Физические свойства белков

Классификация белков

Все природные белки (протеины) под­разделяют на два больших класса:1 Простые белки гидролизуются кисло­тами или щелочами до аминокислот и не дают при гидролизе других органи­ческих и неорганических соединений. Они состоят только из остатков α-ами­нокислот.Классификация простых бел­ков основана на растворимости.1 Аль­бумины – белки, которые растворяются в воде. К этим белкам относятся белок куриного яйца, белки зародыша семян злаковых (однодольных) растений, белки семян двудольных растений. 2 Глобулины – белки, растворимые в со­лях. Глобулины составляют большую часть белков семян масличных куль­тур.3 Проламины – белки, которые рас­творяются в 60-80%-ном растворе эти­лового спирта. Название «проламины» они получили вследствие того, что в их состав входит большое количество ами­нокислоты пролина. Проламины синте­зируются только в семенах злаковых растений 4 Глютелины – белки, которые извлекаются из растительных тканей разбавленными растворами щелочей (0,2%-ный NаОН). Кроме этих четырех групп белков к простым относят также следующие белки со специфическими свойствами:5 Протамины – это белки небольшой молекулярной массы, со­стоящие на 80% из щелочных амино­кислот и не содержащие серу. 6 Гис­тоны – низкомолекулярные белки также основного характера, содержатся в хро­мосомах клеточных ядер и играют важ­ную роль в образовании структуры хроматина. Гистоны – настоящие белки, в их состав входят почти все белковые аминокислоты. 2. Сложные белки кроме аминокислотных остатков белковой части молекулы содержат также небел­ковую, или простетическую группу. Простетическая группа может быть представлена химическими веществами различной природы (табл. 1). Сложные белки подразделяются по небелковому компоненту. Полноценными называют белки, содержащие все незаменимые аминокислоты. Белки, не содержащие хотя бы одну незаменимую аминокис­лоту, называют н е п о л н о ц е н н ы м и. Функции белков

1 Каталитическая. Наиболее многочис­ленная группа белков – это белки-фер­менты, катализирующие биохимические реакции. С помощью белков-ферментов в живой клетке достигается закономер­ная последовательность химических превращений веществ, обеспечивающая жизнедеятельность организмов. 2 За­пасная. Запасные белки в больших ко­личествах накапливаются в клетках зерна и семян при созревании на расте­нии, а затем при прорастании зерна и семян гидролизуются до аминокислот или молекулярных пептидов, исполь­зуемых затем клеткой для формирова­ния нового растения на ранних стадиях развития. В животном организме белки в запас не откладываются поэтому должны поступать вместе с пищей еже­дневно в необходимых количествах.3 Защитная. Защитные белки предохра­няют живой организм от разрушения или способствуют его выживанию при повреждении. Защитная функция бел­ков – токсинов, вырабатываемых расте­ниями, заключается в том, что они за­щищают растения от поедания их жи­вотными, а также ингибируют протео­литические ферменты насекомых-вре­дителей, повреждающих семена многих растений.4 Структурная. Структурные белки входят в состав покровных тка­ней растений,Они составляют также структурную основу биомембран кле­ток, обеспечивая сохранение органел­лами клетки необходимой последова­тельности биохимических реакций.5 Сократительная и двигательная. К этим белкам относится миозин мышц.6 Регу­ляторная. Эти белки участвуют в регу­ляции обменных реакций. К ним отно­сятся многие гормоны, например инсу­лин, регулирующий обмен глюкозы.7 Транспортная. Транспортные белки переносят специфические молекулы или ионы. Например, гемоглобин. Свя­зывают кислород и переносят его к пе­риферическим тканям.

Физические свойства белков

1. В живых организмах белки находятся в твердом и ра

створенном состоянии. Многие белки являются кристаллами, однако, они не дают истинных раство­ров, т.к. молекула их имеет очень боль­шую величину. Водные растворы бел­ков – это гидрофильные коллоиды, на­ходящиеся в протоплазме клеток, и это активные белки. Кристаллические твер­дые белки – это запасные соединения. Денатурированные белки (кератин во­лос, миозин мускулов) являются опор­ными белками. 2. Все белки имеют, как правило, большую молекулярную массу. Она зависит от условий среды (t°, рН) и методов выделения и колеб­лется от десятков тысяч до миллионов. 3. Оптические свойства. Растворы белка преломляют световой поток, и чем больше концентрация белка, тем силь­нее преломление. Пользуясь этим свой­ством, можно определить содержание белка в растворе. В виде сухих пленок белки поглощают инфракрасные лучи. Они поглощаются пептидными груп­пами. Денатурация белка – это внутримоле­кулярная перегруппировка его моле­кулы, нарушение нативной конформа­ции, не сопровождающиеся расщепле­нием пептидной связи. Аминокислотная последовательность белка не изменя­ется. В результате денатурации проис­ходит нарушение вторичной, третичной и четвертичной структур белка, образо­ванных нековалентными связями, и биологическая активность белка утра­чивается полностью или частично, об­ратимо или необратимо в зависимости от денатурирующих агентов, интенсив­ности и продолжительности их дейст­вия. Изоэлектрическая точка Белки, как и аминокислоты, - амфотерные электро­литы, которые мигрируют в электриче­ском поле со скоростью, зави­сящей от их суммарного заряда и рН среды. При определенном для каждого белка значе­нии рН его молекулы элек­троней­тральны. Это значение рН назы­вается изоэлектрической точкой белка. Изо­электрическая точка белка зависит от числа и природы заряженных групп в молекуле. Белковая молекула заряжена положительно, если рН среды ниже ве­личины ее изоэлектрической точки, и отрицательно, если рН среды выше зна­чения изоэлектрической точки данного белка. В изоэлектрической точке белок обладает наименьшей растворимостью и наибольшей вязкостью, в результате чего происходит наиболее легкое осаж­дение белка из раствора – коагуляция белка. Изоэлектрическая точка – одна из характерных констант белков. Од­нако если довести раствор белка до изо­электрической точки, то сам по себе белок все же не выпадает в осадок. Это объясняется гидрофильностью белко­вой молекулы.

9. Физическо-химические свойства бел­ков определяются их высокомолеку­лярной природой, компактность ук­ладки полипептидных цепей и взаим­ным расположением остатков амино­кислот. Молекулярная масса варьиру­ется от 5 до 1 млн., а константы седи­ментации - от 1 до 20 (и выше). Сред­ний удельный объем белковых молекул -0,70-0,75 см3/г, а константы диффузии - 106-108 см2/с. Максимум поглощения белков, в УФ-области спектра, обуслов­ленный наличием ароматических ами­нокислот, находится вблизи 280 нм. Белки дают ряд цветных реакций, обу­словленных наличием определенных аминокислотных остатков или химиче­ских группировок. К важнейшим из них относятся: биуретовая реакция (пептид­ные связи), ксантопротеиновая реакция (ароматические ядра остатков тирозина, триптофана, фенилаланина), Адамке­вича реакция (индольное кольцо трип­тофана), Миллона реакция (фенольный радикал тирозина), Паули реакция (имидазольное кольцо гистидина), Са­кагучи реакция (гуанидиновая группа аргинина) и нингидриновая реакция (аминограппа).

