Основы биохимии
|
|
Скачать 1.41 Mb.
|
|
V =
ферментом, от
[S] К m - константа Михаэлиса   V E |
В клетках организма и в производственных условиях катализ всегда осуществляется в условиях, когда концентрация фермента гораздо ниже концентрации субстрата. |
4.6.5 Влияние температуры на скорость ферментативной реакции
Важным фактором, от которого зависит скорость ферментативной реакции (равно каталитическая активность фермента) является температура, влияние которой показано на рис 4.5. Из рисунка видно, что с повышением температуры до определенной величины скорость реакции увеличивается. Это можно объяснить тем, что с повышением температуры движение молекул ускоряется и у молекул реагирующих веществ оказывается больше возможности столкнуться друг с другом. Это увеличивает вероятность того, что реакция между ними произойдет. Температура, обеспечивающая наибольшую скорость реакции, называется о п т и м а л ь н о й температурой.
Каждый фермент имеет свою оптимальную температуру. В общем для ферментов животного происхождения она лежит между 37 и 40ОС, а растительного - между 40 и 50ОС. Однако есть и исключения: -амилаза из проросшего зерна имеет оптимальную температуру при 60ОС, а каталаза - в пределах 0 - 10ОС. При повышении температуры сверх оптимальной скорость ферментативной реакции снижается, хотя частота столкновений молекул увеличивается. Происходит это вследствие денатурации, т.е. потери ферментом нативного состояния. При температуре выше 80ОС большинство ферментов полностью теряют свою каталитическую активность.
Снижение скорости ферментативной реакции при температурах, превышающих оптимальную, зависит от денатурации фермента. Поэтому важным показателем, характеризующим отношение фермента к температуре, является его термолабильность, т.е. скорость инактивации самого фермента при повышении температуры.
Р
ис. 4.5. Влияние температуры на скорость гидролиза крахмала амилазой.
При низких температурах (0 ОС и ниже) каталитическая активность ферментов падает почти до нуля, но денатурация при этом не происходит. С повышением температуры их каталитическая активность вновь восстанавливается.
4.6.6 Влияние рН на скорость ферментативной реакции
Важным фактором, оказывающим большое влияние на скорость ферментативной реакции, является рН среды.
Для каждого фермента существует оптимальное значение рН, т.е. такая величина рН, или зона рН, при которой катализируемая ферментом реакция протекает с наибольшей скоростью (рис. 4.6).
Большинство ферментов имеют максимальную каталитическую активность в зоне рН от 7; в резко кислой или резко щелочной среде
Рис. 4.6. Влияние рН на скорость реакции, катализируемой пепсином (1) и сахарозой из дрожжей (2).
работают лишь некоторые ферменты. За пределами оптимальной зоны рН, т.е. при отклонениях в сторону снижения или в сторону повышения от этого значения, скорость ферментативной реакции снижается.
При разных значениях рН активный центр может находиться в разной степени ионизированной или неионизированной форме, что сказывается на формировании активного фермент-субстратного комплекса. Кроме того, имеет значение факт ионизации субстатов и кофакторов.
При проведении производственных процессов можно путем соблюдения требуемого рН снизить активность нежелательных для процесса ферментов и повысить активность полезных ферментов.
4.6.7 Влияние на каталитическую активность ферментов ингибиторов и активаторов
Скорость ферментативной реакции (равно активность ферментов) определяется присутствием в среде ингибиторов и активаторов , среди которых могут быть как посторонние для организма вещества, так и природные продукты обмена.
И н г и б и т о р а м и называют вещества, вызывающие частичное или полное торможение химических реакций, включая и ферментативные.
Ферменты теряют каталитическую активность при воздействии различных факторов, вызывающих денатурацию (нагревание, кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов и др.). Подобное разрушение фермента не рассматривается как ингибирование, так как оно не связано с механизмом действия фермента. Ингибиторы действуют на скорость реакции определенным химическим путем.
Механизм действия ингибиторов может быть самым разнообразным, но в общей форме можно сказать, что ингибитор вступает в соединение с ферментом, образуя соединение фермент-ингибитор.
Различают о б р а т и м о е и н е о б р а т и м о е ингибирование фермента. При обратимом ингибировании активность фермента восстанавливается по мере удаления свободного ингибитора диализом или иным способом, т.е. при обратимом ингибировании существует равновесие между свободным ингибитором и ферментом. При необратимом ингибировании равновесие между свободным ингибитором и ферментом не устанавливается и активность фермента не удается восстановить диализом. Напротив, если ингибитор присутствует в избытке по сравнению с ферментом, то со временем наступает полное торможение активности фермента.
