Проверьте знания с помощью приводимых ниже тестов. Каталитическую функцию в живых клетках выполняют белки, называемые (1)

 

Ферменты

Каталитическую функцию в живых клетках выполняют белки, называемые …(1). Белковые катализаторы бывают …(2) и …(3). Белковая часть называется …(4), а небелковая - …(5). Если связь небелковой части с белковой прочная, то в этом случае её называют …(6), а если связь непрочная, то …(7). Небелковая часть отвечает за …(8), а белковая за …(9) и …(10) катализатора. Уникальная комбинация аминокислотных остатков, обеспечивающая взаимодействие фермента с субстратом, называется …(11).

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата выражается уравнением Михаэлиса-Ментен …(12), где υ - …(13),
υ_мах - …(14), К_м - …(15), [S] - …(16).

На активность ферментов оказывают влияние следующие факторы: …(17), …(18), …(19), …(20), …(21). Концентрация субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной, называется …(22), она характеризует …(23) фермента к субстрату. Низкие температуры вызывают …(24) денатурацию, высокие - …(25). Оптимальная температура, при которой активность фермента …(26), лежит в интервале …(27) температур. Оптимальным рН является рН, при котором активность фермента …(28). Для большинства ферментов она находится в …(29) среде.

Различают ингибирование ферментов 2-х типов – обратимое и необратимое. Обратимое ингибирование может быть…(30) и …(31). Ингибирование, при котором увеличивается константа Михаэлиса, но не изменяется максимальная скорость реакции, называется…(32).Ингибирование, которое не отменяется увеличением концентрации субстрата, называется …(33).Ингибирование, при котором не изменяется константа Михаэлиса, но снижается максимальная скорость реакции, называется…(34).Ингибирование, которое может быть отменено увеличением концентрации субстрата, называется …(35).

Выделяют 6 классов ферментов - …(36),…(37), …(38), …(39), …(40) и …(41).

 

IV. БИОЭНЕРГЕТИКА

 

Все биохимические реакции сопровождаются изменениями энергии, так что термин биоэнергетика можно применить ко всей биохимии. Однако центральной проблемой биоэнергетики является выяснение механизма, с помощью которого энергия, освобождаемая при окислении субстратов (или при поглощении света), может использоваться для катализа энергозависимых процессов – синтеза АТФ из АДФ и фосфата, переноса ионов через мембрану против градиента их концентрации. Большая часть АТФ синтезируется в ферментных комплексах, расположенных в мембранах определенных классов. К таким «сопрягающим» мембранам в эукариотических клетках относится внутренняя мембрана митохондрий. Механизмы синтеза АТФ и транспорта ионов в этих мембранах весьма близки. Это позволяет выделить изучение их в отдельную область биохимии, называемую энергетическим сопряжением или биоэнергетикой.

Две химические реакции А à В + С и C à D можно объединить в одну A+C à B+D+C. Вещество С является реагентом, так и продуктом реакции, следовательно, его можно исключить из суммарного уравнения, и тогда получим A à B+D. Если предположить, что при заданной температуре и давлении изменение стандартной свободной энергии первой реакции равно – 8 ккал/моль, а второй +4 ккал/моль, то первая реакция может протекать самопроизвольно, а вторая нет. Суммарная реакция может идти самопроизвольно, так как при совместном их протекании она сопровождается отрицательным изменением свободной энергии + 4 ккал/моль – 8 ккал/моль = 4 ккал/моль. Этот пример иллюстрирует основной способ преобразования биологической энергии: химическая работа совершается путем подключения к реакции с положительным изменением свободной энергии реакции с большим отрицательным изменением свободной энергии. Таким образом, основными условиями протекания химической реакции в таком направлении, в каком она самопроизвольно протекать не может, являются следующие: 1) в системе должна протекать еще одна реакция, сопровождающаяся большим уменьшением свободной энергии, 2) у обеих реакций должен быть общий промежуточный компонент.

Дыхательная цепь характеризуется последовательно протекающими окислительно-восстановительными реакциями. Роль переносчиков электронов при этом выполняют НАД+, ФАД, KoQ, цитохромы. Большая часть участвующих в этом процессе ферментов локализована в наружной стороне внутренней мембраны митохондрий, и, по меньшей мере, одни из них пронизывают мембрану насквозь. Эти ферменты действуют последовательно, будучи организованы в функциональные единые системы. Ферменты располагаются в цепи в соответствии с уменьшением величины отрицательных окислительно-восстановительных потенциалов их коферментов и простетических групп. Сравнивая величины окислительно-восстановительных потенциалов, можно выявить этапы, на которых перепад энергии достаточно велик для образования химической связи АДФ и фосфата.