10.Все белки принято делить на про­стые белки,или протеины, и сложные белки, или протеиды (комплексы бел­ков с небелковыми соедине­ниями).Простые белки являются поли­мерами только аминокислот; сложные, помимо остатков аминокислот, содер­жат также небелковые, так называемые простетические группы.Сложные белки делят на ряд классов в зависимости от характера простетической группы.ФосфопротеиныИмеют в каче­стве небелкового компонента фосфор­ную кислоту. Представителями данных белков являются казеиноген молока, вителлин (белок желтков яиц). Липо­протеиныСложные белки, простетиче­ская группа которых образована липи­дами. Основная функция липопротеи­нов -- транспорт по крови липидов. Ме­таллопротеиныСодержат катионы од­ного или нескольких металлов. Наибо­лее часто это -- железо, медь, цинк, мо­либден, реже марганец, никель. Глико­протеиныПростетическая группа пред­ставлена углеводами и их производ­ными. Исходя из химического строения углеводного компонента, выделяют 2 группы:Истинные -- в качестве угле­водного компонента наиболее часто встречаются моносахариды. Протеогли­каны -- построены из очень большого числа повторяющихся единиц, имею­щих дисахаридный характер (гиалуро­новая кислота, гипарин, хондроитин, каротинсульфаты). Функции: струк­турно-механическую (имеются в коже, хряще, сухожилиях); каталитическую (ферменты); защитную; участие в регу­ляции клеточного деления. Нуклеопро­теины. Роль протеистической группы выполняет ДНК или РНК. Белковая часть представлена в основном гисто­нами и протаминами. Такие комплексы ДНК с протаминами обнаружены в сперматозоидах, а с гистонами -- в со­матических клетках, где молекула ДНК “намотана” вокруг молекул белка-гис­тона. Нуклепротеинами по своей при­роде являются вне клетки вирусы -- это комплексы вирусной нуклеиновой ки­слоты и белковой оболочки – капсида. Нуклеопротеины состоят из белков и нуклеиновых кислот. Последние рас­сматриваются как простетические группы. В природе обнаружено 2 типа нуклеопротеинов, отличающихся друг от друга по составу, размерам и физико-химическим свойствам,– дезоксирибо­нуклеопротеины (ДНП) и рибонуклео­протеины (РНП). Названия нуклеопро­теинов отражают только природу угле­водного компонента (пентозы), входя­щего в состав нуклеиновых кислот. У РНП углевод представлен рибозой, у ДНП – дезоксирибозой. Термин «нук­леопротеины» связан с названием ядра клетки, однако ДНП и РНП содержатся и в других субклеточных структурах. Следовательно, речь идет о химически индивидуальном классе органических веществ, имеющих своеобразные со­став, структуру и функции независимо от локализации в клетке. Доказано, что ДНП преимущественно локализованы в ядре, а РНП – в цитоплазме. В то же время ДНП открыты в митохондриях, а в ядрах и ядрышках обнаружены также высокомолекулярные РНП.

11. Все белки принято делить на про­стые белки,или протеины, и сложные белки, или протеиды (комплексы бел­ков с небелковыми соедине­ниями).Простые белки являются поли­мерами только аминокислот; сложные, помимо остатков аминокислот, содер­жат также небелковые, так называемые простетические группы.Сложные белки делят на ряд классов в зависимости от характера простетической группы.ФосфопротеиныИмеют в каче­стве небелкового компонента фосфор­ную кислоту. Представителями данных белков являются казеиноген молока, вителлин (белок желтков яиц). Метал­лопротеиныСодержат катионы одного или нескольких металлов. Наиболее часто это -- железо, медь, цинк, молиб­ден, реже марганец, никель. Гликопро­теиныПростетическая группа представ­лена углеводами и их производными. Нуклеопротеины. Роль протеистической группы выполняет ДНК или РНК. Бел­ковая часть представлена в основном гистонами и протаминами. Липопро­теиныСложные белки, простетическая группа которых образована липидами. Основная функция липопротеинов -- транспорт по крови липидов.К белкам этого класса относятся казеиноген мо­лока, в котором содержание фосфорной кислоты достигает 1%; и др. Большое количество фосфопротеинов содер­жится в клетках ЦНС. Характерной особенностью структуры фосфопротеи­нов является то, что фосфорная кислота оказывается связанной сложноэфирной связью с белковой молекулой через гидроксильные группы β-оксиамино­кислот, главным образом серина и в меньшей степени треонина. На одну молекулу белка обычно приходится 2–4 остатка фосфата. Фосфопротеины со­держат органически связанный, лабиль­ный фосфат, абсолютно необходимый для выполнения клеткой ряда биологи­ческих функций. Кроме того, они явля­ются ценным источником энергетиче­ского и пластического материала в про­цессе эмбриогенеза и дальнейшего по­стна-тального роста и развития орга­низма.

12. Хромопротеины (от греч. chroma – краска) состоят из простого белка и свя­занного с ним окрашенного небелко­вого компонента. Различают гемопро­теины (содержат в качестве простетиче­ской группы железо), маг-нийпорфи­рины и флавопротеины (содержат про­изводные изоаллоксазина). Хромопро­теины наделены рядом уникальных биологических функций: они участвуют в таких фундаментальных процессах жизнедеятельности, как фотосинтез, дыхание клеток и целостного орга­низма, транспорт кислорода и диоксида углерода, окислительно-восстанови­тельные реакции, свето-и цветовос­приятие и др. Таким образом, хромо­протеины играют исключительно важ­ную роль в процессах жизнедеятельно­сти. Например, подавление дыхатель­ной функции гемоглобина путем введе­ния оксида углерода (СО) либо утили­зации (потребление) кислорода в тканях путем введения синильной кислоты или ее солей (цианидов), ингибирующих ферментные системы клеточного дыха­ния, моментально приводит к смерти организма. Хромопротеины являются непременными и активными участни­ками аккумулирования энергии, начи­ная от фиксации солнечной энергии в зеленых растениях и утилизации ее до превращений в организме животных и человека. Хлорофилл (магнийпорфи­рин) вместе с белком обеспечивает фо­тосинтетическую активность растений, катализируя расщепление молекулы воды на водород и кислород (поглоще­нием солнечной энергии). ГЕМОГЛО­БИН осн. белок дыхат. цикла, участ­вующий в переносе О2 от органов ды­хания к тканям, а в обратном направле­нии - СО2. Содержится в эритроцитах крови почти всех позвоночных и гемо­лимфе большинства беспозвоночных животных. Гемоглобин взрослого че­ловека (НbА) имеет мол. м. 6,49*104 и принадлежит к числу наиб. изученных белков. Его форма в р-ре близка к эл­липсоиду с осями 6,4, 5,5 и 5,0 нм; изо­электрич. точка 6,9. Тетрамер НЬА со­стоит из двух и двухсубъединиц, их по­липептидные цепи содержат соотв. 141 и 146 аминокислотных остатков. Из­вестны первичная структура обеих це­пей, а также пространств. структура оксигенированной, дезоксигенирован­ной, ряда лигандированных, а также окисленной формы (содержит Fe3 +) НbА. Пространств. структура субъеди­ниц (рис. 1) характеризуется наличием восьмиспиральных участков, вклю­чающих около 80% аминокислотных остатков, и внутр. полости -гемового кармана. Фиксирование тема в субъе­динице осуществляется в результате гидрофобных взаимод. пиррольных и винильных групп тема с алифатич. и ароматич. боковыми радикалами ами­нокислот, выстилающими полость кар­мана, а также благодаря координацион­ной связи (направлена перпендикулярно к плоскости кольца тема) Fe2+ с акси­альным лигандом-имидазольной груп­пой гистидина

