Ферменты, их роль в процессах жизнедеятельности

Химическая организация клетки.

1. Содержание химических элементов в клетке.

2. Вода и другие неорганические вещества, их роль в жизнедеятель­ности клетки.

3. Органические вещества:

3.1 Углеводы, липиды. Строение и функции.

3.2 Белки. Строение и функции. Ферменты, их роль в процессе жизнедеятельности.

3.3 Нуклеиновые кислоты. Строение и функции ДНК и РНК. Редупликация ДНК. АТФ. Строение и функции. Значение АТФ в жизнедеятельности клетки.

 

Клетки сходны не только по строению, но и по химическому сос­таву. Это свидетельствует о единстве их происхождения.

В клетках обнаружено около 70 элементов периодической систе­мы Д.И. Менделеева, причем 24 из них являются обязательными и пос­тоянно встречаются в живых организмах.

В соответствии с процентным содержанием в клетке химические элементы можно разделить на 3 группы: макроэлементы, микроэлемен­ты и ультрамикроэлементы.

Макроэлементы составляют основную массу вещества клетки. На их долю приходится около 99 % всей массы клетки. Особенно высока концентрация четырех элементов: кислорода, углерода, азота и водо­рода (98% всех макроэлементов). К макроэлементам относят также элементы, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и соты­ми долями процента. Это, например, такие элементы, как калий, маг­ний, натрий, кальций, железо, сера, фосфор, хлор. Каждый из этих эле­ментов выполняет важную функцию в клетке. Кальций и фосфор участ­вуют в формировании костной ткани, определяя прочность кости. Же­лезо входит в состав гемоглобина - белка эритроцитов, участвующе­го в переносе кислорода от легких к тканям.

Микроэлементы. К ним относятся преимущественно ионы тяжелых металлов, входящие в состав ферментов, гормонов и других жизненно важных веществ. В организме эти элементы содержатся в очень не­больших количествах: от 10^-3 % до 10^-7 %; в числе таких элементов бор, кобальт, медь, молибден, цинк, ванадий, йод, бром и др. Они также важны для организма. Цинк, например, входит в молекулу гор­мона поджелудочной железы - инсулина, йод является необходимым компонентом тироксина - гормона щитовидной железы. Недостаточное содержание фтора приводит к поражению зубов кариесом.

Ультрамикроэлементы. Концентрация их не превышает 10^-7 % -10^-12 %

Физиологическая роль большинства этих элементов в организмах рас­тений, животных и клетках бактерий пока не установлена. К ним от­носится уран, радий, золото, ртуть, бериллий, цезий, селен и дру­гие редкие элементы.

Все перечисленные химические элементы участвуют в построении организма либо в виде ионов, либо в составе тех или иных соедине­ний - молекул неорганических и органических веществ. Напр., угле­род, водород и кислород входят в состав углеводов и жиров. В сос­таве белков к ним добавляются азот и сера, в составе нуклеиновых кислот - азот и фосфор.

Все имеющиеся в клетке соединения можно разбить на две груп­пы - неорганические и органические. К неорганическим соединениям относятся вода и минеральные соли, а к органическим - соединения углерода с молекулярной массой от 100 до нескольких сот тысяч (углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты и др.). Органичес­кие соединения характерны только для живых организмов, тогда как неорганические существуют и в неживой природе.

Неорганические вещества.

Вода. В количественном отношении первое место среди химичес­ких соединений любой клетки занимает вода. Ее содержание колеблет­ся в зависимости от вида организма, условий его местообитания, типа клеток и их функционального состояния. Так в быстрорастущих клет­ках эмбрионов человека и животных содержится около 95% воды. В клетках костной ткани содержится не более 20%, жировой ткани - около 40%, мышечной ткани-76% воды. С возрастом количество воды в клетках любого организма заметно снижается. В клетках молодого организма воды до 80%, а к старости количество ее снижается до 60%.

Наличие воды - обязательное условие жизненной активности клет­ки. Она составляет основную часть цитоплазмы. Смерть в результате лишения воды наступает раньше, чем от отсутствия пищи. У растений вода поступает в клетку из окружающей среды, а у животных образу­ется непосредственно в клетке при расщеплении жиров, белков, уг­леводов и поступает из окружающей среды.

Роль воды в клетки определяется ее химическими и структурны­ми свойствами. Эти свойства связаны с малыми размерами молекул, их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями.

Вода находится в клетке в двух формах: свободной и связан­ной. Свободная вода составляет 95% всей воды в клетке и использу­ется главным образом как растворитель и как дисперсионная среда коллоидной системы протоплазмы. Связанная вода, на долю которой приходится всего 4-5% всей воды клетки, непрочно соединена с бел­ками водородными и другими связями.

