Регуляция ферментативной активности - не менее важный для успешного функционирования клетки процесс, чем регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции. Существование этих механизмов позволяет клеткам и всему организму четко координировать осуществление многочисленных разветвленных метаболических реакций, обеспечивая наиболее высокий и экономный уровень обмена веществ, а также быструю приспособляемость к меняющимся условиям окружающей среды. При этом регуляция синтеза ферментов является более медленным механизмом, действующим в течение многих минут или даже часов, в то время как изменение ферментативной активности происходит мгновенно и действует в течение нескольких минут или секунд. Регуляцию активности ферментов можно назвать «тонкой настройкой» клеточного метаболизма.
Регуляция ферментативной активности может осуществляться несколькими путями, среди которых наиболее распространены аллостерическая регуляция и ковалентная модификация .
Аллостерической регуляции подвержены не все ферменты, а лишь те, которые имеют в составе молекулы аллостерический (от греч. аллос – другой и стереос – тело, пространство) центр - участок, отличающийся от активного центра, характеризующийся высоким сродством к регуляторным молекулам.
Подобные ферменты называют аллостерическими. Их активность регулируется при участии низкомолекулярных веществ (эффекторов ), общим свойством которых является способность к взаимодействию с аллостерическим центром, что приводит к искажению конформации белковой молекулы. Это искажение передается активному центру, в результате чего меняются активность фермента и скорость соответствующей реакции.
Эффекторы могут выполнять роль как ингибиторов активности ферментов, так и их активаторов. Примером ингибирования ферментативной активности может служить снижение активности первого фермента пути биосинтеза триптофана у E.coli - антранилатсинтетазы при избытке в клетке триптофана. В данном случае триптофан, как конечный продукт названного биосинтетического пути, служит игибитором активности ключевого фермента, что координирует скорость синтеза этой аминокислоты и позволяет клетке экономить свои ресурсы. Ведь при избытке триптофана, например, когда он присутствует в ростовой среде, клетке незачем расходовать строительные блоки и энергию на его синтез, она может воспользоваться экзогенной аминокислотой. Действительно, экспериментально доказано, что в процессе роста бактерии преимущественно используют добавленные к ростовой среде аминокислоты, пурины и пиримидины и что эти соединения оказывают ингибирующее действие на свой собственный синтез из молекул-предшественников. Поскольку в приведенном случае триптофан является конечным продуктом биосинтетического пути, скорость которого снижается при ингибировании ключевого фермента, такой тип регуляции носит название «ретроингибирование ».
Увеличение активности аллостерического фермента при связывании с эффектором (активатором) можно рассмотреть на примере аспартаттранскарбамоилазы (АТКазы), которая катализирует первую реакцию биосинтеза пиримидинов. Этот фермент активируется аденозинтрифосфатом (АТР) -пуриновым нуклеотидом. Следует отметить, что одновременно АТКаза ингибируется одним из конечных продуктов названного биосинтетического пути - цитидинтрифосфатом (СТР), причем активатор и ингибитор связываются с одним и тем же аллостерическим центром. Таким образом, с помощью регуляции активности одного фермента обеспечивается координация синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов.
Мутационное повреждение аллостерического центра может обусловить утрату способности фермента связывать молекулы эффекторов и изменять в ответ на это свою активность. Данное явление используется в селекции микроорганизмов для получения мутантов с десенсибилизированными ферментами. Такие микроорганизмы часто являются продуцентами биологически активных веществ, и для их отбора используют аналоги метаболитов. Например, 5-метилтриптофан так же, как триптофан, способен ингибировать активность антранилатсинтетазы, но не заменяет триптофан в составе белка. Поэтому бактерии E.coli не способны формировать колонии на синтетической среде с этим веществом. Однако известны мутанты E.coli, растущие на среде с 5-метилтриптофаном. Эти бактерии содержат в клетках нечувствительную к ретроингибированию (десенсибилизированную) антранилатсинтетазу и синтезируют триптофан в избыточных количествах, выделяя его во внешнюю среду.
Еще одним распространенным путем регуляции активности ферментов служит ковалентная модификация - присоединение или отщепление от фермента небольшой химической группы. С помощью таких модификаций обычно либо полностью неактивная форма фермента становится активной, либо, наоборот, полностью активный фермент инактивируется. К явлению ковалентной модификации относятся: ограниченный протеолиз (укорочение полипептидных цепей), фосфорилирование - дефосфорилирование, аденилирование - деаденилирование, ацетилирование-деацетилирование и др. Например, гликогенсинтетаза клеток млекопитающих, катализирующая превращение глюкозы в гликоген, инактивируется после ковалентного присоединения фосфатной группы к боковой цепи одного из сериновых остатков и снова активируется при отщеплении фосфата. Другие примеры ковалентной модификации ферментов описаны в главе 3.
Особый случай регуляции активности ферментов представляют собой белок-белковые взаимодействия, в которых роль ингибиторов ферментов выполняют особые белки. При таких взаимодействиях блокируется активный центр фермента. Особое значение ингибирование с помощью белков имеет для регуляции активности протеиназ, участвующих в посттрансляционной модификации белков. Это способствует изменению скорости созревания многих важных для клетки белков, а следовательно, и интенсивности процессов, в которых последние принимают участие.
Глава 7. КОФАКТОРЫ
В ряде случаев для осуществления катализа ферменты нуждаются в особых посредниках - кофакторах. Кофакторы представляют собой вещества небелковой природы, которые функционируют на промежуточных стадиях ферментативной реакции (или цикла реакций), но не расходуются в ходе катализа. В подавляющем большинстве случаев кофакторы регенерируются в неизменном виде по завершении каталитического акта.
Разнообразные по химической природе кофакторы можно разделить на две основные группы: коферменты (слабо связаны с ферментом и при катализе отделяются от него) и простетические группы (прочно связаны с ферментной молекулой).
Основные механизмы, согласно которым кофакторы принимают участие в катализе, следующие:
Выполняют функцию переносчиков между ферментами. Взаимодействуя с одним ферментом, переносчик акцептирует часть субстрата, мигрирует к другому ферменту и передает переносимую часть субстрату второго фермента, после чего высвобождается. Такой механизм типичен для большинства коферментов;
Выполняют роль «внутриферментного» переносчика, что характерно, в первую очередь, для простетических групп. Простетическая группа присоединяет часть молекулы субстрата и переносит ее на второй субстрат, связанный в активном центре того же фермента. В данном случае можно рассматривать простетическую группу как часть каталитического участка фермента;
Изменяют конформацию ферментной молекулы, взаимодействуя с ней вне активного центра, что может индуцировать переход активного центра в каталитически активную конфигурацию;
Стабилизируют конформацию фермента, способствующую каталитически активному состоянию;
Выполняют функцию матрицы. Например, полимеразы нуклеиновых кислот нуждаются в «программе» - матрице, по которой строится новая молекула;
Играют роль промежуточных соединений. Иногда фермент может использовать в реакции молекулу кофактора, образуя из нее продукт, но при этом одновременно за счет субстрата образовать новую молекулу кофактора.
Среди известных в настоящее время ферментов примерно 40% способны осуществить катализ только при посредстве кофакторов. Наибольшее распространение имеют кофакторы, осуществляющие перенос восстановительных эквивалентов, фосфатных, ацильных и карбоксильных групп.
Способность к регуляции делает ферменты важными участниками и своеобразными организаторами клеточных процессов в организме человека. Регуляция скорости ферментативных реакций в клетке -- основной механизм не только контроля и координации метаболических путей, но и роста и развития клетки, а также ее ответа на изменение окружающей среды.
Существует два основных способа контроля скорости ферментативных реакций:
Контроль количества фермента.