МИОГЛОБИН белок мышц позвоноч­ных животных и человека, связываю­щий переносимый гемоглобином О2 и передающий его окислит. системам клетки. Состоит из одной полипептид­ной цепи, содержащей 153 аминокис­лотных остатка (мол. м. 17800), к-рая уложена в плотную глобулу размером 4,5 х 2,5 нм. В спец. полости миогло­бина ("кармане") помещается гем, к-рый связан с остальной частью моле­кулы (глобином), как в гемоглобине. Ок. 75% полипептидной цепи находится в конформации a-спирали (все a-спи­рали правозакрученные). Между облас­тями спи-рализации находятся 5 неспи­рализованных участков; такие же уча­стки находятся на концах цепи. Внутр. область молекулы состоит гл. обр. из неполярных остатков лейцина, валина, метионина, фенилаланина и не содер­жит боковых полярных цепей глутами­новой и аспарагиновой к-т, глута-мина, аспарагина, лизина и аргинина. На на­ружной стороне молекулы располо­жены как полярные, так и неполярные аминокислотные остатки. Связывание лигандов сопровождается конформац. изменениями белка, и, наоборот, кон­формац. изменения вблизи тема изме­няют его электронное состояние и ре­акц. способность (т.наз. электронно-конформац. взаимод.). Ф-ция миогло­бина запасать О2 в мышцах при его из­бытке и освобождать при недостатке основана на способности иона Fe2+ об­ратимо связывать молекулу О2 с об­ра­зованием оксимио-глобина. Особенно значительным отличием гемоглобина от миоглобина является кривая насыщения кислородом, которая имеет сигмоидную форму. Мутантные гемоглобины чело­века. Гемоглобин С или ΗbC — один из мутантных гемоглобинов.Мутация — в этом виде гемоглобина в 6-м положении β-полипептидной цепи глутаминовая кислота замещена на лизин Hemoglobin C Эта мутантная форма снижает пла­стичность эритроцитов организма.

Гипотеза, объясняющая сохранение аллелей аномальных гемоглобинов: мутации в гене, контролирующем обра­зование гемоглобина, в гетерозиготном состоянии вызывают повышенную, по сравнению с нормальным организмом, выживаемость при заражении малярией. Таким образом, существует положи­тельный естественный отбор на сохра­нение данных вариантов гемоглобина в популяции.

13. Гемоглобин -- сложный белок, хро­мопротеид, дыхательный пигмент крови человека, позвоночных и некоторых беспозвоночных животных. Основная функция гемоглобина -- перенос кисло­рода от органов дыхания к тканям. Альфа-полипептидная цепь заканчива­ется комбинацией аминокислот валина-лейцина, а бета- полипептидная цепь -- комбинацией валина-гистидина-лей­цина. Альфа- и бета-полипептидные цепи в гемоглобиновой молекуле не размещены линейно, это первичная структура. По причине существования интрамолекулярных сил полипептид­ные цепи скручиваются в форме типич­ной для белков альфа-геликсовой спи­рали (вторичная структура). Сама альфа-геликсовая спираль на каждую альфа- и бета-полипептидную цепь оги­бается пространственно, образуя спле­тения овоидной формы (третичная структура). Отдельные части альфа-ге­ликсовых спиралей полипептидных це­пей отмечают латинскими буквами от А до Н. Все четыре третично изогнутые альфа- и бета-полипептидные цепи рас­полагаются пространственно в опреде­ленном соотношении -- кватернерная структура. Они связаны между собой не настоящими химическими связями, а межмолекулярными силами. Кроме ко­ординационной связи, существующей между полипептидными цепями гло­бина, Fe++ атом гема располагает еще тремя координационными связями, две из которых соединены двумя азотными атомами порфиринового кольца, а тре­тья, в среде с низким парциальным дав­лением кислорода, связана с одной мо­лекулой воды. В среде с высоким пар­циальным давлением кислорода (арте­риальная кровь), третья координацион­ная связь соединена с одной молекулой кислорода, причем получается соедине­ние -- оксигемоглобин. Путем непре­рывного превращения оксигемоглобина в редуцированный гемоглобин и об­ратно осуществляется перенос кисло­рода из легких к тканям. Значит, воз­можность гемоглобина связывать ки­слород зависит от того, заключаются ли в данном тетрамере другие молекулы кислорода. Если содержатся, то после­дующие молекулы кислорода присое­диняются легче. Таким образом, для гемоглобина свойственна кинетика кооперативного связывания, благодаря которой он объединяет максимальное количество кислорода в легких и отдает максимальное количество кислорода при тех парциальных давлениях кисло­рода, которые имеют место в перифе­рических тканях. Как нормальные, так и патологические типы гемоглобина раз­личаются не по структуре протопорфи­ринового кольца, а по построению гло­бина. Разница может заключаться в из­менении целых пар полипептидных це­пей в гемоглобиновой молекуле. Та­кая возможность встречается у гемо­глоби­нов H, F, Бартс, А2 и U. Вместо нор­мальной структуры гемоглобина А -- альфа-альфа/бета-бета (альфа 2/бета 2), гемоглобин Н имеет структуру бета-бета-бета-бета (бета 4), что значит, что обе альфа-полипептидные цепи заме­щены новыми -- бета-полипептидными цепями. У гемоглобинов F, Бартс и А2 появляются две новые цепи, обозначае­мые гамма и дельта, а у гемоглобина U -- новая цепь, обозначаемая ипсилон. Структура HbF -- альфа-альфа/гамма-гамма (альфа 2/гамма 2), структура ге­моглобина Бартс -- гамма-гамма-гамма-гамма (гамма 4), структура HbА2 -- альфа-альфа/дельта-дельта (альфа 2/гамма 2), структура гемоглобина U -- альфа-альфа/ипсилон-ипсилон (альфа 2/ипсилон 2). Патологические гемогло­бины, которые состоят из четырех оди­наковых полипептидных цепей, обозна­чают тетрамерами. Тетрамеры альфа и дельта до сих пор in vivo не наблюда­лись. Существует и другая возмож­ность, которая встречается у большин­ства типов гемоглобина. Так, например, единственная разница между HbS и HbA состоит в том, что на 6-ом месте в бета полипептидной цепи вместо глу­тамина находится валин, единственная разница между HbI и HbA в том, что на 16-ом месте в альфа-полипептидной цепи лизин замещен аспарагиновой ки­слотой. Когда аномалия состоит в за­мещении аминокислоты в альфа-поли­пептидной цепи, то говорят об альфа-аномалии, когда состоит в бета-поли­пептидной цепи -- о бета-цепной анома­лии, когда в гамма-полипептидной цепи -- о гамма-цепной аномалии (патологи­ческие варианты HbF), когда в дельта-цепи -- о дельта-цепной аномалии (па­тологические варианты HbA2).