Свойства воды обусловлены ассиметричным строением ее молеку­лы. Из-за ассиметричного распределения зарядов молекула воды дей­ствует как диполь и поэтому может быть связана как с положитель­но, так и отрицательно заряженными группами белков.

Дипольный характер строения молекул обуславливает способ­ность воды активно вступать во взаимодействие с различными вещес­твами. Ее молекулы вызывают диссоциацию ряда водорастворимых ве­ществ на катионы и анионы. Большинство химических реакций предста­вляют собой взаимодействие растворенных в воде веществ.

Благодаря полярности молекул и способности образовывать во­дородные связи, за счет которых возникают комплексы нескольких мо­лекул, вода является хорошим растворителем для полярных веществ, называемых гидрофильными. Если энергия притяжения между молекула­ми вода меньше, чем между молекулами вода и вещества, то оно раст­воряется в воде и называется гидрофильным (это минеральные соли, белки, углевода и т.д.), Если энергия притяжения между молекулами вода больше, чем энергия притяжения между молекулами вода и веще­ства, то это вещество нерастворимо в воде - гидрофобное (неполяр­ные вещества, например углеводорода, гидрофобные).

Свойства воды.

1. Универсальный растворитель, в котором растворяются практически все вещества в природе (одни более, другие менее).Вода, как рас­творитель принимает участие в явлениях осмоса, играющего важную роль в жизнедеятельности клетки и организма. К числу важных в физиологическом отношении свойств вода относится ее способность растворять газы (О₂, С0₂ и др.).

2. Источник кислорода, выделяемого в световую фазу фотосинтеза.

3. Осмотический регулятор. Например, на явлениях осмоса основаны движения воды по проводящей системе растений и напряжение сте­нок растительных клеток - тургор. В животных клетках пример с эритроцитами.

4. Среда для физиологических и биохимических процессов. Вода является основной средой, где протекают биохимические реакции. Все реакции гидролиза, а также многочисленные окисли­тельно- восстановительные реакции возможны только при непосред­ственном участии воды.

5. Теплоемкость. Вода обладает наивысшей удельной теплоемкостью из всех известных жидкостей. Это значит, что существенное увели­чение тепловой энергии вызывает сравнительно небольшое повыше­ние ее температуры. Такое явление обусловлено тем, что значите­льная часть этой энергии расходуется на разрыв водородных свя­зей ограничивающих подвижность молекулы воды. Большая теплоем­кость воды защищает ткани растений и животных от быстрого и сильного повышения температуры, тогда как высокая теплота паро­образования обеспечивает надежную стабилизацию температуры те­ла организма.

6. Теплопроводность. Вода обладает также высокой теплопроводностью что обеспечивает равномерное распределение тепла по всему ор­ганизму. Это предохраняет протоплазму клеток от резких измене­ний температуры, что могло бы послужить причиной повреждения элементов клетки.

Следовательно, высокая удельная теплоемкость и высокая для жидкости теплопроводность делают воду идеальной средой для поддержания оптимального режима организма.

 

Минеральные вещества. В клетках живых организмов присутствует широкий набор неорганических элементов, которые участвуют во многих обменных процессах, а также в построении ряда тканей. Мине­ральные соли в определенных концентрациях необходимы для нормаль­ной жизнедеятельности клеток. Так, азот и сера входят в состав белков, фосфор - в состав ДНК, РНК и АТФ, магний - в состав многих ферментов и хлорофилла, железо - в состав гемоглобина, цинк - в со­став гормона поджелудочной железы, йод - в состав гормонов щитови­дной железы и т.д.

Подавляющая часть неорганических веществ клетки находится в видесолей - либо диссоциированных на ионы, либо в нерастворенном состоянии.

Первые (катионы и анионы) обеспечивают устойчивое количество необходимых химических элементов и осмотическое давление. Из катионов важны K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Мg²⁺, а из анионов Н₂РО₄^-, Сl^- и НСО₃^-.

Присутствие в клетке катионов К⁺, Na⁺, Са²⁺, Mg²⁺, обеспечивает такое важнейшее свойство живых организмов, как проведение возбуж­дений и импульсов. При отсутствии или недостатке данных катионов клетка утрачивает возбудимость и погибает. Ионы кальция принимают участие в свертывании крови.