Количество фермента в клетке определяется соотношением скоростей его синтеза и распада. Этот способ регуляция скорости ферментативной реакции является более медленным процессом (проявляется спустя несколько часов), чем регуляция активности фермента (практически мгновенный ответ).
Контроль активности фермента.
Активность фермента может регулироваться путем взаимодействия с определенными веществами, изменяющими конформацию активного центра.
Регуляция субстратом реакции.
Регуляция ферментативной активности, осуществляемая в центре присоединения субстрата, носит название изостерической.
Одним из относительно простых способов регуляции активности ферментов является регуляция с помощью изменения концентрации субстратов реакции. Чем больше в распоряжении фермента имеется молекул веществ, превращения которых он осуществляет, тем выше (до определенных пределов) скорость процесса. При насыщении всех молекул фермента субстратом скорость реакции достигает максимального уровня. В дальнейшем скорость реакции может понизиться по мере исчерпания запасов субстрата и вновь возрасти при их восстановлении.
Слишком большая концентрация субстрата также может понижать скорость ферментативной реакции. Этот феномен носит название субстратного торможения.
В качестве примера субстратного торможения можно привести фермент, расщепляющий биологически активное вещество ацетилхолин - ацетилхолинэстеразу (АХЭ). К активному центру АХЭ субстрат (ацетилхолин) присоединяется двумя концами молекулы одновременно. При увеличении концентрации ацетилхолина с одной молекулой фермента могут одновременно реагировать две молекулы субстрата, но разными концами. В этом случае реакция, суть которой заключается в разрыве сложноэфирной связи в середине молекулы ацетилхолина (с образованием холина и уксусной кислоты), оказывается невозможной, и молекулы ацетилхолинэстеразы, нагруженные субстратом, оказываются тем не менее лишенными активности.
Уменьшение концентрации ацетилхолина в среде приведет к диссоциации неактивного комплекса и снимет торможение. Этот механизм имеет важное физиологическое значение для регуляции концентрации ацетилхолина, который выполняет в нервной системе и мышцах роль медиатора, передающего возбуждение с одной клетки на другую.
Аллостерическая регуляция. Фермент изменяет активность с помощью нековалентно связанного с ним эффектора. Связывание происходит в участке, пространственно удаленном от активного (каталитического) центра (allos - иной). Это связывание вызывает конформационные изменения в молекуле белка, приводящие к изменению определенной геометрии каталитического центра. Активность может увеличиться - это активация фермента, или уменьшиться - это ингибирование.
«Сообщение» о присоединении аллостерического активатора передается посредством конформационных изменений каталитической субъединице, которая становится комплементарной субстрату, и фермент «включается». При удалении активатора фермент вновь переходит в неактивную форму и «выключается». Аллостерическая регуляция является основным способом регуляции метаболических путей.
Метаболические цепи.
Обычно ферментативные реакции в клетке организованы в метаболические цепи или циклы, где самая медленная стадия лимитирует скорость всей цепи, то есть последовательности реакций, объединяемых общими субстратами. фермент ингибитор катализ полипептидный
В таких цепях нередко наблюдается так называемая регуляция по типу обратной связи. Она служит для того, чтобы скорректировать работу цепи с потребностями клетки в конечном продукте. Принцип регуляции заключается в том, что ферменты, стоящие в начале цепи, ингибируются отдаленными метаболитами или конечными продуктами.
Такая регуляция чаще всего происходит по аллостерическому типу, когда молекула регулятора связывается с ферментом в специальном регуляторном центре. Аллостерические ферменты часто выполняют ключевую роль в регуляции обмена веществ, поскольку обладают способностью определять количество важных метаболитов и изменять в соответствии с этим свою активность.
В каждой метаболической цепи есть фермент, который задает скорость всей цепочке реакций. Он называется регуляторным ферментом.
Ферменты, регулирующие скорость метаболических путей:
- - обычно действуют на ранних стадиях метаболических путей, в местах ключевых разветвлений метаболических путей;
- - катализируют в условиях клетки практически необратимые реакции, протекающие наиболее медленно (ключевые).
Химическая модификация белков осуществляется за счет присоединения к аминокислотным остаткам в молекуле белка определенных групп: фосфатной группы (при участии протеинкиназ), остатка жирной кислоты (с помощью ацилтрансфераз), углеводных компонентов (гликозил-трансферазы, гликозидазы).
Белки, как правило, имеют лабильную структуру, упаковка которой сильно зависит от свойств химических групп, входящих в состав молекулы. Поэтому присоединение к молекуле белка дополнительных группировок существенно влияет на структуру, а следовательно, и на ферментативную активность молекулы. Такая регуляция носит приспособительный (адаптационный) характер.
Пример. Регуляция активности ферментов путем фосфорилирования-дефосфорилирования. Фермент изменяет активность в результате ковалентной модификации. `
В этом случае фосфатная группа - ОРО32- присоединяется к гидроксильным группам в остатках серина, треонина или тирозина. В зависимости от природы фермента фосфорилирование может его активировать или, наоборот, инактивировать. Реакция присоединения фосфатной группы и ее отщепление катализируют специальные ферменты - протеинкиназы и протеинфосфатазы.
Фосфорилирование - распространенный способ изменить свойства некоторых клеточных белков. Так, при фосфорилировании компонентов цитоскелета (комплекса структурных белков, обеспечивающих поддержание прочности и функционирования клетки) изменяются прочность его взаимодействия с мембраной и форма клеток. Фосфорилирование белков - регуляторов сокращения активирует сократительную реакцию мышцы.
Регуляция с помощью химической модификации белка приводит к долговременным последствиям: модифицированные молекулы сохраняют свои функции измененными до тех пор, пока специальные ферменты не отщепят модифицирующую белок химическую группу и не вернут его в исходное состояние.
Регуляция путем белок-белковых взаимодействий (ассоциации-диссоциации субъединиц в олигомерном ферменте). Например, фермент протеинкиназа в неактивной форме построена как тетрамер R2C2 (R и С - разные субъединицы). Активная протеинкиназа представляет собой субъединицу С, для освобождения которой необходима диссоциация комплекса. Активация фермента происходит при участии цAMP, который способен присоединиться к субъединице R, после чего изменяется конформация, комплементарность субъединиц R и С и происходит диссоциация комплекса: R2C2 + 2cАМР 2С + 2(R -цАМР)
Протеинкиназа фосфорилирует соответствующие ферменты, изменяет их активность и, следовательно, скорость метаболизма в клетке.
Активация ферментов путем частичного протеолиза.
Чачтичный протеолиз-разрушение белковой структкры до аминокислотных остатков,для того.чтобы слизистая пожелудочной не разрушилась от трипсина
Некоторые ферменты синтезируются первоначально неактивными и лишь после секреции из клетки переходят в активную форму. Неактивный предшественник называется проферментом. Активация профермента включает модификацию первичной структуры с одновременным изменением конформации. Например, трипсиноген, синтезированный в поджелудочной железе, затем в кишечнике превращается в трипсин путем удаления фрагмента с N-конца гексапептида. Расщепление определенных пептидных связей «запускает» новые взаимодействия R-групп по всей молекуле, приводя к новой конформации, в которой R-группы активного центра занимают оптимальное положение для катализа (рис.10).
Роль липидного окружения.
Изменение вязкости микроокружения белковых молекул управляет взаимодействием между белками в олигомерных комплексах и регулирует активность мембраносвязанных ферментов.. Этот тип регуляции, который обнаружен в случае многих мембранных белков, обеспечивает тонкую настройку их работы на сиюминутные потребности клетки.