14. Ферменты, или энзимы - это биоло­гические катализаторы, образую­щиеся и функционирующие во всех жи­вых организмах. Вещество, превраще­ние которого катализирует фермент, полу­чило название с у б с т р а т. Фер­менты являются важнейшими компо­нентами клетки, они тесным образом связаны с разнообразными процессами жизнедея­тельности, их роль как биока­тализато­ров биохимических превраще­ний по­добна роли катализаторов в дру­гих хи­мических реакциях. Ферменты иде­ально приспособлены для работы в жи­вой клетке, но после выделения из клетки они не теряют свои каталитиче­ские свойства. На этом основано прак­тическое применение ферментов в хи­мической, пищевой, легкой и фармацев­тической промышленности. Принцип связывания ферментов с различными структурами клетки в настоящее время используют в биотехнологии. При этом ферменты прикрепляют (иммобили­зуют) к поверхности какого-либо твер­дого носителя (целлюлоза и ее произ­водные, полиакриламид, пористое стекло, нейлон, алюмосиликаты и др.), что позволяет не только сохранить их каталитические свойства, но и повысить стабильность. Такие ферменты полу­чили название и м м о б и л и з о в а н н ы х. Химическая природа и строение ферментов. Активный центр ферментов

Установлено, что все известные в на­стоящее время ферменты представляют собой белки.

Ферменты обладают теми же физико-химическими свойствами, что и белки. Их молекулярная масса колеблется от десятков тысяч до нескольких миллио­нов. По форме молекул ферменты отно­сятся к глобулярным белкам. Единицы активности ферментов

С т а н д а р т н а я е д и н и ц а - это такое количество фермента, которое при заданных условиях катализирует превращение одного микромоля суб­страта за одну минуту. Катал (символ - кат - это такое количество фермента, которое способно превращать один моль субстрата за одну секунду (при оптимальных условиях).

К производным величинам, характери­зующим активность ферментов, относят удельную каталитическую активность ферментов, концентрацию фермента в растворе и другие. Удельную каталити­ческую активность фермента или фер­ментативного препарата выражают в каталах на 1 кг белка (кат·кг^-1) или чаще в мккат на 1мг белка. Концентра­цию фермента в растворе выражают в каталах на 1 литр (кат·л^-1) или в дру­гих, кратных этому значению величи­нах.

15. 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 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 СН-ОН группу доно­ров (1.1), акцептором водорода служит НАД (1.1.1); четвертая цифра шифра - порядковый номер фермента в пределах подподкласса.

16. А к т и в н ы й ц е н т р. Известно, что размеры ферментов намного пре­вышают размеры субстратов или функ­циональных групп, на которые они дей­ствуют. Это дало основание предпола­гать, что субстрат соединяется не со всей молекулой фермента, а с отдель­ным его участком, получившим назва­ние “а к т и в н ы й ц е н т р”, т.е. та область фермента, в которой происхо­дит связывание и превращение суб­страта. В молекуле фермента может присутствовать а л л о с т е р и ч е с к и й центр, представляющий собой уча­сток молекулы, присоединение к кото­рому определенных веществ приводит к изменению третичной структуры моле­кулы фермента. В результате этого про­исходит изменение конфигурации ак­тивного центра, сопровождающееся либо увеличением, либо снижением каталитической активности фермента. Это явление лежит в основе так назы­ваемой аллостерической регуляции ак­тивности ферментов. Ферменты, актив­ность которых регулируется вещест­вами, присоединяющимися к аллосте­рическому центру, получили название а л л о с т е р и ч е с к и х ферментов. Вещество, превращение которого ката­лизирует фермент, получило название с у б с т р а т. Ферменты, или энзимы - это биологические катализаторы, обра­зующиеся и функционирующие во всех живых организмах.

17. 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 40^ОС, а растительного - между 40 и 50^ОС. Однако есть и исключения: a-амилаза из проросшего зерна имеет оп­тимальную температуру при 60^ОС, а каталаза - в пределах 0 - 10^ОС. 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 80^ОС 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.

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. 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.

18. При низких концентрациях суб­страта скорость реакции пропорцио­нальна концентрации субстрата и по отношению к нему - это реакция пер­вого порядка. С увеличением концен­трации субстрата приращение скорости с каждым разом уменьшается и, нако­нец, она становится практически неза­висимой от концентрации субстрата. В этих условиях реакция по отношению к субстрату - нулевого порядка, а весь фермент полностью насыщен субстра­том и не может функционировать быст­рее. Скорость ферментативной реакции при полном насыщении фермента суб­стратом называется м а к с и м а л ь н о й с к о р о с т ь ю.

V_max · [S ]

V =

К_m + [S ]

Это окончательное уравнение, выве­ден­ное для односубстратной реакции, на­зывают у р а в н е н и е м М и х а э л и с а - М е н т е н. Данное уравнение по­зволяет легко измерять максималь­ную скорость из экспериментальных дан­ных, полученных при любой фикси­ро­ванной концентрации фермента. Гра­фик зависимости скорости фермен­та­тивной реакции от концентрации суб­страта представляет собой гиперболу скорости реакции катализируемой ферментом, от 1/2 V_max концентрации

субстрата………………………..

Влияние концентрации фермента на скорость ферментативной реакции

При высокой концентрации субстрата и при постоянстве других факторов ско­рость ферментативной реакции зависит от концентрации фермента.

19. И н г и б и т о р а м и называют ве­щества, вызывающие частичное или полное торможение химических реак­ций, включая и ферментативные. 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.

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).

20. 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.

