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: 185

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


2.4. Эффективность связывания кислорода с гемоглобином


Эффективность связывания кислорода с гемоглобином регулируется Кооперативное взаимодействие

Взаимовлияние протомеров олигомерного белка друг на друга называется кооперативное взаимодействие.

В легких такое взаимодействие субъединиц гемоглобина повышает его сродство к кислороду и ускоряет присоединение кислорода в 300 раз. В тканях идет обратный процесс, сродство снижается и ускорение отдачи кислорода также 300-кратное.



Рисунок 15 – Схема кооперативного взаимодействия субъединиц гемоглобина

Объясняется такой феномен тем, что в легких при присоединении первой молекулы кислорода к железу (за счет 6-й координационной связи) атом железа втягивается в плоскость гема, кислород остается вне плоскости. Это вызывает перемещение участка белковой цепи и изменение конформации первого протомера. Такой измененный протомер влияет на другие субъединицы и облегчает связывание кислорода со второй субъединицей. Это меняет конформацию второй субъединицы, облегчая присоединение последующих молекул кислорода и изменение других протомеров.



Рисунок 16 – Изменение формы субъединиц гемоглобина
при присоединении и отщеплении кислорода

Дезоксиформа гемоглобина обозначается как Т-форма, напряженная (англ. tense), она обладает существенно более низким сродством к кислороду. Оксигенированная форма, или R-форма (англ. relaxed), обладает высоким сродством к кислороду.

Изменение рН среды

Влияние рН на сродство гемоглобина к кислороду носит название эффекта Бора. При закислении среды сродство снижается, при защелачивании – повышается.

При повышении концентрации протонов (закисление среды) в тканях возрастает освобождение кислорода из оксигемоглобина. В легких после удаления угольной кислоты (в виде СО2) из крови и одновременном увеличении концентрации кислорода высвобождаются ионы Н+ из гемоглобина.

Реакция взаимодействия кислорода с гемоглобином упрощенно имеет вид:




Изменение сродства гемоглобина к кислороду в тканях и в легких при изменении концентрации ионов H+ и О2 обусловлено конформационными перестройками глобиновой части молекулы. В тканях молекула О2 отрывается от железа и ионы водорода присоединяются к остаткам гистидина (глобиновой части), образуя восстановленный гемоглобин (H-Hb) с низким сродством к кислороду. В легких поступающий в больших количествах кислород "вытесняет" ион водорода из связи с остатком гистидина гемоглобиновой молекулы.



Рисунок 17 – Механизм эффекта Бора

Роль 2,3-дифосфоглицерата

2,3-Дифосфоглицерат образуется в эритроцитах из 1,3-дифосфоглицерата, промежуточного метаболита гликолиза, в реакциях, получивших название шунт Раппопорта.



Рисунок 18– Реакции шунта Раппопорта

2,3-Дифосфоглицерат располагается в центральной полости тетрамера дезоксигемоглобина и связывается с β-цепями, образуя поперечный солевой мостик между атомами кислорода 2,3-дифосфоглицерата и аминогруппами концевого валина обеих β-цепей, также аминогруппами радикалов лизина и гистидина.



Рисунок 19 – Расположение 2,3-дифосфоглицерата в гемоглобине

Функция 2,3-дифосфоглицерата заключается в снижении сродства гемоглобина к кислороду, что имеет особенное значение при подъеме на высоту и при нехватке кислорода во вдыхаемом воздухе. В этих условиях связывание кислорода с гемоглобином в легких не нарушается, так как концентрация его относительно высока. Однако в тканях за счет 2,3-дифосфоглицерата отдача кислорода возрастает в 2 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ


Зависимость степени заполнения гемоглобина кислородом в эритроцитах от времени для процесса оксигенации. Точки -экспериментальные данные. Кривые моделирование. 1на 1ь чальная степень заполнения гемоглобина кислородом 90%.


Зависимость степени заполнения гемоглобина кислородом в эритроцитах от времени для процесса дезоксигенации. Символы экспериментальные данные для различного начального заполнения гемоглобина кислородом. Кривые моделирование.

Исследование кинетики взаимодействия гемоглобина с кислородом при различных физиологических условиях.

Как было показано раньше, предложенная модель позволяет получать кинетические зависимости оксигенации и дезоксигенации гемоглобина при различных температурах, давлениях углекислого газа и кислотности крови.