Арендный блок
В клетке постоянно происходит большое количество разнообразных химических реакций, которые формируют метаболические пути - последовательное превращение одних соединений в другие. Чтобы воздействовать на скорость протекания метаболического пути, достаточно регулировать количество или активность ферментов. Обычно в метаболических путях есть ключевые ферменты, благодаря которым происходит регуляция скорости всего пути. Эти ферменты называются регуляторными ферментами; они катализируют, как правило, начальные реакции метаболического пути, необратимые реакции, скорость-лимитирующие реакции (самые медленные) или реакции в месте переключения метаболического пути (точки ветвления).
Регуляция скорости ферментативных реакций осуществляется на 3 независимых уровнях:
1. изменением количества молекул фермента;
2.доступностью молекул субстрата и кофермента;
3.изменением каталитической активности молекулы фермента. Важнейшее значение в изменении скорости метаболических путей играет регуляция каталитической активности одного или нескольких ключевых ферментов данного метаболического пути. Это высокоэффективный и быстрый способ регуляции метаболизма.
Основные способы регуляции активности ферментов:
1. Доступность субстрата или кофермента. Здесь работает закон действия масс фундаментальный закон химической кинетики: при постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ. Или упрощенно скорость, с которой вещества реагируют друг с другом, зависит от их концентрации. Таким образом, изменение количества хотя бы одного из субстратов прекращает или начинает реакцию. Например, для цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) таким субстратом является оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота). Наличие оксалоацетата "подталкивает" реакции цикла, что позволяет вовлекать в окисление молекулы ацетил-SКоА. Именно из-за недостатка оксалоацетата (относительного или абсолютного) развивается кетоацидоз (механизм развития) при голодании и инсулинзависимом сахарном диабете.
2. Компартментализация это сосредоточение ферментов и их субстратов в одном компартменте (одной органелле) в эндоплазматическом ретикулуме, митохондриях, лизосомах. Например, ферменты цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) и β-окисления жирных кислот расположены в митохондриях, ферменты синтеза белка в рибосомах.
3. Изменение количества фермента может происходить в результате увеличения или снижения его синтеза. Изменение скорости синтеза фермента обычно зависит от количества определенных гормонов или субстратов реакции, например: -исчезновение пищеварительных ферментов при длительном голодании и их появление в восстановительный период (в результате изменения секреции кишечных гормонов); -при беременности и после родов в молочной железе активно идет синтез фермента лактозосинтазы под воздействием лактотропного гормона;
Гормоны глюкокортикоиды стимулируют синтез ферментов глюконеогенеза, что обеспечивает стабильность концентрации глюкозы в крови и устойчивость ЦНС к стрессу;
4. Ограниченный (частичный) протеолиз проферментов подразумевает, что синтез некоторых ферментов осуществляется в виде более крупного предшественника и при поступлении в нужное место этот фермент активируется через отщепление от него одного или нескольких пептидных фрагментов. Подобный механизм защищает внутриклеточные структуры от повреждений. Примером служит активация протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта (трипсиноген, пепсиноген, прокарбоксипептидазы), факторов свертывания крови, лизосомальных ферментов (катепсины).
5. Аллостерическая регуляция. Аллостерические ферменты построены из двух и более субъединиц: одни субъединицы содержат каталитический центр, другие имеют аллостерический центр и являются регуляторными. Аллостерический центр (allos чужой) центр регуляции активности фермента, который пространственно отделен от активного центра и имеется не у всех ферментов. Связывание с аллостерическим центром какой-либо молекулы (называемой активатором или ингибитором, а также эффектором, модулятором, регулятором) вызывает изменение конфигурации белка-фермента и, как следствие, скорости ферментативной реакции. В качестве такого регулятора может выступать продукт данной или одной из последующих реакций, субстрат реакции или иное вещество. Присоединение эффектора к аллостерической (регуляторной) субъединице изменяет конформацию белка и, соответственно, активность каталитической субъединицы. Аллостерические ферменты обычно стоят в начале метаболических путей, и от их активности зависит течение многих последующих реакций. Поэтому они часто называются ключевыми ферментами. В качестве отрицательного регулятора может выступать конечный метаболит биохимического процесса или продукт данной реакции, т.е включается механизм обратной отрицательной связи. Если регуляторами являются начальный метаболит или субстрат реакции, то говорят о прямой регуляции, она может быть как положительной, так и отрицательной. Также регулятором могут быть метаболиты биохимических путей, каким-то образом связанных с данной реакцией. Например, фермент энергетического распада глюкозы, фосфофруктокиназа, регулируется промежуточными и конечными продуктами этого распада. При этом АТФ, лимонная кислота, фруктозо-1,6-дифосфат являются ингибиторами, а фруктозо-6-фосфат и АМФ активаторами фермента. Аллостерическая регуляция имеет большое значение в следующих ситуациях:
При анаболических процессах. Ингибирование конечным продуктом метаболического пути и активация начальными метаболитами позволяют осуществлять регуляцию синтеза этих соединений;
При катаболических процессах. В случае накопления АТФ в клетке происходит ингибирование метаболических путей, обеспечивающих синтез энергии. Субстраты при этом расходуются на реакции запасания резервных питательных веществ;
Для координации анаболических и катаболических путей. АТФ и АДФ - аллостерические эффекторы, действующие как антагонисты;
Для координации параллельно протекающих и взаимосвязанных метаболических путей (например, синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, используемых для синтеза нуклеиновых кислот). Таким образом, конечные продукты одного метаболического пути могут быть аллостерическими эффекторами другого метаболического пути.
6. Белок-белковое взаимодействие обозначает ситуацию, когда в качестве регулятора выступают не метаболиты биохимических процессов, а специфичные белки. В целом ситуация схожа с аллостерическим механизмом: после влияния каких-либо факторов на специфичные белки изменяется активность этих белков, и они, в свою очередь, воздействуют на нужный фермент. К примеру, мембранный фермент аденилатциклаза является чувствительным к воздействию мембранного G-белка, который сам активируется при действии на клетку некоторых гормонов (например, адреналина и глюкагона).
7. Ковалентная (химическая) модификация заключается в обратимом присоединении или отщеплении определенной группы, благодаря чему изменяется активность фермента. Чаще всего такой группой является фосфорная кислота, реже метильные и ацетильные группы. Фосфорилирование фермента происходит по остаткам серина и тирозина. Присоединение фосфорной кислоты к белку осуществляют ферменты протеинкиназы, отщепление протеинфосфатазы. Ферменты могут быть активны как в фосфорилированном, так и в дефосфорилированном состоянии. Например, ферменты гликогенфосфорилаза и гликогенсинтаза при потребности организма в глюкозе фосфорилируются, при этом фосфорилаза гликогена становится активной и начинает расщепление гликогена, а гликогенсинтаза неактивна. При необходимости синтеза гликогена оба фермента дефосфорилируются, синтаза при этом становится активной, фосфорилаза неактивной.
Активность ферментов в клетке непостоянна во времени. Ферменты чутко реагируют на ситуацию, в которой оказывается клетка, на факторы, воздействующие на нее как снаружи, так и изнутри. Главная цель такой чувствительности ферментов отреагировать на изменение окружающей среды, приспособить клетку к новым условиям, дать должный ответ на гормональные и иные стимулы, а в некоторых ситуациях получить шанс выжить.
У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы
К данному материалу относятся разделы:
Первичная структура белков. Видовая специфичность белков. Наследственные изменения первичной структуры. Полиморфизм белков. Наследственные протеинопатии: серповидно-клеточная анемия, др примеры.
Конформация белковых молекул (вторичная и третичная структуры). Типы внутримолекулярных связей в белках. Роль пространственной организации пептидной цепи в образовании активных центров. Конформационные изменения при функционировании белков.