21. Специфическую область примене­ния ферментов в медицине составляет энзимодиагностика. Некоторые фер­менты, проферменты и их субстраты в норме циркулируют в крови. В крови присутствуют также нефункциональные ферменты, концентрация которых в плазме на несколько порядков ниже, чем в тканях и органах. Появление этих ферментов в плазме в повышенных концентрациях, как правило, связано с патологией. Обычно заболевание того или иного органа, сопровождающееся разрушением его клеток, приводит к выходу из них ферментов в плазму крови, в которой и тестируется увели­чение ферментативной активности. Так, повышение активности фруктозо-1,6-дифосфатальдолазы в сыворотке крови наблюдается при инфекционном гепа­тите, раке печени и инфаркте миокарда. Симптомом мышечной дистрофии яв­ляется повышение в плазме крови ак­тивности креатинкиназы-важнейшего фермента, обеспечивающего образова­ние необходимого для поддержания мышечной деятельности.Известно,что активность аспартатаминотрансферазы (АСТ) возрастает в сыворотке крови при болезнях сердца, а аланинами­нотрансферазы (АЛТ)-при болезнях печени. Нередко в энзимодиагностике используют анализ соотношения актив­ности нескольких ферментов. Так, при остром гепатите наблюдается повы­шенное соотношение активности ами­лаза/липаза; при злоупотреблении алко­голем и связанным с этим риском воз­никновения заболеваний сердца и пе­чени наблюдается соотношение актив­ности АСТ/АЛТ, превышаю­щее.Широко используется в энзимоди­агностике анализ множественных форм (изозимов) ферментов. Например, при инфаркте миокарда в крови резко воз­растает активность быстромигрирую­ших при электрофорезе (анодных) форм лактатдегидрогеназы, а при инфекци­онном гепатите, напротив, возрастает активность катодных изозимов этого фермента. Кроме лактатдегидрогеназы, на практике используется анализ изо­ферментов кислой фосфатазы (при раке предстательной железы), щелочной фосфатазы (болезни костей, рахит и др.), креатинкиназы (болезни сердца). В тестировании раковых заболеваний ис­пользуются изоферменты гексокиназы (по их соотношению удается даже оп­ределить стадию развития ракового по­ражения при гепатомах Морриса), пи­руваткиназы (опухоли печени, мозга и рабдосаркома), альдолазы (опухоли мозга и печени), фосфофруктокиназы (гепатомы), енолазы (рак мозга), лак­татдегидрогеназы (опухоли желудка, щитовидной железы, почек, яичников, матки, молочной железы).Таким обра­зом, области применения ферментов в медицине действительно безграничны. Рассмотренные примеры ясно показы­вают, какие замечательные и много­обещающие перспективы уже сегодня открывает перед будущими врачами медицинская энзимология.

22. Поиск высокоэффективных и неток­сичных методов лечения различных патологических состояний привел к изучению возможностей использования в биологии и медицине сильноточных электрических разрядов. Высокоэнерге­тические физико-химические факторы на основе наносекундных электриче­ских разрядов (НСЭР), успешно приме­няемые в новейших технологиях, про­являют уникальные физико-химические свойства. Накопленные теоретические данные дают основания считать воз­можным применение этих факторов и для деструкции клеток, что обусловило изучение влияния их на системы орга­низма. Во время генерации высоких импульсных напряжений и в сильно­точных электрических разрядах наносе­кундных длительностей за счет высокой напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке нараба­тывается большое количество электро­нов, имеющих сравнительно высокую энергию. Эти электроны являются ос­новными участниками плазмохимиче­ских реакций. Взаимодействие их с мо­лекулами газов и биологических суб­стратов приводит к образованию хими­чески активных частиц, таких как (О, О3, ОН–, Н2О2 и т. д., которые явля­ются активными формами кислорода. Они первыми появляются в цепи реак­ций клеточного метаболизма и участ­вуют в процессах организма и клетки. Синтез АТФ. Анаэробный (без участия кислорода). Главная роль углеводов и липидов в клеточном метаболизме со­стоит в том, что их расщепление на бо­лее простые соединения обеспечивает синтез АТФ. Несомненно, что те же процессы протекали и в первых, самых примитивных клетках. Однако в атмо­сфере, лишенной кислорода, полное окисление углеводов и жиров до CO2 было невозможно. У этих примитивных клеток имелись все же механизмы, с помощью которых перестройка струк­туры молекулы глюкозы обеспечивала синтез небольших количеств АТФ. Речь идет о процессах, которые у микроор­ганизмов называют брожением. Лучше всего изучено сбраживание глюкозы до этилового спирта и CO2 у дрожжей.

В ходе 11 последовательных реакций, необходимых для того, чтобы заверши­лось это превращение, образуется ряд промежуточных продуктов, представ­ляющих собой эфиры фосфорной ки­слоты (фосфаты). Их фосфатная группа переносится на аденозиндифосфат (АДФ) с образованием АТФ. Чистый выход АТФ составляет 2 молекулы АТФ на каждую молекулу глюкозы, расщепленную в процессе брожения. Аналогичные процессы происходят во всех живых клетках; поскольку они по­ставляют необходимую для жизнедея­тельности энергию, их иногда (не вполне корректно) называют анаэроб­ным дыханием клеток. Аэробный (с использованием кислорода). С появле­нием в атмосфере кислорода, источни­ком которого послужил, очевидно, фо­тосинтез растений, в ходе эволюции развился механизм, обеспечивающий полное окисление глюкозы до CO2 и воды, – аэробный процесс, в котором чистый выход АТФ составляет 38 моле­кул АТФ на каждую окисленную моле­кулу глюкозы. Этот процесс потребле­ния клетками кислорода для образова­ния богатых энергией соединений из­вестен как клеточное дыхание (аэроб­ное). В отличие от анаэробного про­цесса, осуществляемого ферментами цитоплазмы, окислительные процессы протекают в митохондриях. В митохон­дриях пировиноградная кислота – про­межуточный продукт, образовавшийся в анаэробной фазе – окисляется до СО2 в шести последовательных реакциях, в каждой из которых пара электронов переносится на общий акцептор – ко­фермент никотинамидадениндинуклео­тид (НАД). Эту последовательность реакций называют циклом трикарбоно­вых кислот, циклом лимонной кислоты или циклом Кребса. Из каждой моле­кулы глюкозы образу­ется 2 молекулы пировиноградной кислоты; 12 пар элек­тронов отщепляется от молекулы глю­козы в ходе ее окисления, описывае­мого уравнением:

23. 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. 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.