Концентрация различных ионов неодинакова в клетке и окружаю­щей среде. Так, концентрация ионов калия очень высока внутри клет­ки, а ионов натрия всегда во много раз выше во внеклеточной среде. Напротив, в окружающей среде очень мало ионов калия (К⁺) и доста­точно высока концентрация ионов натрия (Na⁺). Пока клетка жива, эти различия в концентрации К⁺ и Na⁺ между клеткой и межклеточной средой стойко удерживаются. После смерти клетки содержание в ней быстро уравнивается. От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства цитоплазмы.

Буферностью называют способность клетки сохранять определен­ную концентрацию водородных ионов (рН).

Анионы слабых кислот и слабые щелочи связывают ионы водорода (Н⁺) и гидроксила (ОН^-), вследствие чего в клетках и межклеточ­ной жидкости на постоянном уровне поддерживается слабощелочная реакция. В клетке поддерживается слабощелочная реакция (рН 7,36). рН крови является важнейшей физиологической характеристикой, под­держание которой является составной частью гомеостаза.

Имеющиеся в организме нерастворимые минеральные соли, напри­мер, фосфат кальция, входят в состав межклеточного вещества костной ткани, в раковины моллюсков, обеспечивая прочность их образования, образуют кристаллы в клетках растений.

 

Органические вещества.

В составе клеток содержится множество органических соедине­ний. В различные типы клеток входит неодинаковое количество тех или иных органических соединений. Например, в растительных клетках преобладают сложные углеводы - полисахариды; в животных - больше белков и жиров. Тем не менее каждая группа органических веществ в любом типе клеток выполняет сходные функции.

Рассмотрим наиболее важные группы, которые определяют основ­ные свойства клетки и организма. Это такие органические вещества, как белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, отдельные нуклеотиды, в частности АТФ.

Биополимеры. Биологические полимеры (биополимеры) или макро­молекулы - это высокомолекулярные органические соединения, моле­кулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев -мономеров. К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и их производные (крахмал, гликоген, целлюлоза, хи­тин и др.). Мономерами для них служат соответственно аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды.

По форме биополимеры - это линейные (белки, нуклеиновые кис­лоты) либо ветвящиеся (гликоген) цепи. Благодаря такой структуре они характеризуются рядом замечательных свойств.

 

Белки.

Белки или протеины (от греч.ргоtos - первый, главный) это сло­жные органические соединения (биополимеры), состоящие из углерода, водорода, кислорода и азота (иногда серы), мономерами которых яв­ляются аминокислоты.

Белки содержат в среднем 53% углерода, 22% кислорода, 7% во­дорода, 16% азота, 2% серы. Кроме того в их состав могут входить фосфор, железо, магний и др.

Среди органических веществ клетки белки занимают первое мес­то как по количеству, так и по значению. Белки составляют 50-80 % от сухой массы клетки. Белки входят в состав всех клеток, клеточ­ных органоидов и межклеточных жидкостей. Токсины бактерий, яды змей и членистоногих, антитела, ферменты и гормоны также являются бел­ками.

В 1871г.русский химик Н.Н. Любавин установил, что белки состо­ят из аминокислот.

Аминокислоты - это низкомолекулярные органические соедине­ния, в состав которых входят одна или две аминогруппы (-NH₂), обладающие основными свойствами и одна или две карбоксильные группы (-СООН), обладающие свойствами кислот. Соединения, которые одновре­менно могут вести себя как кислоты и основания, называются амфотерными. Этим объясняются амфотерные свойства аминокислот, благо­даря чему в клетке они образуют буферный раствор и играют роль буферных систем. Участки молекул, лежащие вне амино- и карбоксиль­ной групп называют радикалами (R). У различных аминокислот радика­лы имеют различное строение. В состав радикала могут входить раз­личные группы: гидроксильная (ОН), сульфгидрильная (SH) и др. Ами­нокислоты различаются именно радикалами.

Общая формула аминокислоты:

R

I

Н₂N-CH-COOH

В клетке находятся свободные аминокислоты, составляющие ами­нокислотный фонд, за счет которого происходит синтез новых белков. Этот фонд пополняется аминокислотами, постоянно поступающими в клетку вследствие расщепления пищеварительными ферментами пищи или собственных запасов белков.

В настоящее время известны свыше 150 аминокислот. Подавляю­щее большинство аминокислот находится в организмах в свободном виде, но только 20 из них входят в состав белков. Эти аминокислоты получили название белковых или протеиногенных (образующих протеи­ны, т.е. белки). Им присуще одно важнейшее свойство - способность при участии ферментов соединяться по аминным и карбоксильных груп­пам и образовывать цепи.