Обратимое ингибирование ферментативных реакций бывает к о н к у р е н т н ы м и н е к о н к у р е н т н ы м.
Конкурентное ингибирование может быть вызвано веществами, похожими по своей структуре на субстрат. Эти вещества, конкурируя с субстратом, соединяются с активным центром фермента, но не подвергаются ферментативному превращению и новые продукты из них не образуются. В связи с тем, что часть фермента при конкурентном ингибировании расходуется на образование комплеса фермент-ингибитор, скорость ферментативной реакции снижается. Конкурентное ингибирование обратимо, так как при увеличении концентрации субстрата скорость реакции возрастает.
Неконкурентное ингибирование вызывают вещества, не имеющие структурного сходства с субстратом. Причем эти вещества обратимо присоединяются к ферменту не в активном центре, где обычно связывается субстрат, а совсем в другом месте и, следовательно, конкуренция между субстратом и ингибитором отсутствует. Связываясь с ферментом, неконкурентные ингибиторы вызывают изменение пространственной структуры активного центра, и, хотя присоединение субстрата к такому активному центру происходит, тем не менее катализ становится невозможным. Неконкурентные ингибиторы связываются обратимо как со свободным ферментом, так и с фермент-субстратным комплексом, образуя неактивные фермент-ингибитор (ЕJ) и (или) фермент-субстрат-ингибитор (ESJ).
Наряду с инигибиторами существует целый ряд активаторов ферментов. А к т и в а т о р а м и называют вещества, увеличивающие каталитическую активность ферментов. Среди активаторов встречаются самые разнообразные вещества. Особенно часто роль активаторов ферментов выполняют ионы металлов: калия, кальция, магния, цинка, меди, железа, марганца, кобальта, а из анионов - хлора. Для проявления максимальной активности ферментов требуется определнная концентрация ионов-активаторов в среде.
Усиление активности ферментов под действием ионов металлов объясняется тем, что в одних случаях ионы металлов выполняют роль кофактора, в других - облегчают образование фермент-субстратного комплекса, в третьих - способствуют прсоединеию кофермента к апоферменту, в четвертых обеспечивают становление четвертичной структуры фермента или же действуют иными путями.
Мощное действие на ферменты оказывают вещества, присоединяющиеся к ним в особых участках, удаленных от активного центра, называемых а л л о с т е р и ч е с к и м ц е н т р о м. Эти вещества влияют на активность фермента, вызывая обратимое изменение в структуре его активного центра. Называют такие вещества а л л о с т е р и ч е с к и м и э ф ф е к т о р а м и. Если эти эффекторы увеличивают сродство фермента к субстрату, то их называют а л л о с т е р и ч е с к и м и активаторами, если уменьшают - а л л о с т е р и ч е с к и м и ингибиторами. Ферменты, активность которых регулируется аллостерическими активаторами или ингибиторами называют а л л о с т е р и ч е с к и м и. Большинство аллостерических ферментов представляют собой белки-олигомеры.
Аллостерические ферменты имеют важное значение в регуляции ферментативных процессов в клетке. Это связано с тем, что эффекторами могут быть различные промежуточные продукты обмена веществ, называемые м е т а б о л и т а м и. В частности, установлено, что конечный, а иногда и промежуточный продукт многостадийного процесса распада или биосинтеза может служить аллостерическим ингибитором одной из первых его реакций.
4.7 Номенклатура и классификаия ферментов
В настоящее время известно более 2400 ферментов. Каждый фермент, как правило, имеет две номенклатуры; одна из них рабочая (тривиальная), а другая - систематическая.
Рабочее наименоваие фермента составляют путем прибавления к корню слова латинского , греческого или химического названия субстрата, на который действует фермент, или к названию процесса, катализируемого данным ферментоа окончания “-аза”. Вещество, имеющее это окончание, принимают за фермент. Ферменты, действующие на крахмал (amylum), сахарозу, мочевину (urea), пептиды получили соответственно названия : амилаза, сахараза, уреаза,пептидаза; ферменты, катализирующие процессы гидролиза называют гидролазами, процессы окисления - оксидазами, перенос групп - трнсферазами и т.д. Для некоторых ферментов сохранены названия, неподчиняющиеся этому правилу: пепсин, трипсин, химотрипсин папин и др.
В названии ряда ферментов указывают как характер субстрата, так и тип катализируемой реакции. Фермент, катализирующий отнятие водорода от спирта, называют алкогольдегирогеназа.
Рабочим названием ферментов пользуются в повседневной практике.