24. Окисление биологиче­ское,совокупность реакций окисления, протекающих во всех живых клетках. Основная функция О. б. — обеспечение организма энергией в доступной для использования форме. Реакции О. б. в клетках катализируют ферменты, объе­диняемые в класс оксидоредуктаз. О. б. в клетках связано с передачей т. н. вос­станавливающих эквивалентов (ВЭ) — атомов водорода или электронов — от одного соединения — донора, к дру­гому — акцептору. У аэробов — боль­шинства животных, растений и многих микроорганизмов — конечным акцеп­тором ВЭ служит кислород. Поставщи­ками ВЭ могут быть как органические, так и неорганические вещества (см. таблицу). Основной путь использования энергии, освобождающейся при О. б., — накопление её в молекулах адено­зинтрифосфорной кислоты (АТФ) и др. макроэргических соединений.О. б., со­провождающееся синтезом АТФ из аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) и неорганического фосфата, происходит при гликолизе, окислении a-кетоглута­ровой кислоты и при переносе ВЭ в цепи окислительных (дыхательных) ферментов, обычно называют окисли­тельным фосфорилированием (см. схему). В процессе дыхания углеводы, жиры и белки подвергаются многосту­пенчатому окислению, которое приво­дит к восстановлению основных по­ставщиков ВЭ для дыхательных флави­нов, никотинамидадениндинуклеотида (НАД), никотинамидадениндинуклео­тидфосфата (НАДФ) и липоевой ки­слоты. Восстановление этих соедине­ний в значительной мере осуществля­ется в трикарбоновых кислот цикле, которым завершаются основные пути окислительного расщепления углеводов (оно начинается с гликолиза), жиров и аминокислот. Помимо цикла трикарбо­новых кислот, некоторое количество восстановленных коферментов — ФАД (флавинадениндинуклеотида) и НАД — образуется при окислении жирных ки­слот, а также при окислительном деза­минировании глутаминовой кислоты (НАД) и в пентозофосфатном цикле (восстановленный НАДФ). Одновре­менно развивалось направление, где в основу классификации ферментов был положен тип реакции, подвергающейся каталитическому воздейсвию. Наряду с ферментами, ускоряющими реакции гидролиза (гидролазы), были изучены ферменты, участвующие в реакциях переноса атомов и атомных групп (фе­разы), в изомеризации (изомеразы), расщеплении (лиазы), различных синте­зах (синтетазы) и т. д. Это направление в классификации ферментов оказалось наибо-лее плодотворным, так как объе­диняло ферменты в группы не по наду­манным, формальным признакам, а по типу важнейших биохимических про­цессов, лежащих в основе жизнедея­тельности любого организма. По этому принципу все ферменты делят на 6 классов.1. Оксидоредуктазы — уско­ряют реакции окисления — восстанов­ления. 2. Трансферазы — ускоряют ре­акции переноса функциональных групп и молекулярных остатков. 3. Гидролазы — ускоряют реакции гидролитического распада. 4. Лиазы — ускоряют негидро­литическое отщепление от субстратов определенных групп атомов с образова­нием двойной связи (или присоединяют группы атомов по двойной связи). 5. Изомеразы — ускоряют пространствен­ные или структурные перестройки в пределах одной молекулы. 6. Лигазы — ускоряют реакции синтеза, сопряжен­ные с распадом богатых энергией свя­зей.

25. В переносе электронов от субстра­тов к молекулярному кислороду прини­мают участие: пиридинзависимые де­гидрогеназы, коферментами для кото­рых служат либо НАД либо НАДФ. флавинзависимые дегидрогеназы, роль простетической группы играют флави­надениндинуклеотид и флавинаденин­мононуклеотид (ФАД, ФМН) и др. К числу пиридинзависимых дегидрогеназ относятся свыше 150 ферментов, кото­рые катализируют восстановление НАД и НАДФ различными органическими субстратами. Эти реакции можно изо­бразить так: субстрат-Н2+НАД(НАДФ)субстрат (окисл.)+НАДН2(НАДФН2). Кофер­мент НАД находится в митохондриях, НАДФ - в цитоплазме. Восстановлен­ные пиридиннуклеотиды НАДН и НАДФН не могут реагировать с кисло­родом, их электроны должны пройти через промежуточные акцепторы сис­темы переноса электронов (цитохромы) прежде чем они смогут быть переданы на кислород. Фермент, непосредственно переносящий электрон на кислород - оксидаза, а участвующий в отнятии электрона от субстрата и переносе на акцептор -дегидрогеназа. Следующим акцептором атомов водорода является группа флавиновых ферментов, кото­рые осуществляют перенос водородов (протонов и электронов) от восстанов­ленных НАД и НАДФ. НАДН2+флавиновый фермент (ФАД)НАД+ФАДН2. Все дегидроге­назы нуждаются в коферменте для пе­реноса восстановительных эквивален­тов. Наиболее широко распространены коферменты динуклеотидного типа, в котором два нуклеозид-5'-монофосфата соединены фосфоангидридной связью. ЛДГ и многие другие дегидрогеназы нуждаются в никотинамидаденинди­нуклеотиде, сокращенно НАД+ (NAD+) (1). Обе нуклеотидных группы НАД+ построены из 5'-АМФ и нуклеотида, содержащего в качестве основания амид никотиновой кислоты (см. с. 354). Структурно (но не функционально) по­хожим коферментом является НАДФ+ (NADP+), в котором 2'-ОН-группы ри­бозы аденина дополнительно связаны с фосфатом. Несмотря на близкое струк­турное родство НАД+ и НАДФ+ осуще­ствляют различные функции в обмене веществ. В окислительно-восстанови­тельных реакциях пиридиннуклеотид­ного кофермента участвует только ни­котинамидное кольцо. Никотинамид является амидом пиридин-3-карбоновой (никотиновой) кислоты. В окисленной форме кольцо имеет ароматический характер и несет положительный заряд. По этой причине кофермент в окислен­ном состоянии обозначают как НАД+. При окислении лактата дегидрогеназа отщепляет от субстрата (AH2) два атома водорода [т. е. два электрона и два протона (2, середина)]. Однако на НАД+ переносится только гидрид-ион (H-, два электрона и один протон). Ак­цептором гидрид-иона является атом углерода в пара-положении к атому азота кольца НАД+. В этом месте обра­зуется алифатическая СН2-группа, пе­рестраиваются двойные связи кольца и исчезает положительный заряд (2, внизу). При окислении или восстанов­лении никотинамидного кольца изме­няются также спектральные характери­стики кофермента. Поэтому за реакцией можно легко следить фотометрически. Второй протон высвобождается в среду и, следовательно, правильное наимено­вание восстановленной формы кофер­мента NADH + H+, а не NADH2.

