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 точкаБелки, 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 часть 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 УГЛЕВОДОВ Распад угле­водов начинается в ротовой полости. В слюне содержится фермент, называе­мый µ-амилазой (птиалином, диаста­зой), расщепляющий крахмал. Расщеп­ление идет до декстринов, а при более длительном воздействии - до мальтозы. В желудке углеводы не подвергаются перевариванию, так как там нет соот­ветствующего фермента. Основное пе­реваривание углеводов происходит в двенадцатиперстной кишке и в даль­нейших отрезках тонких кишок под влиянием µ-амилазы, поступающей в двенадцатиперстную кишку с соком поджелудочной железы. Главным, ко­нечным продуктом гидролиза крахмала µ-амилазой является мальтоза, которая затем расщепляется на две молекулы глюкозы под действием фермента маль­тазы. Мальтаза, а также и другие глико­зидазы - сахараза и лактаза, вырабаты­ваемые в железах слизистой оболочки тонких кишок, расщепляют дисахариды до моносахаридов. Сахараза гидроли­зует сахарозу на глюкозу и фруктозу, а лактаза - лактозу до глюкозы и галак­тозы. Клетчатка (целлюлоза) из-за от­сутствия целлюлазы в животном орга­низме не разлагается ферментами пи­щеварительных соков. Из кишечника в кровь всасываются только моносаха­риды. Скорость всасывания у разных моносахаридов различна. Полагают, что они всасываются в виде моносфорных эфиров, что дает возможность взаимо­превращению в стенке кишечника гек­соз, в частности, превращению фрук­тозы и галактозы в глюкозу. Моносаха­риды с током крови по системе ворот­ной вены попадают в печень. В печени часть глюкозы превращается в глико­ген. Печень способна как синтезировать гликоген, так и расщеплять его с обра­зованием глюкозы. Углеводы принято делить на моносахариды, олигосаха­риды и полисахариды. Моносахариды обычно представляют собой полигид-роксиальдегиды (альдозы) или поли­гидроксикетоны (кетозы) с линейной цепью из 3-9 атомов С, каждый из к-рых (кроме карбонильного) связан с группой ОН. Простейший моноса-ха­рид, глицериновый альдегид, содержит один асим. атом С и известен в виде двух оптич. антиподов (D и L). Прочие моносахариды имеют неск. асим. ато­мов С; их рассматривают как производ­ные D- или L-глицеринового альдегида и относят к D- или L-ряду в соответст­вии с абс. конфигурацией асим. атома С, наиб. удаленного от карбонильной группы. Различия между изомерными моносахаридами в каждом ряду обу­словлены относит, конфигурацией ос­тальных асим. центров.

Олигосахариды содержат в своем со­ставе от 2 до 10-20 моносахаридных остатков, связанных гликозидными свя­зями. Наиб, распространены дисаха­риды, выполняющие ф-цию запасных B-B: сахароза в растениях, трегалоза в насекомых и грибах, лактоза в молоке млекопитающих. Известны многочисл. гликозиды олигосахаридов, к к-рым относят разл. физиологически активные в-ва, напр, гликозиды сердечные, нек-рые сапонины (в растениях), мн. анти­биотики (в грибах и бактериях), глико­липиды. Полисахариды- высокомол. соед., линейные или разветвленные мо­лекулы к-рых построены из остатков моносахаридов, связанных гликозид­ными связями. В состав полисахаридов могут входить также заместители неуг­леводной природы (остатки алифатич. к-т, фосфат, сульфат). В свою очередь цепи высших олигосахаридов и полиса­харидов могут присоединяться к поли­пептидным цепям с образованием гли­копротеинов.

32. Глюкоза, прежде чем превратиться в гликоген, подвергается фосфорилиро­ванию. Эта реакция происходит с уча­стием фермента гексокиназы (фос­фотрансферазы), катализирующего пе­ренос фосфорного остатка с АТФ на глюкозу.

1. Глюкоза+АТФ- ¾® Глюкозо-6-фос­фат+АДФ. гексокиназа

Далее глюкозо-6-фосфат превращается в глюкозо-1-фосфат при участии фер­мента фосфоглюкомутазы.

2. Глюкозо-6-фосфат _¾¾¾ Глюкозо-1-фосфат ^¾¾¾®

фосфоглюкомутаза

Глюкозо-1-фосфат в присутствии фер­мента гликозилтрансферазы (пирофос­форилазы) взаимодействует с уридин­трифосфатом (УТФ) с обра