В 1961 г. Международная комиссия по ферментам, созданная в 1956 г., предложила новую схему номенклатуры и классификации ферментов, которая была принята Международным биохимическим союзом. Согласно этой схемы каждый фермент имеет как рекомендуемое (рабочее) название, так и систематическое название, которое составляется в определенном порядке и подчеркивает тип катализируемой реакции (см. классы ферментов).
В принятой классификации все ферменты на основании катализируемых реакций разделены на шесть классов, расположенных в следующем порядке: 1) оксидоредуктазы, 2) трансферазы, 3) гидролазы, 4) лиазы, 5) изомеразы, 6) лигазы (синтетазы). Каждый класс подразделяется на подклассы, а каждый подкласс - на подподклассы. Индивидуальный фермент имеет кодовое число (шифр) со стоящими перед ним буквами КФ (англ. ЕС). Шифр каждого фермента содержит четыре числа, разделенных точками. Первое число указывает к какому из шести классов принадлежит данный фермент. Второе число обозначает подкласс. Третье число обозначает подподкласс, а четвертое - порядковый номер фермента в данном подподклассе. Например, фермент КФ.1.1.1.1 имеет рекомендуемое (рабочее) название алкогольдегидрогеназа, систематическое название алкоголь:НАД оксидоредуктаза. Этот фермент относится к классу оксидоредуктаз (1), действует на СНОН группу доноров (1.1), акцептором водорода служит НАД (1.1.1); четвертая цифра шифра - порядковый номер фермента в пределах подподкласса.
Систематическое название и шифр фермента используют в научных публикациях при первом упоминании о нем; при дальнейшем изложении материала пользуются рекомендуемым (рабочим) названием.
4.8 Классы ферментов и их отдельные представители
4.8.1.Оксидоредуктазы(1)
К классу оксидоредуктаз принадлежат все ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Субстрат, подвергающийся окислению рассматривается как донор водорода. Систематическое назва-ние составляется по типу “донор:акцептор оксидоредуктаза”. Термины “донор” и “акцептор” введены потому, что происходит реакция переноса двух восстановительных эквивалентов в той или иной форме (атомов водо-рода, электронов, гидрид-ионов и т.д.) от одного субстрата (окисляемого) к другому (восстанавливаемому).
В зависимости от природы окисляемых групп в молекуле донора оксидоредуктазы разделили на 19 подклассов. Деление на подподклассы произведено в зависимости от природы акцепторов, которыми могут быть кофермент (НАД или НАДФ), цитохром, молекулярный кислород и т.д.
Рекомендуемое название включает следующие термины. Оксидоредуктазы всех подподклассов, для которых акцептором водорода служит любое соединение, но не кислород, называют дегидрогеназами, а в случаях, когда донор водорода точно не установлен, используют термин редуктаза. Если акцептором служит кислород, то ферменты, катализирующие перенос водорода на него, называют оксидазами. Реакции прямого включения кислорода в молекулу органического субстрата катализируют оксигеназы; при этом происходит включение либо двух атомов кислорода (диоксигеназы), либо одного атома кислорода (монооксигеназы). Термин пероксидаза относится к ферментам, использующим в качестве окислителя пероксид водорода.
Многие дегидрогеназы в качестве акцептора водорода используют коферменты НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), содержащие в своих молекулах производ-ное пиридина - никотинамид. В связи с чем эти ферменты получили название пиридиновых (пиридинзависимых) дегидрогеназ, или пиридин-протеинов. Приводим структурную формулу окисленной формы НАД и НАДФ (обозн. НАД+ и НАДФ+ ).
O Никотинамид Аденин NH2
CNH2 N N
O O
+ N
N O H2CO P O P O CH2 O N
H H H H ОН ОН H H H H
OH OH OH OR
R = Н (в НАД+) и РО(ОН2) (в НАДФ+).
Пиридиновые дегидрогеназы отнимают от своих субстратов по два водородных атома. Один из них в виде гидрид-иона (Н) присоединяется непосредственно к пиридиновому кольцу НАД+ или НАДФ+ , а второй в виде Н+-иона переходит в среду:
O H H OСН C 
Н CNH2 C NH2
Субстрат + Субстрат + + H+
Н + (окисленный)N N
R R
(Восстановленная форма нуклеотидных коферментов обозначается НАД·Н + Н+ (сокр. НАД·Н) и НАДФ·Н+Н+ (сокр. НАДФ·Н).