1961 г. Митчелл постулировал, что выделяющаяся при транспорте электронов энергия запасается в виде градиента протонов на внутренней мембране митохондрий. Энергия эта консервируется не в форме химических связей, а в форме электрохимического градиента. Согласно гипотезе Митчелла, превращение энергии происходит в двух независимых друг от друга процессах: а) при транслокации протонов происходят выброс их из матрикса в межмембранное пространство, и на внутренней мембране возникает мембранный потенциал, б) при работе протонного насоса протоны возвращаются в матрикс, это сопро-
вождается синтезом АТФ. Синтез АТФ осуществляется АТФ-синтетазой. Этот ферментный комплекс выделен из внутренней митохондриальной мембраны и детально охарактеризован. Он состоит из двух функциональных частей – F₁ – АТФ–синтетазы и фактора Fo. F₁-АТФ-синтетаза обращена внутрь матрикса, она непосредственно связывает АДФ. На контрольных микрофотографиях F₁ – АТФ-синтетаза выглядит как гриб, сидящий на ножке. Фермент действует обратимо, при отсутствии АДФ и фосфата и избытке АТФ он работает как АТФ–аза. F₀ – нерастворимый белок, пронизывающий мембрану.Он представляет собой канал для протонов. Для синтеза АТФ необходимы оба компонента.

4.1. Изменение стандартной свободной реакции.

Глюкоза + фруктоза => сахароза + вода равно +5,5 ккал/ моль. Если эта реакция сопряжена с гидролизом АТФ, то изменение стандартной свободной энергии суммарной реакции равно –1,5 ккал/моль. Какая из этих реакций может происходить самопроизвольно?

4.2. Образование длинной, запасающей энергию, макромолекулы гликогена из мономеров глюкозы описывается реакцией:

Глюкоза + гликоген _n => гликоген _n+1,

где n – количество молекул глюкозы, составляющих полимерную молекулу гликогена. Изменение стандартной свободной энергии этой реакции равно + 5 ккал/моль. Сколько потребуется молей АТФ, чтобы присоединить один моль глюкозы к одному молю гликогена? Можно считать процесс обратимым и абсолютно эффективным.

4.3. Реально полное уравнение полимеризации гликогена имеет вид: Глюкоза +2 АТФ + гликоген => гликоген _n+1 + 2АДФ + 2 фосфат.

Сколько калорий на 1 моль теряется при осуществленииэтойреакции?

4.4. Обсудите вопрос о возможности сопряжения реакции фосфорилирования АДФ со следующими реакциями:

фосфоенолпируват + вода => пируват + фосфат + 12 ккал/моль;

глюкозо-6-фосфат + вода => глюкоза + фосфат + 3,3 ккал/моль.

Напишите реакции, подтверждающие Ваше мнение.

4.5. В какую сторону сдвинется равновесие реакции сукцинат «фумарат при взаимодействиисо следующими редокс-системами:

а) Г–SH/Г – S – S – Г, б) цитохром dFе²⁺ / цитрохром dFe³⁺?

4.6. В какую сторону сдвинется равновесие реакции пируват «лактат при взаимодействии со следующими редокс-системами:

а) аскорбат/дегидроаскорбат; б) НАДН/НАД⁺?

4.7. КоэффициентР/0 при окислении большинства субстратов равен 3, при окислении сукцината – 2, а при окислении аскорбата – 1. На каких участках дыхательной цепи происходит сопряжение процесса переноса электронов с фосфорилированием АДФ?

4.8. Ротенон ингибирует окисление большинства субстратов, но не влияет на окисление сукцината и аскорбата. Антимицин А не влияет на окисление сукцината, но ингибирует окисление аскорбата, соли цианистой кислоты ингибируют окисление любых субстратов, в том числе и аскорбата. Какие звенья дыхательной цепи блокируются ротеноном, актимицином А и солями цианистой кислоты?

4.9. Как изменится интенсивность дыхания при отсутствии АДФ и неорганического фосфата в межмембранной жидкости и избытке АТФ в матриксе митохондрий? Объясните причину этого изменения, исходя из основных постулатов хемоосмотической гипотезы механизма окислительного фосфорилирования.

4.10. Синтезирующаяся в митохондриях АТФ выкачивается наружу при одновременном накачивании внутрь митохондрий АДФ и неорганического фосфата. Обсудите электрохимические механизмы этой закономерности. Какой процесс должен сопутствовать перемещению АТФ, АДФ и фосфата через внутреннюю мембрану митохондрий?

4.11. Добавление валиномицина к суспензии дышащих митохондрий в среде, содержащей ионы калия, обеспечивает перенос этих ионов из межмембранного пространства в матрикс. Антибиотик нигерицин обусловливает перенос протонов в матрикс в обмен на ионы калия, выходящие в межмембранное пространство. Как изменится дыхание и фосфорилирование АДФ в присутствии: а) валиномицина, б) нигерицина, в) обоих ионофоров?

4.12. Некоторые соединения, представляющие собой слабые липофильные кислоты (трифторметоксикарбонилцианидфенилгидразон, 2,4-динитро-
фенол и др.), могут мигрировать через липидную мембрану как в ионизированной, так и в неионизированной форме. Другие вещества (дициклогексилкарбодиимид, олигомицин) реагируют с F₁ или F_0, блокируя перенос протонов через мембрану. Как соединения этих типов влияют на окислительно-восстановительные процессы и фосфорилирование АДФ? Объясните механизм их действия с позиции хемиосмотической теории.