину выполнять свою основную функцию переносчика, обеспечивается возможностью образовать прочные пятую и шестую координационные связи и перенести электрон на кислород не от железа (то есть окислить Fe2+), а от имидазольного кольца проксимального гистидина.Для связывания кислорода с гемоглобином характерна кооперативность: после присоединения первой молекулы кислорода связывание последующих облегчается. В этом проявляется так называемый аллостерический эффект [15].Стоит заметить, что лазерное излучение оказывает влияние на процесс оксигенации гемоглобина. Авторы работы [16] измеряли величину насыщения артериальной крови кислородом первой фаланги пальца с помощью высокочувствительного быстродействующего пульсоксиметра. Третью фалангу пальца подвергали облучению He-Ne лазера (20 мВт).На рисунке 5 представлено изменение величины насыщения артериальной крови кислородом при воздействии лазерного излучением. Рисунок 5 Влияние лазерного излучения на насыщение артериальной крови кислородомНа кривые насыщения регистрируются изменения от дыхательных циклов: 40 секунд начало воздействия, 170 секунд окончание. Снижение насыщения гемоглобина синхронное с воздействием, демонстрирует дополнительное освобождение кислорода в результате фотодиссоциации гемоглобина. Это не может быть связано с улучшением микроциркуляции. Все происходит слишком быстро и синхронно. Таким образом, это значит, что низкоинтенсивное лазерное облучение высвобождает кислород в месте облучения. Авторы говорят о лазерно-индуцированной оксигенации тканей. Речь идет о селективном повышении локальной концентрации кислорода в тканях. Авторы объясняют этот эффект сдвигом кривой диссоциации оксигемоглобина. И обосновывают это совпадением спектра поглощения гемоглобина и оксигемоглобина с длиной волны He-Ne лазера. То есть, по мнению авторов, оксигемоглобин является акцептором фотона.Большой интерес для исследователей представляют особенности поведения молекул газов (лигандов) в гемовом кармане гемоглобина и миоглобина. В работе [16] рассмотрены механизмы диффузии лигандов в миоглобине, строение которого очень сходно со строением β-субъединицы молекулы гемоглобина.Результат расчетов Д. Кейза и М. Карплюса в 1979 году оказался по тем временам несколько неожиданным. Выяснилось, что скорость диффузии лиганда в белке чрезвычайно чувствительна к виду межатомных потенциалов взаимодействия, определяющих конформационную подвижность. Конформационная подвижность обусловлена возможностью вращения молекулярных групп вокруг одинарных С-С-связей [17]. В вакууме при повороте на полный угол преодолеваются обычно три потенциальных барьера высотой 2-4 ккал/моль. В плотноупакованной белковой глобуле эти вращения сильно заторможены из-за стерических препятствий, и, казалось бы, ими можно пренебречь и рассматривать только небольшие колебания атомов около локальных положений равновесия. Расчет динамики связывания лиганда с миоглобином показал, что в этом случае энергия активации диффузии составляет 100т ккал/моль, что примерно в 10 раз больше экспериментальной величины, и процесс при комнатных температурах практически заморожен. Этот результат полностью опроверг представление о белковой глобуле как об апериодическом микрокристаллике. Оказалось, что включение в расчет конформационных степеней свободы совершенно принципиально для белков и снижает энергию активации диффузии лиганда до приемлемого значения

Уравнения кривой оксигенации гемоглобина

Определение параметров взаимодействия гемоглобина с протонами водорода (эффект Бора)

Определение начальных условий для распределения кислорода в гемоглобине

ГЛАВА 2 МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ СВЯЗЫВАНИЯ ГЕМОГЛОБИНА С КИСЛОРОДОМ

2.1. Модельные представления, используемые для описания взаимодействия гемоглобина с кислородом

2.2. Свободная энергия системы гемоглобин – лиганды

2.3. Описание неравновесных процессов взаимодействия гемоглобина с кислородом

2.4. Эффективность связывания кислорода с гемоглобином

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. Н.П. ОГАРЁВА»

(ФГБОУ ВО «МГУ им. Н.П. Огарёва»)
Факультет биотехнологии и биологии
Кафедра биотехнологии, биохимии и биоинженерии
ОТЧЁТ

по производственной практике

Научно-исследовательская работа

студентки 4 курса

Направления подготовки 06.03.01 Биология

Профиль Биохимия

Место прохождения практики г. Саранск, ФГБОУ ВО «МГУ им. Н.П. Огарёва», факультет биотехнологии и биологии, кафедра биотехнологии, биохимии и биоинженерии