В общем виде реакции, катализируемые пиридиновыми дегидро-геназами, можно записать следующим образом:
Н НАД+ НАД·Н+Н+С
убстрат + Субстрат +Н (НАДФ+) (окисленный) (НАДФ·Н+Н+ )При каталитическом участии фермента трансгидрогеназы НАД·Н и НАДФ+, равно как НАДФ·Н и НАД+ , могут обмениваться атомами водорода:
Н
^ + НАДФ+ + НАД·НУстановлено, что большая часть пиридиновых дегидрогеназ функционирует только с коферментом НАД, меньшая - только с НАДФ и сравнительно небольшая группа - как с НАД, так и с НАДФ.
Считается, что восстановительные эквиваленты от НАД·Н расходуются для запаса энергии в виде АТФ, а от НАДФ·Н для восстановительных этапов процессов биосинтеза.
Пиридиновые дегидрогеназы называют анаэробными, т.к. они передают отнятый от субстрата водород любому соединению, но не кислороду.
Наряду с пиридиновыми дегидрогеназами в окислительно-восстановительных реакциях участвуют флавиновые (флавинзависимые) дегидрогеназы, или флавопротеины. Такое название эти ферменты получили в связи с тем, что в качестве простетической группы (прочно связанного с белковой частью кофермента) содержат флавинмононуклеотид (ФМН) или флавинадениндинуклеотид (ФАД):
O О
NH2
СН2 (СНОН)СН2 ОР О РОН 
N NN N OH О
H3C =O N
NH CH2 O NH3C N
H H H HOOH OН
Рибофлавин
ФМН (окисленный) АМФ
ФАД (окисленный)Большинство флавиновых дегидрогеназ содержит в своем составе ФАД.
Катализ окислительно-восстановительных реакций флавиновыми дегидрогеназами обусловлен последовательным окислением и восстановлением изоаллоксазинового кольца рибофлавина:
R R H
N N N NH
3C = O + 2H H3C =O
H
3C NH H3C NHN C N C O H O
Окисленная форма Восстановленная форма
К а т а л а з а (КФ 1.11.1.6; пероксид водорода:пероксид водорода оксидоредуктаза) катализирует следующую реакцию:
Н2О2 + Н2О2 2Н2О + О2Каталаза - двухкомпонентный фермент, простетической группой которого является гематин, представляющий протопорфирин, содержащий атом трехвалентного железа (см. формулу на стр. 134).
Этот фермент широко распространен в природе и найден у животных, растений, аэробных бактерий. Роль каталазы в организме связывают с расщеплением образующегося в процессе окисления ядовитого для клеток пероксида водорода.
Каталаза содержится и в молоке. В молоко она переходит из клеток молочной железы, а также вырабатывается содержащимися в молоке бактериями и лейкоцитами.
аталазное число молока от здоровых коров составляет 0,7 - 2,5. Молоко коров с больным выменем и молозиво имеют каталазное число достигающее 15 и выше.
Следующий фермент этого подкласса п е р о к с и д а з а (КФ 1.11.1.7; донор:пероксид водорода оксидоредуктаза). Пероксидаза содержится в тканях животных и растений, молоке, лейкоцитах, некоторых бактериях; катализирует окисление фенолов, аминов, некоторых гетероциклических соединений (например, индола) по схеме:
д
онор + Н2О2 окисленный донор + 2 Н2О.Пероксидаза - двухкомпонентный фермент, ее простетическая группа представлена гематином. Гематин каталазы и пероксидазы имеет одинаковое строение. Следовательно, различия в каталитической функции этих ферментов определяются исключительно белковой частью.
Пероксидаза играет важную роль в дыхании растений. В молочной промышленности реакцию на пероксидазу используют для контроля эффективности пастеризации молока (пероксидаза молока инактивируется при температуре около 80ОС). Реакцию на пероксидазу применяют для оценки свежести мяса птицы (кроме водоплавающей). Свежее мясо дает положительную реакцию; мясо подозрительной свежести - отрицательную.
Ц и т о х р о м н а я с и с т е м а. Эта система состоит из цитохромов и фермента цитохромоксидазы. Цитохромы принадлежат к сложным белкам; их железопорфириновая простетическая группа, называемая гем, по своему строению очень близка к простетической группе гемоглобина (см. хромопротеины).
Все известные цитохромы в зависимости от природы гема разделены на четыре группы: а, в, с и d. Железопорфириновые структуры каждого из этих цитохромов различаются боковыми цепями. Кроме этого цитохромы отличаются друг от друга белковыми компонентами и по способу присоединения простетической группы к белку. У цитохромов с хорошо установленной структурой при букве ставят числовой индекс, указывающий на принадлежность цитохрома к определенной подгруппе. Например, в митохондриях высших животных и растений идентифицировано пять различных цитохромов: а, а3, в, с, с1.