Четвертичная структура белков. Кооперативные изменения конформации протомеров. Примеры строения и функционирования олигомерных белков: гемоглобин (в сравнении с миоглобином), аллостерические ферменты.
Понятие о ферментах. Специфичность действия ферментов. Кофакторы ферментов. Зависимость скорости ферментативных реакций от концентрации субстрата, фермента, температуры и рН. Принципы количественного определения ферментов. Единицы активности.
Понятие об активном центре фермента. Механизм действия ферментов. Ингибиторы ферментов: обратимые и необратимые, конкурентные. Применение ингибиторов в качестве лекарств.
Регуляция действия ферментов: аллостерические механизмы, химическая (ковалентная) модификация. Белок-белковые взаимодействия. Примеры метаболических путей, регулируемых этими механизмами. Физиологическое значение регуляции действия ферментов.
Роль ферментов в метаболизме. Многообразие ферментов. Понятие о классификации. Наследственные первичные энзимопатии: фенилкетонурия, алкаптонурия. Другие примеры наследственных энзимопатий. Вторичные энзимопатии. Значение ферментов в медицине.
Понятие о катаболизме и анаболизме и их взаимосвязи. Эндергонические и экзергонические реакции в метаболизме. Способы передачи электронов. Особенности протекания окислительных реакций в организме. Этапы расщепления веществ и освобождения энергии (этапы ка
Оксидоредуктазы. Классификация. Характеристика подклассов. НАД-зависимые дегидрогеназы. Строение окисленной и восстановленной форм. Важнейшие субстраты НАД-зависимых дегидрогеназ. ФАД-зависимые дегидрогеназы: сукцинатдегидрогеназа и ацилКоА-дегидрог
Окислительное декарбоксилирование пирувата и цикл Кребса: последовательность реакций, связь с дыхательной цепью, регуляция, значение.
Дыхательная цепь, компоненты, структурная организация. Электрохимический потенциал, его значение.
Окислительное фосфорилирование АДФ. Механизм. Сопряжение и разобщение окисления и фосфорилирования в дыхательной цепи. Коэффициент Р/0. Регуляция дыхательной цепи.
Субстратное фосфорилирование АДФ. Отличия от окислительного фосфорилирования. Основные пути использования АТФ. Цикл АДФ-АТФ. Понятие о свободном окислении и его значение. Тканевые особенности окислительно-восстановительных процессов.
Функции углеводов. Потребность организма в углеводах. Переваривание углеводов. Нарушения переваривания и всасывания углеводов. Унификация моносахаридов. Роль печени в обмене углеводов.
Биосинтез и мобилизация гликогена: последовательность реакций, физио- логическое значение. Регуляция обмена гликогена. Гликогенозы и агликогенозы.
Анаэробный распад глюкозы: последовательность реакций, физиологическое значение. Роль анаэробного распада глюкозы в мышцах. Дальнейшая судьба молочной кислоты.
Аэробный распад глюкозы: последовательность реакций, физиологическое значение. Роль аэробного распада глюкозы в мышцах при мышечной работе. Роль аэробного распада глюкозы в мозге.
Биосинтез глюкозы (глюконеогенез): возможные предшественники, последовательность реакций. Глюкозо-лактатный цикл (цикл Кори) и глюкозо-аланиновый цикл: физиологическое значение. Значение и регуляция глюко-неогенеза из аминокислот.
Пентозофосфатный путь превращения глюкозы. Окислительный путь образования пентоз. Представление о неокислительном пути образования гексоз. Распространение, роль, регуляция.
Функции липидов. Пищевые жиры; норма суточного потребления, переваривание, всасывание продуктов переваривания. Ресинтез жиров в клетках кишечника. Хиломикроны, строение, значение, метаболизм. Пределы изменения концентрации жиров в крови.
Окисление глицерина и высших жирных к-т. Последовательность реакций. Связь β-окисления с циклом Кребса и дых цепью. Физиологическое значение окисления жирных кислот в зависимости от ритма питания и мышечной активности.
Липолиз и липогенез. Значение. Зависимость липогенеза от ритма питания и состава пищи. Регуляция липолиза и липогенеза. Транспорт и использование жирных кислот, образующихся при мобилизации жира.
Биосинтез жирных кислот: последовательность реакций, физиологическое значение, регуляция.
Пути образования и использования ацетил-КоА. Биосинтез и значение кетоновых тел. Пределы изменений концентрации кетоновых тел в крови в норме, при голодании и сахарном диабете.
Синтез холестерина, регуляция. Биологическое значение холестерина. Атеросклероз. Факторы риска для развития атеросклероза.
Транспортные липопротеиды крови: особенности строения, состава и функций разных липопротеидов. Роль в обмене жиров и холестерина. Пре¬делы изменений концентрации жиров и холестерина в крови. Патология липидного обмена.
Функции пептидов и белков. Суточная потребность в белках. Переваривание белков. Регуляция переваривания белков. Патология переваривания и всасывания белков.
Декарбоксилирование аминокислот. Его сущность. Декарбоксилирование гистидина, серина, цистеина, орнитина, лизина и глутамата. Роль биогенных аминов в регуляции метаболизма и функций.
Трансаминирование аминокислот. Специфичность аминотрансфераз. Значение реакций трансаминирования. Непрямое дезаминирование аминокислот: последовательность реакций, ферменты, биологическое значение.
Образование и пути использования аммиака. Биосинтез мочевины: последовательность реакций, регуляция. Гипераммониемия.
Обмен фенилаланина и тирозина. Наследственные нарушения обмена фенилаланина и тирозина. Значение серина, глицина и метионина.
Синтез креатина: последовательность реакций, значение креатинфосфата. Физиологическая креатинурия. Значение креатинкиназы и креатинина в диагностике.
Нуклеозиды, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты, строение, значение. Отличия ДНК и РНК. Нуклеопротеиды. Переваривание нуклеопротеидов.
Катаболизм пуриновых и пиримидиновых оснований. Гиперурикемия. Подагра.
Биосинтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. Биосинтез дезоксирибонуклеотидов. Регуляция этих процессов.
Репликация ДНК: механизм и биологическое значение. Повреждение ДНК, репарация повреждений и ошибок репликации ДНК.
Типы РНК: особенности строения, размеры и разнообразие молекул, локализация в клетке, функции. Биосинтез РНК (транскрипция). Строение рибосом и полирибосом. Синтез аминоацил-тРНК. Субстратная специфичность аминоацил-тРНК-синтетаз.
Биологический код. Основные компоненты белоксинтезирующей системы. Биосинтез белка. Механизм. Адапторная функция тРНК и роль мРНК в этом процессе.
Регуляция биосинтеза белка. Индукция и репрессия синтеза белка на примере функционирования лактозного оперона кишечной палочки. Ингибиторы матричных биосинтезов: лекарственные препараты, вирусные и бактериальные токсины.
Гемоглобин. Строение. Синтез и распад гемоглобина. Формы билирубина. Пути выведения билирубина и других желчных пигментов. Желтухи.
Белковые фракции плазмы крови. Функции белков плазмы крови. Гипо- и гиперпротеинемия, причины этих состояний. Индивидуальные белки плазмы крови: транспортные белки, белки острой фазы.
Остаточный азот крови. Гиперазотемия, ее причины. Уремия.
Основные биохимические функции и особенности печени.
Взаимосвязь обмена жиров, углеводов и белков.
Биохимия регуляций. Основные принципы и значение. Иерархия регуляторных систем. Классификация межклеточных регуляторов. Центральная регуляция эндокринной системы: роль либеринов, статинов и тропинов.