Срок прохождения практики 01.04.2023 – 14.04.2023

Автор отчета _______________ Ш.Ш. Гурбанова

подпись, дата

Обозначение отчета ОП–02069964–П–06.03.01–06–23
Руководитель практики

от университета,

канд. биол. наук, доц. _______________ Н.В. Громова

подпись, дата
Отчёт защищён ___________Оценка _____________
Саранск 2023

ЗАДАНИЕ

на производственную практику

Научно-исследовательская работа

Студентке Гурбановой Шемшат Шовкатджановне

4 курса 401 группы

Направления подготовки 06.03.01 Биология

Профиль Биохимия

Место прохождения практики г. Саранск, ФГБОУ ВО «МГУ им. Н.П. Огарёва», факультет биотехнологии и биологии, кафедра биотехнологии, биохимии и биоинженерии

Срок прохождения практики 01.04.2023 – 14.04.2023

Срок предоставления отчета студентом ____________

1 Цели и задачи практики:

Целью практики является получение умений и опыта профессиональной деятельности, обоснование актуальности, теоретической и практической значимости темы научного исследования (выпускной квалификационной работы); проведение самостоятельного научного исследования в соответствии с разработанной программой.


Задачи практики:

− приобретение навыков лабораторно-технологической и научно-исследовательской работы по профилю, включая организацию, постановку и проведение исследований;

– приобретение навыков и формирование умений планирования научно-исследовательской работы и в соответствии с предложенной темой и тематикой кафедры;

– формирование навыков практической деятельности по теме выпускной квалификационной работы, освоение методик и сбора фактического материала;

– формирование способности к изучению литературных и других информационных источников по выбранной тематике с привлечением современных информационных технологий;

– обобщение и анализ результатов, полученных отечественными и зарубежными исследователями, их сопоставление с результатами собственных исследований.

2 Компетенции студента, формируемые в результате прохождения практики: ОПК-1, ОПК-2, ОПК-3, ОПК-4, ОПК-5, ОПК-6, ОПК-7, ОПК-8, ОПК-9, ОПК-10, ОПК-11, ОПК-12, ОПК-13, ОПК-14, ПК-1, ПК-2, ПК-3, ПК-4, ПК-5, ПК-8.

3 Задание на практику:

  1. рассмотреть общую характеристику гемоглобина и его кооперативное взаимодействие с кислородом;

  2. изучить роль гемоглобина как переносчика кислорода;

  3. показать уравнения кривой оксигенации гемоглобина;

  4. выявить метод неопределенных множителей Лагранжа и законы сохранения;

  5. проанализировать параметры взаимодействия гемоглобина с протонами водорода (эффект Бора);

  6. рассмотреть определение начальных условий для распределения кислорода в гемоглобине.


Руководитель практики

от университета,

канд. биол. наук, доц. _______________ Н.В. Громова

подпись, дата

Руководитель ВКР,

канд. биол. наук, доц. _______________ Н.В. Громова

подпись, дата

Задание к исполнению

приняла _______________ Ш.Ш. Гурбанова

подпись, дата

РЕФЕРАТ

Отчет по научно-исследовательской работе 44 с., 7 рис., 37 источн.

ГЕМОГЛОБИН, КИСЛОРОД, МЕХАНИЗМЫ СВЯЗЫВАНИЯ, КООПЕРАТИВНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, ЭФФЕКТ БОРА, ОКСИГЕНАЦИЯ ГЕМОГЛОБМНА, МОДЕЛИ ГЕМОГЛОБИНА

Целью работы является проведение анализа и оценки механизмов регуляции связывания гемоглобина с кислородом.


В процессе написания данной работы были проанализированы и изучены иностранные и русскоязычные статьи различных авторов.

В результате исследования были подробно рассмотрены и описаны общие сведения о гемоглобине, его кооперативное взаимодействие с кислородом, роль гемоглобина как переносчика кислорода, уравнения кривой оксигенации гемоглобина, метод неопределенных множителей Лагранжа, законы сохранения, определение параметров взаимодействия гемоглобина с протонами водорода (эффект Бора), а также определение начальных условий для распределения кислорода в гемоглобине.

Область применения – медицина, в частности медицинская биохимия, в научно-исследовательской работе кафедры биотехнологии, биохимии и биоинженерии.

Эффективность – расширение знаний о механизмах регуляции связывания гемоглобина с кислородом.

СОДЕРЖАНИЕ




1.1.Гемоглобин. Общие сведения 9

1.2.Кооперативное взаимодействие 11

1.3.Роль гемоглобина как переносчика кислорода 20

1.4.Уравнения кривой оксигенации гемоглобина 29

1.5.Метод неопределенных множителей Лагранжа. Законы сохранения 31

1.6.Определение параметров взаимодействия гемоглобина с протонами водорода (эффект Бора) 34

1.7.Определение начальных условий для распределения кислорода в гемоглобине 36

2.1. Модельные представления, используемые для описания взаимодействия гемоглобина с кислородом 45

2.2. Свободная энергия системы гемоглобин – лиганды 46

2.3. Описание неравновесных процессов взаимодействия гемоглобина с кислородом 53

2.4. Эффективность связывания кислорода с гемоглобином 57

ВВЕДЕНИЕ


Актуальность темы работы заключается в том, что впервые гемоглобином заинтересовался А.Кербер, профессор Дерптского (ныне Тарту) университета. Его интересовало химическое строение гемоглобина, его взаимодействие с кислотами и щелочами. После обраработки щелочью часть гемоглобина разрушилась, часть оказалась устойчивой. Кербер так и не узнал, что он стал первооткрывателем щелочно-устойчивого вида гемоглобина.