Цитохромы - переносчики электронов в процессах окисления и восстановления. Они обнаружены во всех аэробных клетках. В ходе переноса электронов железо простетической группы цитохромов попеременно переходит из ферриформы [Fе (III)] в ферроформу [Fе (II)]. Функция цитохромов была установлена в 1925 г. Д.Кейлином.
Цитохромоксидаза, классифицируемая и как фермент (КФ 1.9.3.1; ферроцитохром С: кислород оксидоредуктаза), и как цитохром ( цитохром а а3), содержит две железопорфириновые группы (гем а и гем а3) и два атома меди. Ее функция состоит в переносе электронов на молекулярный кислород; последний при этом приобретает способность реагировать с находящимися в водной среде клетки ионами водорода, образуя воду.
4.8.2. Т р а н с ф е р а з ы ( 2 )
К классу трансфераз принадлежат ферменты, катализирующие перенос различных остатков или групп от одного соединения, расматриваемого как донор группы (остатка), к другому соединению, рассматриваемому как акцептор. Систематическое название ферментов этого класса формируется по схеме “ донор: акцептор (транспортируемая группа или остаток ) трансфераза”.
В зависимости от характера переносимых остатков (одноуглеродные, альдегидные и кетонные, ацильные, гликозильные и др.) или групп (содержащие азот, фосфор или серу) класс разделили на восемь подклассов. Подклассы выделены в зависимости от химической природы переносимых групп (например, одноуглеродный остаток может быть метилом, формилом или карбоксилом; гликозильный остаток - гексозилом или пентозилом и т.п.).
Среди трансфераз имеются ферменты, катализирующие реакции с элементами синтеза. Чтобы подчеркнуть элемент синтеза в катализируемой реакции, для названия таких ферментов (как и фермент других классов, кроме синтетаз) применяют термин “ синтаза “. Рассмотрим некоторые из таких ферментов.
Г л и к о г е н (крахмал) - с и н т а з а (КФ 2. 4.1.11; УДФглюкоза: гликоген 4--глюкозилтрансфераза) катализирует следующию реакцию:
УДФглюкоза + (1,4--D-глюкозил)n (1.4--D-глюкозил)n+1 + 1 +УДФ
В зависимости от синтезируемого продукта рекомендуемое название фермента уточняется. Биосинтез крахмала катализирует крахмалсинтаза, гликогена - гликогенсинтаза.
В реакциях, катализируемых рядом “синтаз” донором сахара являются нуклеозиддифосфатсахара, например, уридиндифосфатглюкоза (УДФ-глюкоза).
О
CH2OH
H O HNH O O H H HO
O= H2^ 
N O OH HOH OH
H H H H
OH OH Уридиндифосфатглюкоза (УДФ-глюкоза)
4.2.3. Гидролазы (3)
Ферменты этого класса катализируют реакции гидролиза, т.е. расщепление сложных соединений на более простые с присоединением ионов воды: RR1 + HOH = ROH + R1H. В зависимости от типа гидроли-зуемой связи (сложноэфирная, гликозидная, пептидная и т.д.)гидролазы раз-делены на 11 подклассов. Подподклассы выделены с учетом природы суб-страта.
Систематическое название ферментов класса гидролаз составляется из названия гидролизуемого субстрата и названия отщепляемой группы в сочетании с термином “гидролаза”. Гидролазы имеют огромное значение не только для живых организмов, но и для биосферы в целом. Без этих ферментов невозможен круговорот биогенных элементов. Многие из гидролаз имеют промышленное значение.
4.8.4. Лиазы (4)
Ферменты этого класса катализируют удаление из субстратов определенных групп (СО2, Н2О, NH3, альдегид) путем простого отщепления с образованием двойной связи или присоединение группы к двойной связи. Систематическое название фермента складывается из названия субстрата, названия удаляемой группы и через дефис слова “лиаза”. В рекомендуемых названиях используется термин “декарбоксилаза”, “альдолаза”, “дегидратаза”. В зависимости от типа разрываемых связей (С-С, С-О, С-N, C-S и др.) выделено семь подклассов. Деление на подподклассы произведено в зависимости от отщепляемой группы.
4.8.5. Изомеразы (5)
Ферменты этого класса катализируют изомеризацию, т.е. геометрические или структурные изменения, происходящие в пределах одной молекулы. Эти изменения могут происходить вследствие внутримолекулярного перемещения атомов водорода, фосфатных и ацильных групп, различных радикалов, двойных связей и т.п. В зависимости от типа катализируемой реакции изомеразы разделены на пять подклассов; подподклассы выделены в зависимости от характера превращения субстрата.
