Виды биохимических процессов

Обмен веществ в организме протекает как сложная совокупность различных биохимических процессов. Наиболее распространенными кинетическими процессами являются последовательные, параллельные, циклические, аутокаталитические и цепные.

Последовательной реакцией можно назвать такой процесс, который протекает путем последовательного превращения одного вещества в другое по схеме:

А —— ► В —— ► С —— ►.... —— ► D,

 

где A, В, С,... D — отдельные стадии процесса. Скорость образования конечных продуктов реакции, т. е. суммарная последовательная реакция, будет определяться скоростью наиболее медленной стадии. В каче­стве примера последовательной реакции можно привести гидролиз гликогена, протекающий путем последователь­ного отщепления от исходной молекулы гликогена по одному глюкозному остатку.

Параллельными называются такие реакции, в результате которых из исходных веществ образуется несколько конечных продуктов по схеме:

 

 

Соотношение концентраций конечных продуктов будет определяться константами скоростей параллельных ре­акций k_b и k _с:

 

                                                                            (16)Примером параллельной реакции является окисление глюкозы. Глюкоза может окисляться по гликолитическому пути до пировиноградной кислоты; дальнейшее окисление может пойти по двум параллельным путям— либо в цикле Кребса, либо в цикле гексозомонофосфата.

Большую роль в процессе обмена веществ играют различные циклические процессы. Из них наиболее важны цикл Кребса, цикл образования мочевины, цикл окисления жирных кислот. В результате циклических процессов одни вещества, вступающие в цикл, полностью превращаются в конечные вещества и исключаются из                       108

 

цикла, другие же постоянно вращаются в цикле. Простейшей формой циклической реакции может служить ферментативная реакция, в которой фермент многократ­но проходит через свободную и связанную форму. В та­ком цикле одна молекула фермента обеспечивает пре­вращение многих молекул субстрата. Благодаря наличию циклов в организме происходит экономное использование тех веществ, которые доступны ему в ма­лых количествах. Наиболее нагляден пример с витами­нами группы б, которые входят в состав коферментов. 1 — 2 мг тиамина и рибофлавина и 10 — 20 мг никотино­вой кислоты в сутки обеспечивают превращение 400 г углеводов, 70 — 100 г жиров и 70 — 100 г белков. Под­счеты показывают, что одна молекула фермента изме­няет при этом 10³ — 10⁶ молекул субстрата в минуту.

Скорость превращения веществ в циклах — скорость вращения циклов — зависит от относительных концентраций веществ, составляющих отдельные стадии цикла. Она тем выше, чем больше отличаются отношения кон­центраций от равновесных значений.

Обычно циклы вращаются в одном направлении. Это достигается в результате наличия в цикле хотя бы одной необратимой (в биохимическом смысле) стадии. В цикле Кребса, например, такой стадией является об­разование углекислого газа.

Важную роль в некоторых процессах, происходящих в организме в норме и особенно при патологии и поражениях, играют реакции, в ходе которых образуются продукты, катализирующие данные реакции. Если роль катализаторов реакции играют конечные продукты, то такие реакции называются аутокаталитическими. Для аутокаталитических реакций характерен инкубационный период, при котором выход конечных продуктов незначителен из-за большой энергии активации. Затем инку­бационный период сменяется стремительным нарастанием скорости реакции. Конечный продукт, являясь ка­тализатором, играет роль положительной обратной свя­зи в химической системе, ускоряя процесс. По ходу реакции образуется все больше молекул продукта — ка­тализатора и реакция соответственно ускоряется.

Отличительной чертой аутокаталитических реакций является то, что они протекают не непрерывно, а периодически. Они «включаются» при возникновении соответ­ствующей потребности. Так, например, при поступлении

109

 

пищи в пищеварительный тракт возникает потребность в протеолитических ферментах, которая реализуется че­рез аутокаталитические реакции. Как уже отмечалось в главе 1, положительная обратная связь встречается в тех системах, где за небольшой промежуток времени необходимо достичь максимального значения выходной величины. Аутокаталитический механизм положительной обратной связи имеют большинство реакций превраще­ния проферментов в ферменты. Примером такой реак­ции является превращение трипсиногена в трипсин, где ферментом служит сам трипсин:

трипсин

трипсиноген       ———> трипсин + гексапептид

Эту реакцию начинает другой менее эффективный фермент — энтерокиназа, выделяющийся при поступлении пищи в желудочно-кишечный тракт. Сразу же после образования небольшого количества трипсина реакция ускоряется и за небольшой промежуток времени весь трипсиноген превращается в активный фермент. Таким образом, благодаря аутокаталитической реакции пищеварительные ферменты приводятся в действие как раз в тот момент, когда они необходимы организму.