Понятие о рецепторах. Механизм действия гормонов через внутриклеточные рецепторы и рецепторы плазматических мембран и вторые посредники (общая характеристика).
Инсулин. Строение, образование из проинсулина, метаболизм, регуляция секреции. Влияние на обмен веществ.
Сахарный диабет. Патогенез. Нарушения обмена веществ при сахарном диабете. Определение толерантности к глюкозе при диагностике сахарного диабета.
Соматотропный гормон, глюкагон и другие пептидные гормоны. Биологическое значение.
Гормоны коры надпочечников. Синтез, метаболизм, регуляция секреции. Глюкокортикостероиды, влияние на обмен веществ. Гипо- и гиперкортицизм
История Казахстана, 6 класс, тесты по экзамену
Ответы по КСЕ
Концепции Современного Естествознания (КСЕ). Естествознание. Система естественных наук. Методы научного познания. Организация материи.Пространство и время. Геология
Науково-дослідницька робота
Організація науково-дослідної роботи у вищому навчальному закладі. Поняття науки та її нормативне регулювання. Методологічні засади наукових досліджень
Финансы. Конспект
Конспект лекций по курсу Финансы - полный. Российская Федерация. Рынок земли. ВВП и ВНП.
Инструменты государственного регулирования экономики
Контрольная работа. по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности » на тему: «Ожоги и отморожения: симптомы, классификация и первая помощь»
Активность ферментов может изменяться под влиянием различных внешних факторов. Вещества, способные оказывать влияние на активность ферментов, обозначают как модуляторы ферментов . В свою очередь модуляторы подразделяют на две группы:
1. Активаторы . Под их влиянием происходит увеличение активности ферментов. В качестве активаторов могут выступать катионы металлов. Например, Na + является активатором амилазы слюнных желез человека.
2. Ингибиторы. Вещества, под влиянием которых происходит уменьшение активности ферментов.
Ингибиторы представляют большую группу веществ, которые различаются по механизму ингибирующего действия.
По продолжительности ингибирующего эффекта ингибиторы подразделяются на:
· необратимые (которые при взаимодействии с ферментом навсегда лишают его ферментативной активности);
· обратимые (которые временно уменьшают активность фермента).
Механизм действия необратимых ингибиторов можно описать следующим уравнением:
In + E EIn ,
где EIn – комплекс фермента с ингибитором, в котором он не обладает каталитическими свойствами.
Как правило, необратимые ингибиторы взаимодействуют с функциональными группами активного центра фермента. Они ковалентно соединяются с ними и, таким образом, блокируют их. В результате этого фермент утрачивает способность взаимодействовать с субстратом.
Классическим примером необратимых ингибиторов являются фосфорорганические вещества. В течение многих лет в качестве такового в биохимических исследованиях используется диизопропилфторфосфат (ДФФ). Фосфорорганические соединения соединяются с остатком серина в активном центре фермента:
 |
К ферментам, которые содержат в активном центре серин, относятся холинэстераза, трипсин, эластаза и др.
В качестве других необратимых ингибиторов широкое применение находят алкилирующие агенты. Эти соединения взаимодействуют с SH-группами цистеина или имидазальными радикалами гистидина в активном центре. Механизм необратимого ингибирования ферментов иодацетамидом:
В качестве алкилирующих агентов как необратимых ингибиторов в биохимии находят применение иодацетамид, монойодацетат и др.
Явление необратимого ингибирования используется в народном хозяйстве и медицине. На нем основано применение инсектицитов (средств для борьбы с насекомыми), некоторых лекарственных препаратов (антихолинестеразные средства). На их основе созданы боевые отравляющие вещества нервно-паралитического действия из группы фосфорорганических соединений.
В отличие от ингибиторов необратимого действия обратимые ингибиторы лишь на определенный промежуток времени понижают активность ферментов. Механизм их ингибирующего эффекта можно представить в виде следующих уравнений реакций:
In + E EIn
In + ES ESIn
Как следует из представленных уравнений реакций, обратимые ингибиторы обратимо присоединяются к ферменту или фермент-субс-тратному комплексу. При этом фермент утрачивает свои каталитические свойства.
Обратимые ингибиторы по механизму ингибирующего эффекта подразделяются на конкурентные инеконкурентные, которые отличаются друг от друга по механизму ингибирующего действия на фермент.
В случае неконкурентного ингибирования ингибитор обратимо присоединяется к ферменту не в его активном центре. В этом случае меняется конформация активного центра, что приводит к обратимой инактивации энзима. Под влиянием конкурентного ингибитора не происходит изменения сродства фермента к его субстрату, т.е. не изменяется величина К м, но понижается максимальная скорость ферментативной реакции (V max). В качестве неконкурентных ингибиторов могут выступать промежуточные продукты обмена веществ.
Молекулы конкурентных ингибиторов имеют определенное сходство с истинным субстратом фермента. Классическим примером конкурентных ингибиторов является малоновая кислота, которая обратимо понижает активность фермента сукцинатдегидрогеназы.
Янтарная кислота Малоновая кислота
Из представленных формул видно, что малоновая кислота действительно сильно напоминает по строению янтарную. Структурное сходство позволяет малоновой кислоте связываться с активным центром фермента сукцинатдегидрогеназы. Однако это соединение не способно вступать в реакцию, катализируемую данным ферментом (реакцию дегидрирования). Поэтому ингибитор присоединяется к активному центру фермента, блокируя тем самым возможность его взаимодействия с истинным субстратом. Таким образом, под влиянием конкурентного ингибитора резко понижается срод-ство фермента к субстрату (возрастает величина К м), но не меняется величина V max . Явление конкурентного ингибирования может быть снято путем резкого повышения концентрации субстрата в реакционной смеси.
Таким образом, конкурентные ингибиторы в отличие от неконкурентных связываются с активным центром фермента, вследствие чего наступает резкое повышение величины К м к субстрату, что и лежит в основе обратимого понижения его активности.
В качестве физиологического конкурентного ингибитора сукцинатдегидрогеназы выступает щавелево-уксусная кислота. Как видно из представленного рисунка, этот промежуточный продукт обмена веществ также имеет определенное структурное сходство с янтарной кислотой. Конкурентное ингибирование сукцинатдегидрогеназы щавелево-уксусной кислотой играет важную роль в регуляции окислительно-восстановительных превращений в митохондриях:
Существует еще один вид регуляции активности ферментов – аллостерическая регуляция . Он характерен для особой группы энзимов – аллостерических ферментов . К аллостерическим ферментам относятся олигомерные белки, в структуре которых имеются регуляторные (аллостерические) центры.
В составе молекул аллостерических ферментов выделяются два типа субъединиц:
1) каталитические (С );
2) регуляторные (R ).
Каталитические субъединицы представлены полипептидной цепью, на которой находится активный центр фермента. Регуляторные субъединицы содержат в своей структуре регуляторный (аллостерический) центр. Аллостерический центр представляет собой участок молекулы, способный специфически взаимодействовать с регулятором фермента. Соответственно регуляторы могут выступать в роли как активаторов, так и ингибиторов фермента.
Связывание аллостерического регулятора с регуляторным центром происходит за счет стерического соответствия его молекулы аллостеричес-кому центру. Ввиду геометрического сходства поверхности молекулы регулятора и трехмерной структуры аллостерического центра между ними происходит обратимое специфическое взаимодействие. Образуется комплекс, который стабилизируется силами слабых взаимодействий. Особое значение при этом приобретают Ван-дер-Ваальсовы силы. Помимо них, в стабилизации комплекса регулятора с аллостерическим центром участвуют водородные связи, а также гидрофобные и электростатические взаимодействия.