Фермент, катализирующий внутримолекулярный перенос групп называют мутазой. Изомеразы, катализирующие реакции инверсии при центрах асимметрии, называют рацемазами и эпимеразами. Рацемазы катализируют взаимные превращения D- и L-изомеров, эпимеразы - реакции изменения взаимного расположения атома водорода и гидроксильной группы у одного из углеродных атомов моносахоридов или их производных.
4.8.6. Л и г а з ы , или с и н т е т а з ы ( 6)
Эти ферменты катализируют реакции присоединения друг к другу двух молекул, сопряженные с гидролизом пирофосфатной связи в АТФ или другом нуклеозидтрифосфате. Образуемые в этих реакциях связи часто являются высокоэнергетическими. В зависимости от типа вновь образуемой связи ( - С- О-, -С-S-, -С-N- и др.) лиазы разделили на пять подклассов. Подподклассы выделены в зависимости от природы образующегося соединения. Систематическое название составляется по схеме Х: У лигазы (образующая Z ), где Х и У - соединяющие молекулы; в скобках указывается продукт расщепления нуклеозидтри- фосфата, участвующего в данной реакции в качестве источника энергии. В рекомендуемых названиях применяется термин “синтетаза”.
4.9. Мультиферментные системы.
М у л ь т и ф е р м е н т н ы е с и с т е м ы - это комплексы разных ферментов, катализирующих последовательные стадии превращения какого-либо субстрата. В качестве примера приводим п и р у в а т д е г и д р о г е н а з н у ю с и с т е м у, катализирующую сложный многостадийный процесс - окислительное декарбоксилирование пирувата (см. обмен углеводов), описываемое уравнением:
Пируват + НS-КоА + НАД+ Ацетил- КоА+СО2+ НАД•Н + Н+
Пируватдегидрогеназная система является структурной единицей с молекулярной массой 1·106 - 9·106 в зависимости от биологического ис- точника, состоящей из множества копий (молекул) трех разных ферментов: пируватдегидрогеназы (КФ 1.2.4.1) липоат-ацетилтрансферазы (КФ 2.3.1.12), липоамид-дегидрогеназы (КФ 1.6.4.3) и пяти кофакторов: тиамин-пирофосфата (ТПФ), флавинадениндинуклеотида (ФАД), кофер-мента А ( НS-КоА), никотинамидадениндинуклеотида (НАД+) и
липоевой кислоты ( СН2 - СН2 - СН - (СН2)4 СООН).
S SКаждый из ферментов пируватдегидрогеназной системы катализирует разные стадии многостадийного процесса. В растительных и животных организмах функционируют и другие мультиферментные системы.
^
Одной из характерных особенностей живого организма является его неразрывная связь с окружающей средой. Организм постоянно
воспринимает питательные вещества извне, видоизменяет их, превращает в себе подобные, извлекает из них энергию и выделяет отработанные продукты. Совокупность химических реакций, обеспечивающих связь живого с окружающей средой, и составляет обмен веществ.
Обмен веществ (или метаболизм) состоит из двух процессов: ассимиляции (или анаболизма) - синтеза характерных для организма соединений и диссимиляции (или катаболизма) - распада веществ и выведения продуктов этого распада из организма. Совокупность процессов ассимиляции (синтеза) и диссимиляции (распада) составляет основу жизни. Химические реакции, составляющие эти процессы, взаимосвязаны и протекают в определённой последовательности. Различают общий (внешний) обмен веществ, учитывающий поступления в организм веществ и их выделение, и промежуточный обмен веществ, который охватывает превращения этих веществ в организме.
Первым этапом обмена веществ является превращение поступивших веществ пищи в желудочно-кишечном тракте. Превращение начинается в ротовой полости, однако основные пищеварительные процессы протекают в тонком кишечнике. Далее процессы промежуточного обмена веществ совершается внутри клеток, и понятие внутриклеточного почти совпадает с понятием промежуточного обмена.
Изучение общего обмена веществ состоит в определении баланса поступивших и выделившихся веществ и проводится в основном в физиологических исследованиях, в то время как биохимические исследования главным образом направлено на изучение внутриклеточных превращений. Обмен веществ может быть изучен как в целостном организме, так и вне организма, т. е. в отдельных удаленных органах и тканях.
В тесной взаимной связи с обменом веществ в организме находятся реакции превращении энергии. Процессы катаболизма на некоторых своих этапах сопровождаются генерированием энергии, запасаемой в виде фосфатных связей, обычно в форме АТФ. Эти процессы получили названия экзергонических. Анаболические реакции, напротив, утилизируют энергию фосфатных связей и называются эндергоническими.