У растений все необходимые аминокислоты синтезируются из С0₂, воды и аммиака. Однако человек и многие животные утратили способность синтезировать ряд протеиновых аминокислот, которые стали для них незаменимыми в питании: они обязательно должны пос­тупать с пищей. Недостаточное содержание этих аминокислот в пище человека и рационе животных приводит к нарушению биосинтеза белка, замедлению роста и развития организма, к различным заболе­ваниям.

Молекулы белков имеют вид длинных цепей, которые состоят из 50 - 1500 аминокислот, соединенных прочной пептидной связью. Сое­динение аминокислот происходит через общие для них группировки: аминогруппа одной аминокислоты взаимодействует с карбоксильной группой другой аминокислоты и выделяется молекула воды. Между со­единившимися аминокислотами возникает связь называемая пептидной (-CO-NH-).

Соединение, полученное из 2-х аминокислот называется дипептидом, из большего числа - полипептидом. В результате образуется полипептидная цепочка - первичная структура белка.

По строению белки делятся на простые и сложные. В состав простых белков входят только аминокислоты, а сложные белки кроме аминокислот могут включать нуклеиновые кислоты (нуклеопротеины), липиды (липопротеины), углеводы (гликопротеины) и др.

Все химические, морфологические и функциональные свойства клеток зависят от содержания в них специфических белков. Специфи­чность белков определяется набором аминокислот, их количеством и последовательностью расположения в полипептидной цепи. Замена од­ной единственной аминокислоты в составе молекулы белка или изме­нение последовательности их расположения, как правило, приводят к изменению его функции. Так, в гемоглобине имеются молекулы белков, построенные из 300 мономерных аминокислот, но достаточно замены одной из них - глутаминовой кислоты - валином, чтобы свойства ге­моглобина резко изменились. Люди с таким аномальным гемоглобином страдают заболеванием - серповидноклеточной анемией.

Биологическая активность обусловлена их необыкновенно гиб­кой, пластичной и в то же время строго упорядоченной структурой.

В строении белков различают следующие уровни организации: первичная, вторичная, третичная и четвертичная.

Первичная структура - полипептидная цепь из аминокислот, свя­занных в определенной последовательности ковалентными (прочными) пептидными связями.

Вторичная структура представляет полипептидную цепь, закру­ченную в виде спирали. Витки спирали удерживаются водородными свя­зями, которые образуются между СО- и NH- группами, расположенными на соседних витках. Водородные связи слабее ковалентных, но, мно­гократно повторенные, создают довольно прочное соединение. Функ­ционирование в виде закрученной спирали характерно для некоторых фибриллярных белков (коллаген, фибриноген, миозин, актин и др.).

Третичная структура. Многие белковые молекулы становятся фу­нкционально активными только после приобретения третичной (глобу­лярной) структуры. Она формируется путем многократного сворачива­ния спирали в трехмерное образование - глобулу. Третичная струк­тура образуется благодаря SH группам, двух аминокислот, находя­щихся на некотором расстоянии друг от друга в полипептидной цепи, за счет взаимодействия между собой они образуют слабые дисульфидные связи (-S-S-). Благодаря другим, более слабым связям (гидро­фобным) белковая спираль сворачивается и приобретает форму шарика или глобулы. Эту структуру имеют большинство белков (альбумины, глобулины).

Четвертичная структура. Для некоторых функций организма тре­буется участие белков с еще более высоким уровнем организации. Эти белки приобретают четвертичную структуру, которая представля­ет объединение в единую структуру нескольких (двух, трех и более) молекул с третичной организацией. Например, сложная молекула ге­моглобина состоит из четырех макромолекул глобинов, каждая из ко­торых соединена с небелковой частью - гемом (железосодержащим). В результате их объединения образуется функционирующая молекула ге­моглобина. В четвертичной структуре белковые субъединицы химичес­ки не связаны друг с другом, однако вся структура достаточно проч­на за счет действия слабых межмолекулярных сил.

Денатурация белка. Чем выше уровень организации белка, тем слабее поддерживающие его связи. Наиболее устойчива - первичная структура белков, а остальные легко разрушаются.

Утрата белковой молекулой своей структурной организации на­зывается денатурацией. Причиной ее могут быть различные химические (кислоты, щелочи, спирт, соли тяжелых металлов и др.) и физические (высокая температура и давление, ионизирующие излучения и др.) фа­кторы. Вначале разрушается очень слабая четвертичная, затем третич­ная, вторичная, а при более жестких условиях и первичная структура Если под действием денатурирующего фактора не затрагивается пер­вичная структура, то при возвращение белковых молекул в нормальные условия среды их структура полностью восстанавливается, т.е. про­исходит ренатурация. Это свойство белковых молекул широко исполь­зуется в медицине для приготовления вакцин и сывороток и в пище­вой промышленности для получения пищевых концентратов. При необра­тимой денатурации (разрушении первичной структуры) белки теряют свои свойства.