26. Дыхательная электронтранспортная цепь (ЭТЦ, ETC,) — система струк­турно и функционально связанных трансмембранных белков и переносчи­ков электронов. ЭТЦ позволяет запасти энергию, выделяющуюся в ходе окис­ления НАД∙Н и ФАДН2 молекулярным кислородом (в случае аэробного дыха­ния) или иными веществами (в случае анаэробного) в форме трансмембран­ного протонного потенциала за счёт последовательного переноса электрона по цепи, сопряжённого с перекачкой протонов через мембрану. Компоненты дыхательной цепи. Дыхательная цепь включает три белковых комплекса (комплексы I, III и IV), встроенных во внутреннюю митохондриальную мем­брану, и две подвижные молекулы-пе­реносчики — убихинон (кофермент Q) и цитохром с. Сукцинатдегидрогеназа, принадлежащая собственно к цитрат­ному циклу, также может рассматри­ваться как комплекс II дыхательной цепи. АТФ-синтаза иногда называется комплексом V, хотя она не принимает участия в переносе электронов. Ком­плексы дыхательной цепи построены из множества полипептидов и содержат ряд различных окислительно-восстано­вительных коферментов, связанных с белками. К ним принадлежат флавин [ФМН (FMN) или ФАД (FAD), в ком­плексах I и II], железо-серные центры (в I, II и III) и группы гема (в II, III и IV). Детальная структура большинства ком­плексов еще не установлена. Электроны поступают в дыхательную цепь различ­ными путями. При окислении НАДН + Н+ комплекс I переносит электроны через ФМН и Fe/S-центры на убихинон. Образующиеся при окислении сукци­ната, ацил-КоА и других субстратов электроны переносятся на убихинон комплексом II или другой митохондри­альной дегидрогеназой через связанный с ферментом ФАДН2 или флавопротеин (см. с. 166), При этом окисленная форма кофермента Q восстанавливается в аро­матический убигидрохинон. Последний переносит электроны в комплекс III, который поставляет их через два гема b, один Fe/S-центр и гем с1 на небольшой гемсодержащий белок цитохром с. По­следний переносит электроны к ком­плексу IV, цитохром с-оксидазе. Цито­хром с-оксидаза содержит для осущест­вления окислительно-восстановитель­ных реакций два медьсодержащих цен­тра (CuA и CuB) и гемы а и а3, через которые электроны, наконец, поступают к кислороду. При восстановлении О2 образуется сильный основной анион О2-, который связывает два протона и переходит а воду. Поток электронов сопряжен с образованным комплексами I, III и IV протонным градиентом. Орга­низация дыхательной цепи. Перенос протонов комплексами I, III и IV проте­кает векторно из матрикса в межмем­бранное пространство. При переносе электронов в дыхательной цепи повы­шается концентрация ионов H+, т. е. понижается значение рН. В интактных митохондриях по существу только АТФ-синтаза позволяет осуществить обратное движение протонов в матрикс. На этом основано важное в регулятор­ном отношении сопряжение электрон­ного переноса с образованием АТФ. Убихинон благодаря неполярной боко­вой цепи свободно перемещается в мембране. Водорастворимый цитохром с находится на внешней стороне внут­ренней мембраны. Окисление НАДН (NADH) комплексом I происходит на внутренней стороне мембраны, а также в матриксе, где происходит также цит­ратный цикл и β-окисление — самые важные источники НАДН. В матриксе протекают, кроме того, восстановление O2 и образование АТФ (ATP). Полу­ченный АТФ переносится по механизму антипорта (против АДФ) в межмем­бранное пространство (см. с. 214), от­куда через порины проникает в цито­плазму.

27. Окислительное фосфорилирование было бы правильнее назвать

фосфорилированием в дыхательной цепи. 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. ХЕМИОСМОТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ-учение о механизме преобра­зования энергии в биол. мембранах при синтезе аденозинтрифосфорной к-ты (АТФ). Разработана П. Митчеллом в 1961—66. Согласно исходным пред­ставлениям Митчелла, запасание энер­гии в АТФ происходит вследствие предварительного накопления зарядов на стенках мембраны, создания мем­бранного потенциала и разности кон­центраций протонов. Разность электро­химич. потенциалов ионов водорода на сопрягающих мембранах (внутр. мем­браны митохондрий, тилакоиды хлоро­пластов, мембраны бактерий) возникает за счёт энергии, выделяемой при дея­тельности цепи окислит.-восстановит, ферментов, или за счёт поглощённых квантов света. Трансмембранные элек­трохимич. потенциалы ионов могут служить источником энергии не только для синтеза АТФ, на и для транспорта веществ, движения бактериальных кле­ток и др. энергозависимых процессов. Гипотеза П.Митчелла требует соблюде­ния ряда условий, которые перечислены ниже. 1. Внутренняя митохондриальная мембрана должна быть интактна и не­проницаема для протонов, направляю­щихся снаружи внутрь. 2. В результате активности дыхательной цепи ионы водорода поступают в нее изнутри, из матрикса, а освобождаются на наруж­ной стороне мембраны. 3. Движение ионов водорода, направленное изнутри наружу, приводит к их накоплению, вследствие чего между двумя сторо­нами митохондриальной мембраны воз­никает градиент pH. 4. Поддержание такого градиента требует затраты энер­гии. Эту энергию поставляет перенос электронов по электрон-транспортной цепи. 5. Синтез АТФ поддерживается наличием электрохимического гради­ента.

28. С ингибированием ферментов свя­зан механизм действия многих токси­нов и ядов на организм. Известно, что при отравлениях солями сенильной ки­слоты смерть наступает вследствие полного торможения и выключения ды­хательных ферментов (цитохромная система) тканей, особенно клеток мозга. Токсическое влияние на организм чело­века и животных некоторых инсектици­дов обусловлено торможением активно­сти холинэстеразы – фермента, играю­щего ключевую роль в деятельности нервной системы.Современная, так на­зываемая рациональная, химиотерапия (направленное применение лекарствен­ных препаратов в медицине) должна основываться на точном знании меха­низма действия лекарственных средств на биосинтез ферментов, на активность уже синтезированных ферментов или на регуляцию их активности в организме. Иногда для лечения некоторых болез­ней используют избирательно дейст­вующие ингибиторы. Так, ингибитор ряда протеиназ (трипсина, химотрип­сина и калликреина) трасилол широко применяется для лечения острого пан­креатита – болезни, при которой уро­вень трипсина и химотрипсина в крови резко возрастает. Знание избиратель­ного ингибиторного действия некото­рых природных и синтетических соеди­нений (так называемых антиметаболи­тов) на ферменты может служить мето­дологической основой для разработки эффективных методов синтеза химио­терапевтических препаратов. Этот путь открывает широкие возможности для направленного воздействия на синтез ферментов в организме и регуляции интенсивности метаболизма при пато­логии.Некоторые аналоги витамина В6 и фолиевой кислоты, в частности дезок­сипиридоксин и аминоптерин (см. главу 7), действуют как конкурентные, так называемые коферментные, ингиби­торы (или антивитамины), тормозящие многие интенсивно протекающие при патологии биологические процессы в организме. Применение подобных ана­логов в медицинской практике (в част­ности, в дерматологии и онкологии) основано на конкурентном вытеснении коферментов из субстратсвязывающих центров ключевых ферментов об­мена.Неконкурентное ингибирование вызывается веществами, не имеющими структурного сходства с субстратами и часто связывающимися не с активным центром, а в другом месте молекулы фермента. Степень торможения во мно­гих случаях определяется продолжи­тельностью действия ингибитора на фермент. При данном типе ингибирова­ния благодаря образованию стабильной ковалентной связи фермент часто под­вергается полной инактивации, и тогда торможение становится необратимым. Примером необратимого ингибирова­ния является действие йодацетата, ДФФ, а также диэтил-n-нитрофенил­фосфата и солей синильной кислоты. Это действие заключается в связывании и выключении функциональных групп или ионов металлов и молекуле фер­мента.