Реакция оксигенации экзотермическая, то есть происходит с выделением тепла. Следовательно, реакция диссоциации происходит с поглощением тепла. Согласно принципу Ле-Шателье, при нагревании гемоглобинового раствора в нем должно происходить отщепление кислорода от гемоглобина с одновременным поглощением тепла [7]. Аналогичным образом охлаждение гемоглобинового раствора вызывает увеличение степени насыщения гемоглобина кислородом, так как при реакции оксигенации происходит выделение тепла, которое согласно принципу Ле-Шателье должно ослаблять влияние внешнего воздействия.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


  1. Багненкo С.Ф., Шлык И.В., Батoцыренoв Б.В., Резник O.Н., Драчук А.В., Пушкин С.Ю., Масленникoв И.А., Бoндарь O.Г. Фармакoэкoнoмическая oценка применения лекарственнoгo средства перфтoран в клиническoй практике. Вестник службы крoви Рoссии, № 2, июнь 2015 с. 49-55.

  2. Блюменфельд Л.А. Гемoглoбин. Сoрoсoвский oбразoвательный журнал, 2014 №4, с. 33-38.

  3. И.Тодоров, Клинические лабораторные исследования в педиатрии, "Медицина и физкультура", София 2013 г.

  4. Кишкун А, А. Клиническая oценка результатoв лабoратoрных исследoваний. Мoсква, OАO "Издательствo "Медицина"", 2015, 542 с.

  5. Кoльман Я., Рём К.-Г. Наглядная биoхимия. Мoсква, "МИР", 2014, 473 с.

  6. Медведкoва Н. И., Медведкoв В. Д., Нoхрин В.Д. Журнал Ученые записки университета имени П.Ф. Лесгафта, Выпуск: 4 (98) 2013, 07 мая 2013, с. 100-105. Назаренкo Г. И.

  7. Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В. Родуэлл, Биохимия человека, том 1, "Мир", Москва 2013.

  8. Рябцева Е., Чубенкo А. Крoвнoе делo. Интернет-журнал "Кoммерческая биoтехнoлoгия", "Пoпулярная механика" №6, 2017.

  9. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии: Учеб. Для студ. хим. и биол. спец. пед. Инс-тов.-2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2015. 503 с.

  10. Шевченкo Н. В., Худякoв С. Н., Зырянoв А. А., Пыренкoв Д.А. Характеристика перенoсчикoв кислoрoда в сoвременных заменителях крoви. Казанский медицинский журнал, 2012, Выпуск № 2 тoм 93, с. 398-400.

  11. Р.Марри, Д.Греннер, П.Мейес, В.Родуэлл, Биохимия человека, том 1, "Мир", Москва 1993г., стр. 52.

  12. И.Тодоров, Клинические лабораторные исследования в педиатрии, "Медицина и физкультура", София 1968г., стр. 278-281.

  13. Биологическая химия / В.К. Кухта, Т.С. Морозкина. Э.И. Олецкий, А.Д. Таганович; // под ред. А.Д. Тагановича. Минск: Асар, М.: Издательство БИНОМ, 2008. с. 515–541.

  14. Бышевский, А.Ш. Биохимия для врача / А.Ш. Бышевский, О.А. Терсенов. Екатеринбург, 1994. с. 261 – 266.

  15. Авдеева, Л.В. Биохимия: Учебник / Л.В. Авдеева, Т.Л. Алейникова, Л.Е. Андрианова . М.: ГЭОТАР-МЕД, 2013. 768 c.

  16. Баишев, И.М. Биохимия. Тестовые вопросы: Учебное пособие / Д.М. Зубаиров, И.М. Баишев, Р.Ф. Байкеев; Под ред. Д.М. Зубаиров. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. 960 c.

  17. Байдалинова, Л. Биохимия гидробионтов: лабораторный практикум: Учебник / Л. Байдалинова. М.: Моркнига, 2017. 335 c.

  18. Бокуть, С.Б. Биохимия филогенеза и онтогенеза: Учебное пособие / А.А. Чиркин, Е.О. Данченко, С.Б. Бокуть; Под общ. ред. А.А. Чиркин. М.: НИЦ Инфра-М, Нов. знание, 2012. 288 c.

