Перенос энергии в живой природе

Сопряжение анаболических и катаболических процессов

 

Обмен веществ, происходящий в живом организме, называют ме­таболизмом. Часть метаболизма, заключающаяся в процессах синтеза, называется анаболизмом, а соединения, участвующие в обмене ве­ществ и подвергающиеся взаимному превращению, называются метабо­литами. Его другая часть, связанная с процессами распада или дег­радации веществ, называется катаболизмом. Все процессы биосинтеза веществ нуждаются в энергии. Реакции, идущие с потреблением энер­гии, называют эндергоническими. Катаболитические процессы, как правило, протекают с выделением энергии и называются экзергони­ческими. Обычно энергия катаболитических процессов используется в анаболитических реакциях.

Ключевыми соединением в реакциях переноса энергии является АТФ. Говорят, что энергия катаболитических реакций запасается в форме АТФ и расходуется в анаболитических процессах при участии АТФ.

Процессы анаболизма и катаболизма являются сопряженными, т.е. связанными между собой, и в процессе сопряжения происходит передача энергии, запасенной в форме АТФ. АТФ - энергетическая валюта клетки.

 

Перенос энергии в живой природе

 

Все процессы жизнедеятельности сопровождаются переносом энергии. Живые существа по способу получения энергии делят на 2 категории:

- автотрофы - синтезируют сложные соединения из углекислого газа,

- - фотоавтотрофы - в качестве источника энергии используют сол­нечный свет,

- - хемоавтотрофы - получают энергию при окислении неорганических веществ,

- гетеротрофы - получают необходимую энергию за счет окисле­ния сложных органических соединений.

Перенос энергии в биологических системах характеризуется

следующими особенностями:

1. Для биологических реакций характерны относительно неболь­шие изменения энергии. Если при расщеплении метаболита А до ко­нечного продукта Р количество освобожденной энергии велико, то реакция в клетке обычно разделяется на несколько промежуточных стадий, при протекании которых выделяется незначительное коли­чество энергии. С одной стороны, такая разбивка обеспечивает луч­ший выход продукта, а с другой - позволяет осуществлять ее регу­ляцию на промежуточных этапах.

2. Энергия, высвобождающаяся в экзергонических реакциях, за­пасается в виде АТФ (или других энергетически емких молекул). Все реакции анаболизма носят эндергонический характер, поэтому они должны быть сопряжены с экзергоническими реакциями. В качестве основного связующего звена выступает АТФ.

Например, химические связи в молекуле АТФ условно подразде­ляют на бедные энергией (при их разрыве выделяется менее 5 ккал/моль) и богатые энергией (при их разрыве выделяется более 5 ккал/моль). Богатые энергией связи называют макроэргическими.

АТФ: А-r-P-O~P-O~P

↑ ↑

7.3 7.6 ккал/моль

3. Все катаболитические реакции, имеющие место в живых организ­мах, в результате которых освобождается энергия при окислении субстратов, можно разбить на 3 группы:

а) Гидролитические реакции, в результате которых происходит превращение сложных молекул субстратов в относительно небольшое число метаболитов. Например, углеводы превращаются в моносахари­ды, липиды гидролизуются до спиртов и жирных кислот, белки гидро­лизуются до аминокислот. В результате таких превращений выделяет­ся около 0.1 % от всей энергии, получаемой организмом.

б) Простые метаболиты подвергаются специфическим реакциям расщепления, в результате которых выделяется сравнительно неболь­шое количество энергии:

- гексозы путем гликолиза расщепляются до пировиноградной кислоты,

- жирные кислоты путем β-окисления превращаются до активной формы уксусной кислоты – ацетилкофермента А,

- аминокислоты путем дезаминирования пре5вращаются в оксикислоты.

В результате данных процессов окисления получаются ценные продукты: СН₃СООН, СН₃СО~СоА, кислоты (фумаровая, щавелево-уксусная), называемые центроболитами. Центроболиты мо­гут быть далее подвергнуты дальнейшему окислению и получению энергии или же использоваться в анаболитических процессах в ка­честве строительного клеточного материала. На данном этапе выделяется около 1/3 всей энергии, получаемой при окислении субстра­та.

в) Цикл реакций, в процессе которых метаболиты расщепляются до углекислого газа и воды - цикл Кребса (ЦТК) и Дыхательная цепь. Именно эти реакции обеспечивают в основном все энергетические потребности клетки. На данной стадии организм получает 2/3 всей энергии окисленного субстрата.

Процессы окисления в биологических системах подразделяются на аэробные и анаэробные.