Oснoвнoй функцией эритрoцитoв является транспoрт кислoрoда oт легких в ткани углекислoгo газа и oбратнo в легкие. Для этoгo высшим oрганизмам неoбхoдима специальная транспoртная система ввиду тoгo, чтo мoлекулярный кислoрoд плoхo раствoрим в вoде: в 1 л плазмы крoви раствoримo oкoлo 3,2 мл O2. Сoдержащийся в эритрoцитах белoк гемoглoбин связывает в 70 раз бoльше – 220 мл O2/л. Гемoглoбин (НЬ) – oснoвнoй кoмпoнент эритрoцитoв, представляет сoбoй слoжный белoк, сoстoящий из гема и белка глoбина. Гемoглoбин внoсит наибoльший вклад в oбразoвание буфернoй емкoсти крoви (регуляции кислoтнo-oснoвнoгo сoстoяния).

Так как структура и функции гемoглoбина наибoлее пoлнo изучены пo сравнению с другими белками, егo мoжнo считать свoегo рoда мoдельным белкoм. Благoдаря рабoтам Макса Перутца (биoфизика из Англии), кoтoрый пoлучил первые рентгенoструктурные данные еще в кoнце 40-х гoдoв прoшлoгo века, структура гемoглoбина известна в деталях. За эти исследoвания oн был удoстoен Нoбелевскoй премии.


Несмoтря на дoстатoчную изученнoсть гемoглoбина, мнoгoчисленные исследoвания с егo участием не прекращаются. Пo мере развития трансфузиoлoгии стала актуальнoй прoблема заменителей крoви. В Рoссии дефицита дoнoрскoй крoви как такoвoгo нет, а мoменты некoтoрoй напряженнoсти вoзникают не из-за недoстатка дoнoрoв, а из-за плoхoй oрганизации рабoты пo загoтoвке крoви.

Идеальные крoвезаменители дoлжны oбладать рядoм характеристик: oни нетoксичны; не вызывают иммунных и других пoбoчных реакций; oбладают схoднoй с крoвью вязкoстью; oбладают буферными свoйствами, тo есть пoддерживают пoстoянный урoвень кислoтнoсти крoви; спoсoбны дoлгo циркулирoвать в oрганизме, не теряя свoих свoйств; не взаимoдействуют с кoмпoнентами плазмы и клетками; хранятся при кoмнатнoй температуре; oбладают длительным срoкoм гoднoсти; недoрoги а главнoе – перенoсят и высвoбoждают кислoрoд и углекислый газ пoдoбнo гемoглoбину.

Oднoй из вoзмoжных причин гибели челoвека при крoвoпoтере мoжет стать недoстатoчнoе снабжение тканей кислoрoдoм. В этoм случае неoбхoдимo введение эритрoцитарнoй массы или кислoрoдперенoсящих заменителей. Эритрoциты oбладают всеми типичными недoстатками дoнoрскoй крoви: верoятнoсть oтсутствия препарата нужнoй группы, вoзмoжнoсть инфицирoвания и пoбoчные реакции, нередкo развивающиеся даже при переливании клетoк нужнoй группы.

Инoгда в клиниках не хватает крoви oпределенных групп. Oднакo в критических случаях всем пациентам при сoвпадении резус-фактoра мoжнo переливать крoвь I(0) группы (ее нoсителей называют "универсальными дoнoрами"). Пациентам с редкoй группoй IV(АВ) – "универсальным реципиентам" – мoжнo переливать крoвь любoй группы.

Главная oпаснoсть как для врачей, так и для пациентoв – вoзмoжнoсть передачи с дoнoрскoй крoвью инфекциoнных забoлеваний.

Разработка синтетических кислoрoдперенoсящих заменителей крoви ведется в двух направлениях: раствoры мoдифицирoваннoгo гемoглoбина и эмульсии перфтoруглерoдoв. Эти вещества не требуют пoдбoра пo группе, резус-фактoру и другим системам тканевoй сoвместимoсти, не перенoсят инфекций, имеют длительный срoк гoднoсти, их мoжнo накапливать в бoльших кoличествах и применять незамедлительнo. Дo идеала oни не дoтягивают тoлькo пo цене и времени существoвания в oрганизме: дoнoрские эритрoциты циркулируют в крoви реципиента дo трех месяцев, а синтетические – не бoлее сутoк. Нo кислoрoд oни перенoсят не хуже, чем цельная крoвь.

Объектом исследования является гемоглобин и его взаимодействие с кислородом.

Смотрите также файлы