В результате взаимодействия фермента с аллостерическим ингибитором в молекуле белка возникают конформационные сдвиги в полипептидной цепи регуляторной субъединицы. Их возникновение сказывается на взаимодействии С - и R -субъединиц. В результате этого вторично изменяется конформация полипептидной цепи каталитической субъединицы. Подобная перестройка сопровождается возникновением сдвигов в структуре активного центра, следствием чего служит понижение сродства активного центра к субстрату (повышение величины К м), что и предопределяет ингибирование фермента (рис. 33).
Рисунок 33 – Механизм аллостерического ингибирования фермента
Присоединение аллостерического ингибитора к аллостерическому центру приводит к изменению конформации активного центра на каталитической субъединице фермента и понижению его сродства к субстрату.
Аллостерическое ингибирование является обратимым. Диссоциация комплекса R -субъединицы с ингибитором сопровождается восстановлением исходной конформации полипептидных цепей субъединиц, в результате чего сродство активного центра к субстрату восстанавливается.
Очень часто в роли аллостерических ингибиторов выступает продукт реакции или метаболического пути, в котором участвует фермент. Процесс ингибирования фермента продуктом реакции называетсяретроингибированием .
Ретроингибирование лежит в основе механизма отрицательной обратной связи в регуляции обменных процессов и поддержании гомеостаза. За счет него обеспечивается поддержание постоянного уровня различных промежуточных продуктов обмена веществ в клетках. Примером ретроингибирования может служить ингибирование гексокиназы продуктом реакции глюкозо-6-фосфатом:
В некоторых случаях ингибирование происходит не за счет конечного продукта реакции, а конечного продукта процесса, в котором происходит реакция. Ретроингибирование фермента Е продуктом процесса Р:
где Б, В, Г, Д – промежуточные продукты.
В представленной последовательности превращений в качестве аллостерического ингибитора фермента Е выступает продукт процесса – Р . Подобный механизм ретроингибирования широко встречается в клетках. В качестве примера можно привести ингибирование фермента ацетил-КоА-карбоксилазы, принимающего участие в синтезе высших жирных кислот, конечным продуктом синтеза жирных кислот – пальмитиновой кислотой.
Аналогичным, но противоположным образом действуют на аллостерические ферменты аллостерические активаторы . В отсутствии активатора фермент имеет низкое сродство к субстрату. Однако при соединении ал-лостерического центра с активатором происходит повышение сродства каталитического центра к субстрату, что сопровождается повышением скорости превращения субстрата. В качестве аллостерических активаторов часто выступает молекула субстрата реакции. В этом заложен глубокий биологический смысл. В условиях, когда в клетке возрастает содержание субстрата, для поддержания постоянства внутренней среды появляется необходимость в его утилизации. Это достигается за счет активации фермента, который катализирует его превращение. Примером подобной активации может быть активация глюкокиназы глюкозой.
Аллостерические ферменты, у которых субстрат выступает в роли активатора называются гомотропными. На этих ферментах имеется несколько одинаковых по строению центров связывания субстрата, которые в зависимости от условий могут выполнять функцию и регуляторных, и каталитических центров фермента.
Как противоположность гомотропным ферментам существуют гетеротропные энзимы. Последние регулируются модуляторами, структура которых отличается от субстрата. Поэтому в их структуре выделяются существенно различающиеся по строению активный и аллостерический центры.
Очень часто один и тот же аллостерический фермент оказывается способным взаимодействовать с несколькими различными модуляторами – активаторами и ингибиторами. В качестве примера можно привести фермент – фосфофрктокиназу (ФФК), которая катализирует следующую реакцию:
При этом разные модуляторы, как правило, имеют свои участки связывания на молекуле фермента.
Кинетика гомотропных ферментов отличается от кинетики неаллостерических энзимов. График зависимости скорости реакции от концент-рации субстрата имеет у них не гиперболическую, а сигмовидную форму (рис. 34).
Рисунок 34 – Кинетика гомотропных ферментов
По этой причине для расчета К м у них неприемлемо уравнение Михаэлиса-Ментен.
Сигмовидный характер кинетики аллостерических ферментов связан с особым – кооперативным характером взаимодействия отдельных субъединиц энзима с субстратом. Связывание каждой следующей молекулы субстрата с участком связывания способствует возникновению конформационных перестроек в соседних субъединицах, следствием чего становится повышение их сродства к субстрату.
Изоферменты
Важное значение в обеспечении эффективного течения обменных процессов в клетках имеют изоферменты . Изоферменты представляют собой генетически детерминированные множественные формы фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но имеющие разную структуру и физико-химические свойства.
Типичным ферментом, который представлен изоферментами, является лактатдегидрогеназа (ЛДГ). Этот энзим катализирует следующую реакцию.
При электрофорезе сыворотки крови человека в крови выявляется пять различных белковых фракций, которые обладают способностью катализировать лактатдегидрогеназную реакцию. Таким образом, можно прийти к заключению о существовании пяти изоферментов ЛДГ (рис. 35).
Рисунок 35 – Распределение изоферментов ЛДГ на электрофорерограмме (электрофорез проводится при рН 6,8)
Важное значение в объяснении феномена существования изоферментов имеет тот факт, что изоферменты встречаются только у ферментов – олигомерных белков. Их молекула состоит не меньше чем из двух субъединиц.
Что касается ЛДГ, то этот фермент представляет собой тетрамер, т.е. в его молекулу входит четыре отдельные субъединицы. При этом существует два различных типа субъединиц ЛДГ – М-тип (мышечный) и Н-тип (сердечный). Субъединица представляет собой полипептидную цепь, структура которой кодируется соответствующим геном, что и предопределяет генетическую природу изоферментов. В виду того что полипептиды субъединиц являются продуктами разных генов, они имеют:
· различный аминокислотный состав (первичную структуру);
· неодинаковые физико-химические свойства (электрофоретическую подвижность);
· особенности синтеза в разных тканях.
Ввиду различий в структуре изоферменты различаютсяи и по кинетике (сродству к субстрату), особенностям регуляции активности, а также локализации в клетках эукариот и тканевой специфичности в высших организмах.
В состав тетрамера молекулы ЛГД могут входить разные типы субъединиц в различных соотношениях. При образовании тетрамера возможна следующая комбинация субъединиц:
По этой причине становится понятной причина существования именно пяти изоферментов ЛДГ: ЛДГ 1 имеет минимальную электрофоретическую подвижность, а ЛДГ 5 – максимальную.
Гены изоферментов ЛДГ по-разному экспрессируются в различных тканях: в сердечной мышце синтезируется только субъединица Н-типа. Поэтому здесь образуется только ЛДГ 1 , которая состоит исключительно из этого типа суъединиц. В печени и скелетных мышцах синтезируется только суъединица М-типа. Поэтому здесь образуется и функционирует только изофермент ЛДГ 5 , состоящий исключительно из М-субъединиц. В остальных тканях с разной скоростью экспрессируются гены, кодирующие и Н-, и М-субъединицы. Поэтому в них могут образовываться различные промежуточные формы изоферментов ЛДГ (ЛДГ 2 –ДГ 4).
Ввиду того что субъединицы различаются по аминокислотному составу, они обладают неодинаковой молекулярной массой и электрическим зарядом. Это обусловливает их различные физико-химические свойства.
Помимо различий физико-химических свойств, изоферменты сильно различаются по каталитическим свойствам (по кинетическим параметрам: для них характерна различная величина числа оборотов (V max) и сродства к субстрату (К м), а также по чувствительности к действию различных регуляторов).