Аэробное окисление - процесс, протекающий при достаточном количестве кислорода.

Анаэробное окисление - процесс, протекающий в условиях дефи­цита кислорода.

 

ФЕРМЕНТЫ

 

Общее понятие

 

Помимо того, что белки являются структурным компонентом клеток и тканей, наиболее важной является каталитическая активность белков.

В живых организмах протекает одновременно множество реакций легко и быстро благодаря присутствию специальных биокатализаторов ферментов. Например, гидролиз белка.

Катализаторы - вещества, меняющие скорость химических реак­ций, но не входящие в состав готовых продуктов.

Вещества, подвергающиеся превращениям в процессе ферментативных реакций, называют субстратами (s).

Ферменты значительно эффективнее обычных катализаторов. Это связано с тем, что они обладают высокой специфичностью по отношению к катализируемым реакциям и могут катализировать либо одну, либо небольшое число реакций. Непременным условием их действия является связывание с реагирующей молекулой (субстратом) и образование фермент-субстратного комплекса.

Действие катализаторов заключается в том, что они снижают энергию активации (Е_а), необходимую для осуществления данной реакции, путем образова­ния промежуточного комплекса фермент-субстрат.

сахароза → глюкоза + фруктоза

 

Катализатор	Энергия активации, кал/моль
отсутствует
НСl
Сахараза

 

Понижение энергии активации субстрата-сахарозы происходит из-за деформации молекулы субстрата, происходящей при образовании субстрат-ферментного комплекса. Деформация ослабляет внутримолекулярные связи и делает молекулу значительно более способной к определенной реакции.

 

Строение ферментов

 

Ферменты могут иметь различное строение: они могут состоять только из белка, обладающего каталитическими свойствами, или же из белка – апофермента и небелковой части - простетической группы.

Если простетическая группа, легко отделяется от белковой части молекулы фермента, ее называют коферментом. Коферменты непосредственно участвуют в реакции, катализируемой ферментом, а белковая часть молекулы – апофермент - определяет специфичность реакции на этапе связывания субстрата.

В молекуле каждого фермента выделяют активный центр (АЦ) – это та часть молекулы фермента, к которой присоединяется субстрат. На АЦ приходится малая часть объема молекулы фермента.

В составе АЦ фактически следует различать участок, ответственный за присоеди­нение субстрат - центр связывания и каталитический центр, который воздействует на субстрат, заставляя его вступать в реакцию и изменяться. В ка­талитических центрах большей части известных ферментов обычно на­ходят один или несколько остатков из числа следующих аминокислот (АК): серин (ser), цистеин (cys), лизин (lys), тирозин (tyr), гистидин (his), называемых функциональными группами, которые непременно сближены в пространстве, а в линейной последовательности полипептида могут располагаться достаточно далеко друг от друга.

Коферменты, как правило, выполняют функцию каталитического центра.

Химическая природа коферментов очень разнообразна.

В качестве коферментов чаще всего могут выступать соединения нуклеотидной природы: никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и его фосфоргый эфир (НАДФ), АТФ, Коэнзим-А. У ряда ферментов коферментами являются флавопротеиды: флавинадениндинуклетотид (ФАД). Функцию кофермен­тов могут выполнять витамины.

Например, НАД и ФАД катализируют отщепление от субстратов водорода.

Коферментами могут являться:

1) Тетрапиррольные структуры (например, группа ГЕМ в молекуле ге­моглобина), содержащие ионы металлов переменной валентности (нап­ример, Fe^2+/3+). Эти структуры участвуют в переносе электронов и входят в состав ферментов: цитохромы, каталаза, гемоглобин.

2) Ионы металлов (Меt⁺): Zn²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Ca²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Mo²⁺.

3) Производные водорастворимых витаминов:

В₁(тиамин) - тиаминпирофосфат. Вит.В₁ в виде тиаминпирофосфата является коферментом декар­боксилаз кетокислот и участвует в процессах декарбоксилирования.

РР (никотинамид) - НАД, НАДФ. является составной частью коферментов НАД, НАДФ, которые катализируют реакции биологическо­го окисления, участвуют в процессах распада углеводов, синтеза ЖК, обмене аминокислот (АК).

В₂ (рибофлавин) - ФАД. Эти ферменты, содержащие ФАД, катализируют процессы тканевого ды­хания, синтеза и распада жирных кислот (ЖК). Вит.В₂ регулирует важные процессы обмена веществ в организме.

В₆ (пиридоксаль). В виде фосфорного эфира фосфопиридоксаль выступает в качест­ве кофермента декарбоксилаз, трансаминаз и участвует в процессах декарбоксилирования и переаминирования аминокислот.