29. Подготовка энергии к использова­нию, т. е. генерирование (извлечение) энергии из пищевых веществ осуществ­ляется в процессе дыхания, под кото­рым понимают окисление (расщепле­ние) молекул-энергоносителей, т. е. «топливных» молекул, при котором роль конечного акцептора электронов выполняет О у а донором электронов является органическое или неорганиче­ское соединение. Процесс подготовки энергии к использованию протекает в три последовательные стадии. На пер­вой стадии поступающие в клетки крупные молекулы полисахаридов гид­ролизуются до простых Сахаров. На этой стадии происходит разложение и других энергоносителей. В частности, жиры разлагаются на глицерол и жир­ные кислоты, белки гидро-лизуются до аминокислот. Однако на этой стадии высвобождение запасенной в пищевых веществах энергии все еще не происхо­дит. На второй стадии происходит рас­пад малых молекул до еще более про­стых структур, играющих уже ключе­вую роль в метаболизме. Глюкоза пре­вращается в ацетильную часть ацетил-КоА, являющегося производным ко­фермента А. В результате этих реакций образуются молекулы АТФ, но их еще мало. На уровне ацетил-КоА в метабо­лический путь могут вступать также жирные кислоты и аминокислоты. На­конец, на третьей стадии происходит полное окисление ацетильного компо­нента ацетил-КоА до СОу На этой ста­дии образуется основная часть АТФ. Процесс генерирования энергии в жи­вотных клетках (извлечения ее из суб­страта) осуществляется с участием ми­тохондрий и начинается с гликолиза (от греч. glycos -- сахар и lysis -- растворе­ние), который представляет собой окис­ление глюкозы, заканчивающееся пре­вращением этого углевода в пировино­градную кислоту и образованием АТФ. Уже давно установлено, что для дыха­ния в качестве акцептора электронов необходим кислород. Однако на первых этапах расщепления Сахаров кислорода не требуется. Окисление глюкозы начи­нается в анаэробных условиях дыхания (при отсутствии кислорода) с частич­ного расщепления ее шестиуглеродной молекулы и заканчивается образова­нием двух трехуглеродных молекул пировиноградной кислоты Превраще­ния глюкозы можно описать следую­щим уравнением: C6H12O6 + 2Ф + 2АДФ 2СН3СНОНСООН + 2АТФ + 2Н2О. Активация жирных кислот. Сво­бодная жирная кислота независимо от длины углеводородной цепи является метаболически инертной и не может подвергаться никаким биохимическим превращениям, в том числе окислению, пока не будет активирована. Активация жирной кислоты протекает на наружной поверхности мембраны митохондрий при участии АТФ, коэнзима A (HS-KoA) и ионов Mg2+. Реакция катализи­руется ферментом ацил-КоА-синтета­зой:

В результате реакции образуется ацил-КоА, являющийся активной формой жирной кислоты. Считают, что актива­ция жирной кислоты протекает в 2 этапа. Сначала жирная кислота реаги­рует с АТФ с образованием ациладени­лата, представляющим собой эфир жирной кислоты и АМФ. Далее сульф­гидрильная группа КоА действует на прочно связанный с ферментом ацила­денилат с образованием ацил-КоА и АМФ.

30. Цикл трикарбоновых кислот впер­вые был открыт английским биохими­ком Г. Кребсом. Он первым постулиро­вал значение данного цикла для пол­ного сгорания пирувата, главным ис­точником которого является гликолити­ческое превращение углеводов. цикл Кребса – общий конечный путь окисле­ния ацетильных групп (в виде ацетил-КоА), в которые превращается в про­цессе катаболизма большая часть орга­нических молекул, играющих роль «клеточного топлива»: углеводов, жир­ных кислот и аминокислот. Образовав­шийся в результате окислительного де­карбоксилирования пирувата в мито­хондриях ацетил-КоА вступает в цикл Кребса. Данный цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из восьми последовательных реакций (рис. 10.9). Начинается цикл с присоединения ацетил-КоА к оксалоацетату и образо­вания лимонной кислоты (цитрата). За­тем лимонная кислота (шестиуглерод­ное соединение) путем ряда дегидриро­ваний (отнятие водорода) и двух декар­боксилирований (отщепление СО2) те­ряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса превращается в оксало­ацетат (четырехуглеродное соедине­ние), т.е. в результате полного оборота цикла одна молекула ацетил-КоА сго­рает до СО2 и Н2О, а молекула окса-лоацетата регенерируется. Рассмотрим все восемь последовательных реакций (этапов) цикла Кребса.

Рис. 10.9. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Первая реакция катали­зируется ферментом цит-рат-синтазой, при этом ацетильная группа ацетил-КоА конденсируется с оксалоацетатом, в результате чего образуется лимонная кислота:

В результате второй реакции образо­вавшаяся лимонная кислота подверга­ется дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, при­соединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат). Ка­тализирует эти обратимые реакции гид­ратации–дегидратации фермент акони­татгидратаза (аконитаза). В результате происходит взаимоперемещение Н и ОН в молекуле цитрата:

 

Третья реакция. Изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД-за­висимой изо-цитратдегидрогеназы. В ходе изоцитратдегидрогеназной реак­ции изолимонная кислота одновре­менно декарбоксилируется.

Во время четвертой реакции происхо­дит окислительное декарбокси-лирова­ние α-кетоглутаровой кислоты с обра­зованием высокоэнергетического со­единения сукцинил-КоА. в реакции принимают участие 5 коферментов: ТПФ, амид липоевой кислоты, HS-KoA, ФАД и НАД+.

Пятая реакция катализируется фермен­том сукцинил-КоА-синтета-зой. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при уча­стии ГТФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сук­цинат). Одновременно происходит об­разование высокоэргической фосфатной связи ГТФ за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА:

В результате шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан кофермент ФАД.

Седьмая реакция осуществляется под влиянием фермента фума-ратгидратазы (фумаразы). Образовавшаяся при этом фумаровая кислота гидратируется, про­дуктом реакции является яблочная ки­слота (малат).

Наконец, в ходе восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием митохондриальной НАД-зависимой ма­латдегидрогеназы происходит окисле­ние L-малата в оксалоацетат:

Как видно, за один оборот цикла, со­стоящего из восьми ферментативных реакций, происходит полное окисление («сгорание») одной молекулы ацетил-КоА. Для непрерывной работы цикла необходимо постоянное поступление в систему ацетил-КоА, а коферменты (НАД+ и ФАД), перешедшие в восста­новленное состояние, должны снова и снова окисляться. Это окисление осу­ществляется в системе переносчиков электронов в дыхательной цепи (в цепи дыхательных ферментов), локализован­ной в мембране митохондрий.

 

31. Углеводы составляют большую част ь пищи человека, около 60-70% пищевого рациона. В среднем количе­ство углеводов в суточном рационе че­ловека составляет 450—600 г. Организм человека и животных получает угле­воды с различными пищевыми вещест­вами, главным образом, растительного происхождения. Окисление углеводов в тканях является одним из основных ис­точников энергии, необходимой орга­низму для осуществления разнообраз­ных функций.

Избыток углеводов в пище ведет к пре­вращению их в жиры. Избыточное вве­дение углеводов может привести к не­желательному ожирению у человека, т. е. отложению жира в жировых депо. Недостаточное потребление углеводов для человека также нежелательно. Оно может закончиться нарушением обмена веществ. ПЕРЕВАРИВАНИЕ И ВСА­СЫВАНИЕ УГЛЕВО