Так, у ЛДГ 1 величина К м по отношению к молочной кислоте составляет 0,0044 М , тогда как у ЛДГ 5 – 0,0256 М . Мочевина проявляет свойства ингибитора в отношении ЛДГ 5 , но не оказывает влияния на ЛДГ 1 . При этом в качестве ингибитора ЛДГ 1 выступает пировиноградная кислота, которая не оказывает аналогичного эффекта на ЛДГ 5 .
Таким образом, изоферменты различают по структуре и свойствам, а их существование генетически детерминировано. При этом возникает вопрос о биологической целесообразности изоферментов.
Для того чтобы разобраться в данном вопросе необходимо иметь ввиду, что в различных отделах (компартментах) клетки эукариот, а также в разных тканях многоклеточного организма, существуют различные условия. В них содержится неодинаковая концентрация одних и тех же субстратов и кислорода. Для них характерна различная величина рН и ионный состав. Поэтому в клетках разных тканей, а также в разных компартментах клетки одни и те же химические превращения фактически протекают в неодинаковых условиях. В этой связи существование изоферментов, обладающих различиями в каталитических и регуляторных свойствах, позволяет
1) осуществлять одни и те же химические превращения с одинаковой эффективностью в разных условиях;
2) обеспечивать тонкую регуляцию каталитических превращений в соответствии с особенностями распределения регуляторов в соответствующем компартменте клетки и разных тканях.
Указанное может быть проиллюстрировано особенностями свойств цитоплазматического и митохондриального изоферментов карбамоилфосфатсинтазы. Этот фермент катализирует реакцию синтеза карбамоилфосфата.
Карбамоилфосфат, образующийся в митохондриях, под действием митохондриального изофермента далее вовлекается в процесс образования мочевины, а карбамоилфосфат, образующийся под влиянием цитоплазматического изофермента, затем используется для синтеза пиримидиновых нуклеотидов. Естественно, что эти ферменты, связанные с совершенно различными обменными процессами, разделены пространственно и имеют различные каталитические и регуляторные свойства. Их присутствие в одной клетке позволяет одновременно происходить двум разным процессам, связанным с использованием одного предшественника.
Таким образом, существование изоферментов имеет важное биологическое значение, связанное с возможностью течения одних и тех же ферментативных процессов в разных условиях и по этой причине генетически детерминировано.
Контрольные вопросы
1. В чем заключается сходство и различие между ферментами и небелковыми катализаторами?
2. Перечислите основные классы ферментов и охарактеризуйте их.
3. На чем основана современная международная номенклатура ферментов?
4. Дайте определение понятия энергетический барьер реакции.
5. Какие существуют взгляды на механизм понижения ферментами энергетического барьера реакции?
6. В чем заключается физический смысл константы Михаэлиса и максимальной скорости реакции?
7. В каких единицах измеряется константа Михаэлиса и максимальная скорость реакции?
8. Почему при повышении температуры реакционной смеси до температурного оптимума скорость ферментативной реакции возрастает?
9. Какие виды специфичности ферментов вам известны? С чем связана специфичность ферментов?
10. Почему активность ферментов зависит от рН среды? Активность каких ферментов в большей мере зависит от этого фактора?
11. Какие методы количественного определения ферментов вам известны?
12. В чем измеряется активность ферментов?
13. В чем заключаются принципиальные различия между обратимыми и необратимыми ингибиторами?
14. Что такое конкурентные ингибиторы? Какие конкурентные ингибиторы вам известны?
15. Каков механизм аллостерического ингибирования?
16. В чем заключается биологическая целесообразность существования изоферментов?
17. Какие методы фракционирования изоферментов вам известны?
Глава 6. ВИТАМИНЫ
Витаминами называются органические вещества, которые в малых количествах необходимы для обеспечения нормального обмена веществ и физиологических функций, не синтезируются в организме и являются обязательными компонентами пищи.
Необходимость витаминов для обеспечения жизнедеятельности организма связана с тем, что большинство из них участвует в образовании коферментов. Ввиду того что для обеспечения нормального течения каталитических процессов требуются очень небольшие количества ферментов, которые к тому же не расходуются в процессе химических реакций, витамины тоже необходимы организму в очень небольших количествах.
В настоящее время известно более 20 витаминов. Основными их источниками являются:
· пища животного и растительного происхождения;
· сапрофитная микрофлора толстого кишечника;
· провитамины.
Провитамины представляют собой предшественники витаминов, из которых в организме различными путями происходит образование активных витаминов. К их числу относятся каротин (провитамин А), 7-дегидро-холестерин (провитамин D) и др.
Помимо витаминов, выделяется особая группа витаминоподобных веществ . Эти вещества обладают свойствами витаминов, но синтезируются в организме человека. К ним относятся карнитин, инозитол, липоевая кислота, холин, пангамовая кислота, витамин U и др. Витаминоподобные вещества проявляют свойства витаминов у соответствующих видов организмов.
Наряду с витаминами существует группа веществ – антагонистов, которые обозначаются термином антивитамины . К ним относятся вещества, которые проявляют действие, противоположное действию витаминов.
Антивитамины можно условно подразделить на две группы в зависимости от механизма их антивитаминного эффекта.
1. Ферменты, разрушающие витамины. Примером представителей этой группы могут служить тиаминаза (фермент, катализирующий превращения витамина В 1), аскорбатоксидаза (фермент, катализирующий превращения витамина С) и т.д.
2. Вещества, обладающие сходной с витаминами структурой, за счет чего способные вступать с витаминами в конкурентные отношения за общие участки связывания. В эту группу входят и производные витаминов (окситиамин и др.).
Потребность в витаминах зависит от множества различных причин. К ним относятся пол, возраст, время года, географическая широта обитания, физическое состояние, характер труда, состояние здоровья и др.
В том случае, когда возникает нарушение соответствия между потребностью организма в витамине и уровнем его поступления в организм, наступает состояние витаминного дисбаланса. Проявлением витаминного дисбаланса могут служить:
· гиповитаминозы;
· авитаминозы;
· гипервитаминозы.
Гиповитаминозы представляют собой состояния, при которых уменьшается содержание витамина в организме. Существует две основные группы причин (внешние и внутренние ), которые приводят к их возникновению.
1. К внешним относятся причины, которые приводят к снижению поступления витаминов в организм с пищей (голодание, употребление в пищу продуктов, содержащих малое количество витаминов или подвергнутых неправильной кулинарной обработке).
2. Внутренние причины связаны с увеличением потребности организма в витаминах при определенных состояниях (детский возраст, беременность, тяжелый физический труд, при стрессе и различных внутренних заболеваниях) или с нарушением усвоения витаминов в организме (при различных заболеваниях, связанных с поражением желудочно-кишечного тракта).
Гиповитаминозы имеют довольно широкое распространение. Особенно часто они встречаются в весенний период года.
Авитаминозы представляют собой крайнюю форму гиповитаминозов. Они характеризуются исчезновением из организма отдельных витаминов. Чаще всего причиной авитаминозов служит прекращение поступления витаминов в организм с пищей. В настоящее время это состояние встречается довольно редко. Оно может возникать у тех контингентов людей, которые работают в экстремальных условиях (военные, геологи, моряки и др.).
Гипервитаминозы представляют собой состояния, при которых увеличивается содержание витаминов в организме. Причиной их возникновения чаще всего служит увеличение поступления витаминов с пищей. Наиболее характерно возникновение гипервитаминозов для жирорастворимых витаминов. Оно может возникать при длительном употреблении в пищу продуктов, богатых определенными витаминами, а также от передозировки витаминных препаратов.