  19. Бокуть, С.Б. Биохимия филогенеза и онтогенеза: Учебное пособие / С.Б. Бокуть, Е.О. Данченко. М.: Инфра-М, 2017. 230 c.

  20. Бородин, А.П. Биохимия животных: Учебное пособие / А.П. Бородин. СПб.: Лань, 2015. 384 c.

  21. Гидранович, В.И. Биохимия: Учебное пособие / В.И. Гидранович, А.В. Гидранович. Мн.: ТетраСистемс, 2012. 528 c.

  22. Горбатова, К.К. Биохимия молока и молочных продуктов: Учебник / К.К. Горбатова. СПб.: Гиорд, 2015. 336 c.

  23. Димитриев, А.Д. Биохимия: Учебное пособие / А.Д. Димитриев, Е.Д. Амбросьева. М.: Дашков и К, 2013. 168 c.

  24. Ершов, Ю.А. Общая биохимия и спорт: Учебное пособие / Ю.А. Ершов. М.: МГУ, 2010. 368 c

  25. Ершов, Ю.А. Общая биохимия и спорт / Ю.А. Ершов. М.: МГУ, 2010. 368 c.

  26. Ершов, Ю.А. Биохимия человека: Учебник для академического бакалавриата / Ю.А. Ершов. Люберцы: Юрайт, 2016. 374 c.

  27. Зезеров, Е.Г. Биохимия (общая, медицинская и фармакологическая): Курс лекций / Е.Г. Зезеров. Ереван: МИА, 2014. 456 c.

  28. Капилевич, Л.В. Биохимия человека.: Учебное пособие для вузов / Л.В. Капилевич, Е.Ю. Дьякова, Е.В. Кошельская. Люберцы: Юрайт, 2016. 151 c.

  29. Кольман, Я. Наглядная биохимия / Я. Кольман. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2011. 469 c.

  30. Комов, В.П. Биохимия: Учебник / В.П. Комов, В.Н. Шведова. Люберцы: Юрайт, 2015. 640 c.

  31. Конопатов, Ю.В. Биохимия животных: Учебное пособие / Ю.В. Конопатов, С. Васильева. СПб.: Лань, 2015. 384 c.

  32. Конопатов, Ю.В. Биохимия животных: Учебное пособие / Ю.В. Конопатов, С.В. Васильева. СПб.: Лань, 2015. 384 c.

  33. Лелевич, С.В. Клиническая биохимия: Учебное пособие / С.В. Лелевич. СПб.: Лань, 2018. 304 c.

  34. Марри, Р. Биохимия человека в 2-х томах т.1 и т.2 / Р. Марри. М.: Мир, 2009. 795 c.

  35. МАршалл, В.Дж. Клиническая биохимия / В.Дж. МАршалл. М.: Бином, 2011. 408 c.

  36. http://ekf-diagnostic.ru/library/low_hemo.html.

  37. http://anaemia.narod.ru/klass.htm.


ДНЕВНИК

по производственной практике

«Научно-исследовательская работа»

Студентки Гурбановой Шемшат Шовкетджановны

4 курса 401 группы

Направления подготовки 06.03.01 Биология

Профиль Биохимия

ЗАПИСИ

о работах, выполненных в период практики

Дата
Содержание/Результаты работы
Отметка о выполнении (выполнено/не выполнено). Замечания руководителя практики

01.04.23
Знакомство с целями и задачами практики. Проведение инструктажа по технике безопасности.




03.04.23
Ознакомление со стандартами научно оформления – технической документации. Обсуждение с руководителем практики индивидуального задания и темы.



04.04.23
Изучение литературных данных о кооперативное взаимодействие гемоглабина.



05.04.23
Изучение роль гемоглобина как переносчика кислорода.



06.04.23
Изучение уравнения кривой оксигенации гемоглобина.



07.04.23
Изучение метод неопределенных множителей Лагранжа и законы сохранения



08.04.23
Определение параметров взаимодействия гемоглобина с протонами водорода (эффект Бора).



10.04.23
Определение начальных условий для распределения кислорода в гемоглобине.



11.04.23
Проведение анализа и оценки механизмов регуляции связывания гемоглобина с кислородом.



12.04.23
Обработка полученных результатов исследований.



13.04.23
Обработка полученных результатов исследований. Написание исследовательской части отчёта.



14.04.23
Предоставление дневника практики. Защита отчета.




Руководитель практики

Смотрите также файлы