Энергия, заключённая в молекулах пищи, выделяется в процессе их превращения в организме в виде тепла. Значительная часть этой энергии запасается в виде макроэргических связей в молекуле АТФ, других нуклеотидтрифосфатов, ацилфосфатов, креатинфосфатов и др. Эти вещества могут как запасать, так отдавать энергию.
Высвобождение энергии пищи в организме можно условно разбить на три этапа. Первый этап включает в себя процессы переваривания и всасывания пищи. На этом этапе высвобождается очень незначительное количество энергии. Второй этап состоит из различных превращений моноструктурных единиц в клетках и тканях до веществ, представляющих основной энергетический материал, например, превращение моносахаридов, глецирина и жирных кислот до ацетил-КоА. На этом этапе образуется 1/3 от всего количества энергии. Основную часть энергии (почти 2/3 ) даёт третий этап – это цикл Кребса (цикл ди- и трикарбоновых кислот) , представляющий собой систему химических реакций, в ходе которых ацетил – КоА окисляется до СО2 и Н2О.
^
Необходимая энергия в организме образуется за счет катаболизма углеводов, жиров и белков. При окислении в организме человека 1г. углеводов освобождается 4,2 ккал энергии, 1г. жиров-9,4 ккал, а 1г.-4,1 ккал.
Баланс энергии определяют на основе данных о калорийности потребляемых питательных веществ и энергетических затрат самого организма. Для этого, во-первых, необходимо определить калорийность пищевых веществ, т. е. величину энергии пищи, и, во-вторых, энергию, выделившуюся в организме в виде тепла и механической работы.
Определение калорийности питательных веществ производится обычно калориметрическим методом путем сжигания в калориметрической «бомбе». Определение энергетических затрат самого организма производится также экспериментальным путем и выражается в килокалориях. Для этой цели существуют специальные методы, которые сводятся к прямой и непрямой калориметрии. При прямой калориметрии учитывается количество тепла в килокалориях, которое освобождается за сутки. Для этих целей служат просторные камеры, в которых человек может свободно двигаться и совершать работу.
Метод непрямой калориметрии является наиболее распространенным и простым. С помощью этого метода об энергетических затратах судят по количеству поглощенного организмом кислорода и выделенного углекислого газа. Объемные отношения между потребленным кислородом и образовавшимся при этом углекислым газом составляет величину дыхательного коэффициента- СО2/О2.
Дыхательный коэффициент при окислении углеводов равен 1. Это означает, что при окислении в тканях углеводов до углекислоты и воды объем выделенной углекислоты равен объему поглощенного кислорода. Что это действительно так, явствует из уравнения окисления углеводов (см. с. 62). Дыхательный коэффициент для жиров равен 0,7. Это говорит о том, что объем выделенной углекислоты при окислении в тканях жиров всегда меньше объема поглощенного кислорода. Это совершенно понятно, так как по сравнению с углеводами жиры содержат в своей молекуле меньше кислорода. Дыхательный коэффициент для белков равен 0,8.
В клинике для характеристики энергетического обмена используют определение величин так называемого основного обмена, при измерении которого проводят определение количества потребленного кислорода и выделенного СО2 (часто измеряют лишь количество потребленного кислорода) натощак в состоянии полного покоя за 1 час. Размер основного обмена в норме составляет около 1 ккал в 1 час на 1 кг веса. Эти энерготраты идут на обеспечение основных процессов жизнедеятельности организма (работу мозга, кровообразование, дыхание и т. д.).
^
6.1. Общая характеристика биологического окисления.
Процессы биологического окисления являются основным источником энергии в организме. Вещество окисляется, если к нему присоединяется кислород, либо оно теряет электроны, либо одновременно электроны и протоны (т. е. водород). Окисление одного вещества всегда сопровождается восстановлением другого, т. е. окислительные реакции всегда идут одновременно с восстановительными.
В настоящее время представление о биологическом окислении связывают со следующими теориями: так называемой «активации» водорода В. И. Палладина и Виланда и «активации» кислорода А. Н. Баха. Теория активирования кислорода, разработанная в 1897 г. А. Н. Бахом, известна также под названием «перекисной теории окисления». Суть теории состоит в том, что молекулярный кислород вступает в реакцию с легко окисляемым соединением и дает перекиси. Затем происходит перенос перекисного кислорода с перекиси на другие молекулы, не реагирующие с молекулярным кислородом. А. Н. Бах считал, что в этом процессе принимают участие следующие ферменты: оксигеназа и пероксидаза. Он полагал, что процесс идет следующим образом:
О О1
. Оксигеназа + оксигеназа О О
перекись
О2
. Оксигеназа + субстрат окисленный+ оксигеназаО субстрат
(пероксидаза)
Эта теория приемлема к ряду окислительных процессов в растительных тканях.