 

Свойства ферментов

Каждый фермент характеризуется таким показателем, как актив­ность. За единицу активности принимают количество фермента, кото­рое в стандартных условиях катализирует превращение 1 мкМоля субстрата в 1 минуту.

Кроме того, в 1972 г. было предложено выражать ферментатив­ную активность в каталах. Катал - это количество фермента, ката­лизирующее превращение 1 Моля субстрата в 1 секунду.

Существует понятие удельной активности. Это активность фер­мента, отнесенная к его молекулярной массе, если таковая извест­на (Е/мг белка, Е/мл белка).

Свойства ферментов:

1. Термолабильность. Ферменты - термолабильные вещества, чувствительные к изменению температуры. Температура, при которой каталитическая активность максимальна - называют температурным оптимумом (Тopt). Тopt большинства ферментов животного происхождения ле­жит в интервале 40-50^оС, а растительного - 50-60^оС. Однако, встречаются ферменты с Тopt = 80^оС. При повышении температуры вы­ше Тopt фермент инактивируется, т.е. его активность снижается вплоть до исчезновения.

 

2. Влияние рН среды. На активность фермента оказывает влия­ние концентрация ионов водорода. Для каждого фермента существует свое оптимальное значение рН, при котором его активность макси­мальна. Отклонение значения рН от оптимального вызывает понижение активности фермента вплоть до его полной инактивации.

 

Фермент рНopt Функция

Пепсин 1.5-2.0 гидролиз белка

Трипсин 7.8-8.5 гидролиз белка

Липаза 4.7-5.0 гидролиз жиров

 

3. Специфичность. Она заключается в том, что каждый фермент может катализировать одну или несколько близких по своей природе реакций.

Еще в 1890 г. Эмиль Фишер предсказал, что «фермент должен подходить субстрату, как ключ к замку». Это означает, что фермент может катализировать превращение субстрата, если имеет место соответствие пространственных конфигураций формы молекулы субстрата активному центру фермента. Такое соответствие часто называют сродством.

Однако значительно позднее Кошланд высказал идею об индуцированном соответствии пространственных конфигураций активного центра фермента субстрату, что впоследствии подтвердилось. При связывании субстрата происходит изменение формы фермента. Активный центр фермента только после присоединения субстрата становится комплементарным ему по форме.

Специфичность ферментов условно подразделяют на:

Относительную специфичность - ею обладают ферменты, которые действуют на соединения, имеющие определенный тип связей. Напри­мер, протеиназы действуют на пептидную группу. Это ферменты широ­кого спектра действия.

Групповая специфичность - характерна для ферментов, которые действуют на субстраты, имеющие одинаковый тип связи и одну из функциональных группировок. Это могут быть: фосфомоноэстеразы, гидролизующие субстрат определенной структуры, например, от фосфатидной кислоты отщепляют фосфорную группировку (―РО₃Н₂).

Абсолютная специфичность - ею обладают ферменты, действующие только на один субстрат с вполне определенной структурой.

К ферментам, обладающим абсолютной специфичностью относятся уреаза, катализирующая превращение карбамида (мочевины) до углекислого газа и воды, ацетилхолинэстераза и др.

Стереохимическая специфичность - фермент действует только на определенный стереоизомер.

Активаторы и ингибиторы

 

Каталитическая функция ферментов зависит от влияния различных веществ, одни из которых повышают скорость реакций, а другие – понижают. В соответствии с воздействием на фермент все вещества можно разделить на активаторы и ингибиторы.

Активаторы – вещества, повышающие активность ферментов. Они способны защищать ферменты от агрессивных химических воздействий. В ряде случаев, например, свободный цистеин защищает сульфгидрильные (SH-) группы цистеиновых остатков фермента от окисления. Mg²⁺ - активирует реакции с участием АДФ и АТФ.

Ингибиторы – вещества, угнетающие действие ферментов. Механизм их действия состоит в том что ингибитор вступает в соединение с ферментом, образуя неактивный ингибитор-фермент комплекс вместо комплекса фермент-субстрат, что приводит к блокированию фермента.

Ингибирование может быть неспецифическим и специфическим.

При неспецифическом ингибировании наблюдается действие солей тяжелых металлов (Pb²⁺; Hg²⁺; Cd²⁺), тонина; CCl₃COOH на белковые молекулы, которые образуют с белками нерастворимые осадки, вызывая их осаждение. Его могут вызывать также концентрированные кислоты и щелочи, органические растворители.

Действие специфических ингибиторов основано на специфическом связывании с определенными группами в активном центре фермента. Например, СО (окись углерода) специфически ингибирует ряд окислительных ферментов, соединенных в активном центре Fe или Cu. Они вступают во взаимодействие с металлами, блокируют активный центр.

Ингибирование может быть обратимым и необратимым.

При необратимом ингибировании ингибитор ковалентно соединяется с ферментом или связывается очень прочно. Примером может служить действие нервно-паралитических газов на ацетилхолинэстеразу, играющую важную роль в пердаче нервных импульсов. При этом ингибитор приводит к необратимому изменению структуры фермента и его инактивации, являясь денатурирующим агентом. Необратимые ингибиторы - это сильные кислоты, щелочи, спирт, цианиды и т.д.

Примером обратимого ингибирования служит конкурентное ингибирование. В качестве конкурентных ингибиторов могут выступать соединения близкие по структуре к субстрату, обладающие иногда большим сродством к ферменту, чем субстрат. Они занимают место в активном центре фермента, блокируя его. Этот тип ингибирования является обратимым. Чем выше концентрация субстрата, тем меньше сказывается действие ингибитора. Например, малоновая кислота COOH-CH₂-COOH – конкурентный ингибитор сукцинатдегидрогеназы, субстратом которой является янтарная кислота (сукцинат) COOH- CH₂ -CH₂-COOH.

Частным случаем конкурентного ингибирования является субстратное ингибирование. Оно наблюдается при слишком высоких концентрациях субстрата. В этом случае активный центр фермента блокируется за счет того, что одновременно несколько молекул пытаются с ним связаться.

Неконкурентное ингибирование. В этом случае ингибитор соединяется с ферментом не по активному центру, при этом меняется конфигурация всей молекулы фермента, в том числе и активного центра, ингибируя его (снижая его активность). Например, HCN действует на железосодержащие ферменты, осуществляющие перенос электронов при окислительно-восстановительных реакциях. Тяжелые металлы действуют путем присоединения по тиоловым группам ферментов. Их действие не снимается добавлением субстрата.

 

Часто активаторы и ингибиторы называют эффекторами.

Эффекторы – химические соединения, влияющие на ход ферментативных реакций. Они могут быть активаторами («+» эффекторами) или ингибиторами («-» эффекторами).

Классификация ферментов

 

Официальная классификация ферментов была принята в 1961 г. В соответствии с этой классификацией название фермента должно отра­жать тип катализируемой реакции.

Все ферменты подразделяют на 6 групп:

 

1. Оксидоредуктазы - катализируют реакции окисления и восс­тановления. Большая часть оксидоредуктаз имеет коферменты.

Оксидазы - ферменты, использующие для окисления субстрата молекулярный кислород.

Гидроксилазы - ферменты, преобразующие в присутствии О₂

-СН₃ → -СН₂-ОН

-СН₂- → -СН-ОН

| |

Дегидрогеназы - катализируют отщепление водорода от окисляе­мых субстратов.

2. Трансферазы - отрывают химическую группу от одного соеди­нения, связывают ее, а затем присоединяют к другому соединению:

Трансаминазы - переносят аминогруппу с АК на кетокислоты.

Фосфокиназы (или просто киназы) - переносят остаток фосфорной кислоты на АДФ или от АТФ на субстрат.

3. Гидролазы - катализируют разрыв химической связи с присо­единением молекулы воды.

Эстеразы - гидролизуют сложные эфиры с образованием кислоты и спирта.

Липазы - гидролизуют глицериды на глицерин и жирные кислоты.

Гликозидазы - гидролизуют гликозиды на сахарид и спирт.

4. Лиазы - катализируют разрыв связей С-С, C-N, C-O, C-S.

Декарбоксилазы - катализируют реакции декарбоксилирования:

R-CO-COOH → R-CHO + CO₂.

Альдолазы - катализируют разрыв гексозофосфатов на 2 молеку­лы триозофосфатов.

5. Изомеразы - катаризируют различные процессы изомеризации.

Эпимеразы - вызывают взаимные переходы сахаров, например, галактоза ↔ глюкоза.

Мутазы - катализируют перенос химических групп с одной части молекулы на другую, например глюкозо-6 фосфатмутаза катализирует превращение глюкозо-6 фосфата в глюкозо-1 фосфат.

6. Лигазы - катализируют процессы конденсации двух сочетаю­щихся молекул за счет энергии распада АТФ:

Аминоацил-тРНК-синтетазы - присоединяют АК к молекуле транс­портной РНК. Это первый этап синтеза белка.