Большой интерес представляют цепные реакции, которые катализируются не конечными, а промежуточными продуктами реакции. Условием возникновения цепных реакций является начальная активация, которая заклю­чается в поглощении энергии молекулами и в образова­нии активных соединений — радикалов. Первичная реак­ция возникновения активных соединений может проис­ходить при действии на организм радиоактивного излу­чения, ультразвука, электрического разряда, некоторых химических веществ, в частности ядов некоторых змей. Иногда для возникновения радикалов бывает доста­точно тепловой энергии некоторых молекул, которая по­высилась за счет удачных столкновений с другими мо­лекулами. Реакция возникновения радикалов называется зарождением цепи. После зарождения цепи происходит процесс продолжения цепи: свободные радикалы всту­пают во взаимодействие с другими молекулами, отрывая от них атомы или группы атомов. Среди образовавших­ся продуктов реакции вновь возникают радикалы, кото­рые вступают во взаимодействие с новыми молекула­ми. Если на один прореагировавший радикал образу-

110

 

 

етcя несколько новых, то реакция будет разветвленной. Цепные реакции, как и аутокаталитические, имеют инкубационный период, который характеризуется невысокой скоростью из-за большой энергии активации. Затем за счет разветвления цепей может произойти ускорение реакции. При образовании большого количества радикалов они начинают рекомбинировать (попарно соединяться), в результате чего образуются устойчивые соединения, не способные продолжать дальше цепь. Скорость всего процесса определяется соотношением количества образующихся и гибнущих свободных радикалов. Обрыв цепи можно вызвать введением некоторых веществ, называемых ингибиторами радикалов. Инги­биторы взаимодействуют со свободными радикалами с образованием инертных веществ, неспособных продолжать развитие цепи.

Некоторые патологические процессы имеют, по-видимому, в своей основе подобные цепные механизмы. На­пример, после получения смертельной дозы радиоактивного облучения смерть организмов наступает не сразу. Смерть наступает через некоторый промежуток времени, достаточный, по мнению Б. Н. Тарусова, для развития цепного процесса.

Вторым аргументом в пользу цепного характера лучевого поражения является значительная зависимость реакции поражения от температуры. При понижении температуры до +2, +4°С у низших организмов можно приостановить развитие лучевого поражения. При вычислении на основе температурных зависимостей энергий активации реакций лучевого поражения и цепных реакций были получены близкие цифры.

Наконец, важным аргументом в пользу теории цеп­ных процессов лучевого поражения является тот факт, что ингибиторы радикалов при их введении в организм оказывают защитное действие при радиоактивном облучении (химическая защита).

Ряд фактов дает указания на то, что и некоторые другие патологические процессы в организме имеют цеп­ной характер, например реакции поражения, вызванные действием протоплазматических ядов (ядов некоторых змей, иприта, люизита и пр.).

Имеются доказательства, что выработка организмом антител при иммунитете описывается уравнениями кине­тики цепных реакций с разветвленными цепями.

111

 

 

В последнее время установлено, что важную роль в разнообразных биологических процессах играют свободнорадикальные реакции. Свободные радикалы в резуль­тате наличия неспаренных электронов обладают исклю­чительно высокой химической активностью. Они рас­сматриваются как высокоактивные промежуточные продукты, образующиеся при биохимических реакциях. Основным источником свободных радикалов в организме при обменных процессах являются одноэлектронные процессы в окислительно-восстановительных реакциях. Роль радикалов как промежуточных частиц особенно велика, как указывалось, в цепных неразветвленных и развет­вленных реакциях. Особенно большое значение, по-види­мому, имеет возникновение радикальных реакций при повреждающих воздействиях: образование радикалов в тканях происходит при действии ультрафиолетового излучения, ионизирующей радиации, ультразвука (см. главы 3 и 10). Образование радикалов, которые могут вызвать зарождение цепных реакций, — одна из основ­ных причин повреждающего действия перечисленных факторов. За последнее время было получено также большое количество данных, указывающих на опреде­ленное участие свободных радикалов в процессах злока­чественного роста, что является новым перспективным направлением исследования проблемы рака.