Универсальной и совершенно новой теорией является теории «активации» водорода, созданная В. И: Палладиным. В основе этой теории лежат процессы дегидрирования - отнятия водорода. В. И. Палладин полагал, что атмосферный кислород не доходит до окисляемого вещества, а является только акцептором водорода. Виланд подтвердил теорию В. И. Палладина на примере окисления этилового спирта в уксусный альдегид, а последнего в уксусною кислоту, показав, что окисление идет при отсутствии кислорода, путем дегидрирования.
^
Процессы биологического окисления в организме проходят ряд стадий. Между окисляемым веществом и конечными продуктами его окисления образуется ряд промежуточных соединений. В их образовании принимает участие большое количество ферментов. На последних стадиях катаболизма происходит расщепление веществ с участием оксидоредуктаз, совокупность которых образует так называемую дыхательную цепь.
К числу ферментов дыхательной цепи относятся:
1. Пиридинзависимые дегидрогеназы с коферментом НАД + и
НАДФ+;
2. Флавинзависимые дегидрогеназы (флавопротеиды), у которых простетической группой служат ФМН и ФАД;
3. Цитохромы и цитохромоксидаза, их простетической группой является гем.
Дыхательная цепь подразделяется на водородопереносящую- гиридин- и флавопротеиды и электронопереносящую - цитохромы. Атомы водорода (протоны и электроны.) от окисляемого субстрата присоединяются к НАД+ . Восстановленная форма НАД+ (НАДН) передает водород флавопротеидам. Дальнейшая судьба водорода может быть различной. Водород с флавопротеидов может быть передан прямо на кислород с образованием перекиси водорода. Последняя распадается под действием каталазы на кислород и воду. У высших животных в процессе тканевого дыхания (аэробного окисления) не происходит образования H2O2.
Самым распространенным вариантом окисления водорода, снятого с восстановленных флавиновых дегидрогеназ, является окисление с помощью цитохромной системы. Этот путь характерен как для животных, так и для растений. Цитохромы включаются в перенос электронов в определенной последовательности (в, с, с1, а, а3). Последний цитохром, который реагирует с кислородом воздуха, называется цитохромоксидазой.
В литературе имеются убедительные данные, свидетельствующие о том, что между флавинами и цитохромами могут включаться белки, содержащие негеминовое железо (НГFе) и убихинон (кофермент Q). Окисление водорода в терминальной цепи тканевого дыхания может быть изображено с помощью схемы .(рис. 12).
В литературе имеются убедительные данные, свидетельствующие о том, что между флавинами и цитохромами могут включаться белки, содержащие негеминовое железо (НГFе) и убихинон (кофермент Q). Окисление водорода в терминальной цепи тканевого дыхан
ия может быть изображено с помощью схемы .(рис. 12).
^
Окислительное фосфорилирование было бы правильнее назвать
фосфорилированием в дыхательной цепи (Ленинджер, 1972). Суть его состоит в следующем. Перенос электронов и протонов по окислительно-восстановительной цепи ферментов сопровождается высвобождением значительного количества энергии, большая часть которой трансформируется в энергию фосфатных связей макроэргических соединений, главным образом АТФ. Неиспользованная энергия рассеивается в виде тепла. Для синтеза АТФ необходим АДФ, неорганический фосфат, 8-10 ккал энергии и соответствующие ферменты.
АДФ+НзР04+8-10 ккал энергии АДФ~Р АТФ
При распаде АТФ соответственно высвобождается такое же количество энергии. Процесс синтеза АТФ из АДФ и нес фосфата за счет энергии дыхания (энергии переноса электронов) получил название окислительного фосфорилирования.
Идея о наличии сопряжения между фосфорилированием АДФ и аэробным дыханием впервые была высказана советским ученым В. А. Энгальгардом. При дальнейшем изучении энергетики дыхательной цепи оказалось, что в дыхательной цепи имеется три участка, в которых перенос электронов сопровождается высвобождением энергии, превышающим величину стандартной свободной энергии образования АТФ. Оказалось, что в цепи дыхания происходит три реакции фосфорилирования. То есть при окислении одной молекулы водорода происходит образование трех молекул АТФ в следующих местах дыхательной цепи:
1. Между НАДН и флавопротеидом.
2. Между цитохромами b и с.
3. Между цитохромом а и молекулярным кислородом. Процесс окислительного фосфорилирования, как и процесс биологического окисления, происходит в митохондриях.
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям