Учебное пособие для студентов заочной формы обучения 7 страница

N C N C

÷ ê ½ ÷ ê

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 + О₂

Каталаза - 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:

донор + 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 80^ОС). 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-a-глюкозилтрансфераза) катализирует следующию реакцию:

УДФглюкоза + (1,4-a-D-глюкозил)_n ® (1.4-a-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

½ê CH₂OH

H O H

NH O O H

½ê ½ê H HO

O= H₂C-O-P-O ~ P-O OH

N O OH H

OH 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 S

Каждый из ферментов пируватдегидрогеназной системы катализирует разные стадии многостадийного процесса. В растительных и животных организмах функционируют и другие мультиферментные системы.

 

ГЛАВА 5. ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ ОБ ОБМЕНЕ ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

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.

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТРЕБНОСТИ ОРГАНИЗМА В ЭНЕРГИИ.

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.).