Белки выполняют следующие функции:

Структурная (строительная). Белки входят в состав всех клеточных мембран и органелл клетки. Стенки кровеносных сосудов, хрящи, сухожилия у высших животных также состоят из белка.

Двигательная функция белков состоит в том, что все виды дви­гательных реакций клеток и организмов обеспечиваются специальными белками - актином и миозином. Они содержатся во всех мышцах, реснич­ках и жгутиках. Их нити сокращаются с использованием энергии АТФ.

Транспортная функция белков заключается в переносе веществ, например кислорода (гемоглобин).

Защитная функция белков связана с выработкой лейкоцитами особых белковых веществ - антител в ответ на проникновение в ор­ганизм чужеродных белков или микроорганизмов. Антитела связывают, нейтрализуют и разрушают не свойственные организму соединения. Примером защитной функции белков может служить превращение фибриногена в фибрин при свертывании крови.

Сигнальная функция. В поверхностную мембрану клетки встроены молекулы белков, способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды. Так происходит прием сиг­налов из внешней среды и передача команд в клетку.

Регуляторная функция свойственна белкам - гормонам, которые оказывают влияние на обмен веществ. Гормоны поддерживают постоян­ные концентрации веществ в крови и клетках, участвуют в росте, размножении и других жизненно важных процессах. Одним из наиболее известных белков-гормонов является инсулин, который снижает содер­жание сахара в крови.

Каталитическую (ферментативную) функцию выполняют белки-фер­менты, в десятки и сотни тысяч раз ускоряющие течение биохимических реакций в клетках при нормальном давлении и темпера­туре около 37°С. Каждый фермент может катализировать только одну реакцию, т.е. действие ферментов специфично. Некоторые ферменты применяются в медицинской практике и пищевой промышленности.

Энергетическая функция. Белки служат также энергетическим материалом или источником энергии. При расщеплении 1г. белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж энергии, необходимой для большинства жизненно важных процессов в клетке.

 

Ферменты, их роль в процессах жизнедеятельности

Большая часть химических реакций, протекающих в организме, регулируется ферментами, т.е. белковыми мо­лекулами, выполняющими функцию катализаторов. Ката­лизатором называют вещество, ускоряющее химическую реакцию, которая без него протекает медленно. Сам ката­лизатор во время этой реакции стойких изменений не пре­терпевает.

Ферменты высокоспецифичны в том смысле, что каж­дый из них катализирует только те реакции, в которых участвуют молекулы только какого-нибудь одного или не­скольких видов. Причина этого в том, что ферменты связы­ваются со своими субстратами, т.е. теми веществами, на которые они действуют. У фермента имеется активный центр. Форма и химическое строение этого активного цент­ра таковы, что с ним могут связываться только определен­ные субстраты. Катализируя реакцию, фермент тесно сбли­жает молекулы своих субстратов, так что те части молекул, которым предстоит прореагировать, оказываются друг под­ле друга. Субстрат, присоединившись к ферменту, несколь­ко изменяется. Фермент может, например, притягивать электроны, вследствие чего в некоторых связях молекулы субстрата будет возникать напряжение. Это, в свою очередь, может повышать реакционную способность молекулы.

Предполагается, что именно таким путем фермент и ускоряет реакцию. Активность ферментов находится в прямой зависимости от многих факторов:

Температура. С повышением температуры сверх опти­мума ферментативная активность снижается. При темпе­ратуре 60— 60°С большинство ферментов инактивируется. Очевидно, что в основе инактивации ферментов лежит де­натурация белковой молекулы, которая при высоких тем­пературах становится необратимой. Существует ряд фер­ментов, переносящих высокую температуру. Рибонуклеаза сохраняет активность при температуре 80°С.

При понижении температуры ферменты замедляют свою деятельность, однако необратимая инактивация не наступает.

Кислотность. Важным фактором, действующим непосредственно на фермент, служит кислотность среды (рН). Для каждого фермента характерен свой оптимум рН, при котором проявляется его максимальная активность. Так, фермент пепсин активен только в очень кислой среде рН 2, трипсин же, наоборот, активен в щелочной среде. Большинство ферментов проявляет оптимальную активность в нейтральной среде. Изменение рН среды в ту или иную сторону может привести к необратимой инактивации ферментов.

Активность фермента зависит и от количества (кон­центрации) молекул субстрата, самих ферментов и коферментов (витаминов и других веществ).