Классификация витаминов
В основу современной классификации витаминов положена их раст-воримость. По этому признаку все витамины подразделяются на:
· жирорастворимые – витамины А, D, Е, К, F, Q;
· водорастворимые – витамины группа В (В 1 , В 2 , В 3 , В 5 , В 6 , В 12 , В с), а также РР, С, Н и рутин.
Жирорастворимые витамины
Для этой группы витаминов характерен целый ряд общих свойств:
1. В структуру многих жирорастворимых витаминов входят остатки молекул изопрена. Они соединяются друг с другом в цепи определенной длины, которые во многом и определяют нерастворимость жирорастворимых витаминов в воде и наоборот – хорошую растворимость в органических растворителях:
2. Для обеспечения всасывания жирорастворимых витаминов необходимо наличие достаточного количества желчных кислот в кишечнике, а также достаточное содержание жиров, как их растворителей, в пище.
3. Ввиду того что жирорастворимые витамины нерастворимы в воде, они переносятся в организме кровью с помощью особых белковых переносчиков. Как правило, каждый витамин переносится своим белком-переносчиком.
4. Жирорастворимые витамины способны накапливаться в тканях внутренних органов. В качестве их “депо” наиболее часто выступает ткань печени. Прекращение поступления жирорастворимых витаминов с пищей не сразу приводит к возникновению гиповитаминоза. Это связано с тем, что организм в течение некоторого времени способен обеспечиваться ими из собственных “депо”.
5. Для большинства жирорастворимых витаминов, не характерна коферментная функция.
6. Биологическая роль жирорастворимых витаминов связана с тем, что они обладают способностью регулировать экспрессию генов.
Однако, несмотря на определенные сходства, жирорастворимые витамины обладают существенными особенностями в проявлении своего биологического эффекта.
Витамин А
Ферменты (E) – биокатализаторы, представляющие собой соединения белковой природы. Это могут быть простые или сложные белки (содержащие неаминокислотные компоненты).
Ферменты снижают энергию активации (Е А), что позволяет протекать реакциям при физиологических условиях, со скоростями более, чем в 10 10 раз (300 лет – 1 сек). За каждое превращение одного метаболита отвечает индивидуальный фермент. Основное свойство ферментов – распознавать определённые метаболиты, катализировать их превращение и обеспечивать регуляцию каталитической активности. Таким образом, ферменты характеризуются субстратной специфичностью и специфичностью действия.
Катализируемые ферментами реакции начинаются со связывания определённого метаболита – субстрата (S) с ферментом. Каждый фермент, как правило, взаимодействует лишь с одним субстратом и катализирует его превращение до установления равновесия:
E + S↔ ES ↔ EP ↔ E + P
Узнавание субстрата происходит в процессе связывания его с ферментом. Молекулы субстрата присоединяются в определённом месте молекулы фермента – каталитическом или активном центре (АЦ). АЦ фермента и субстрат подходят друг к другу как ключ к замку (стерические свойства субстрата, распределение зарядов на его молекуле).
К аминокислотам часто играющим важную роль в активном центре фермента, относятся серин (ОН-группа) и гистидин (N-имидазольного кольца).
Коферменты и простетические группы. В связывании и последующем переносе отдельных фрагментов субстрата (например, Н ×) наряду с ферментами участвуют низкомолекулярные соединения – коферменты и простетические группы.
Коферменты (косубстраты или переносчики) связываются с молекулой фермента обратимо – присоединяют фрагмент субстрата на ферменте, а затем отделяются от него, чтобы передать этот фрагмент на другом ферменте второму соединению:
Ф 1 -К + S ↔ Ф1-К-S ↔ K-S +Ф 2 ↔ Ф 2 -К-S ↔ Ф 2 + К + Р
Простетические группы (ионы металлов) прочно связаны с молекулами ферментов и не отделяются во время присоединения субстрата и переноса фрагментов.
Многие высшие организмы не способны синтезировать коферменты – получают их с пищей в виде витаминов (потребность в них составляет несколько мг в сут):
| Кофермент | Функция | Витамин |
| Пиридоксальфосфат | Переаминирование; декарбоксилирование; рацемизация | Пиридоксин (В 6) |
| Тиаминпирофосфат | Аэробное декарбоксилирование; перенос альдегидных групп | Тиамин (В 1) |
| Кофермент А (КоА) | Перенос ацилов; аэробная деградация жирных кислот и их синтез | Пантотеновая кислота |
| Тетрагидрофолиевая кислота | Перенос С 1 -групп | Фолиевая кислота |
| Биотин | Перенос СО 2 | Биотин (Н) |
| NAD + | Перенос Н + и е - | Никотиновая кислота |
| NADP + | Перенос Н + и е - | Никотиновая кислота |
| FMN | Перенос Н + и е - | Рибофлавин (В 2) |
| FAD | Перенос Н + и е - | Рибофлавин (В 2) |
Пиридиннуклеотиды. Никотинамидадениндинуклетид (NAD +) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (NAD(P) +):
Группой, определяющей функцию этих коферментов, является амид никотиновой кислоты: перенос Н + с субстрата вместе с парой электронов (в виде гидрид-иона Н × на пиридиновое кольцо, второй атом водорода в виде Н + переходит в раствор). Рисунок (схема):
СН 3 СН 2 ОН + NAD + ↔ СН 3 СООН + NAD×Н 2
При 340 нм у NAD×Н 2 наблюдается максимальное поглощение.
Этот перенос стереоспецифичен: так алкогольдегидрогеназа и лактатдегидрогеназа переносят атом водорода на одну сторону пиридинового кольца, а глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа на другую.
Восстановленная форма NAD×Н 2 отсоединяется от одного фермента и передаётся на другой, где участвует в восстановлении S или направляется в дыхательную цепь. NAD(Р)×Н 2 участвует главным образом в восстановительных этапах биосинтеза.
Номенклатура ферментов. Название фермента складывается из:
1. Названия субстрата с прибавлением суффикса -аза (аргиназа, фосфатаза – гидролиз соответствующей группы);
2. Названия реакции с добавлением суффикса -аза (дегидрогеназа – отрыв Н × , гидролаза, трансфераза).
Кроме того, используют:
Тривиальные названия ферментов (трипсин, пепсин, каталаза);
Систематические названия ферментов (в 1972 г. комиссией по номенклатуре биохимических соединений Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) опубликованы новые «Правила наименования ферментов». Согласно этим правилам ферменты нумеруются следующим образом: первая цифра указывает на класс, к которому относится фермент; вторая – характеристика реакции; третья – последующие детали.
Например, фермент 2.1.2. – трансфераза, переносящая одноуглеродные остатки – метильные.
Классификация ферментов. По типу каталитической реакции ферменты подразделяют на 6 классов: оксидоредуктазы; трансферазы; гидролазы; лиазы; изомеразы; лигазы (синтетазы).
1. Оксидоредуктазы – участвуют в окислительно-восстановительных реакциях (переносят Н + или электроны). В их состав входят коферменты. Они подразделяются в соответствии с донором или акцептором е -- .
2. Трансферазы – осуществляют перенос групп атомов (СН 3 , СООН, NH 2 , SO 4 , СНО, РО 4) с помощью специальных переносчиков – коферментов.
3. Гидролазы – осуществляют гидролитическое расщепление субстрата. Название фермента строится в соответствии с типом разрываемой связи (пептидгидролазы, глюкозидазы).
4. Лиазы – негидролитически отщепляют от субстрата группы с образованием двойной связи или присоединением по двойной связи СО 2, Н 2 О, NH 3 групп.
5. Изомеразы – катализируют превращения изомеров, в т.ч. рацемизацию, цис-транс, перемещение двойной связи, обмен групп у ассиметрического атома углерода, перемещение фосфатной группы.
6. Лигазы – осуществляют синтез за счёт макроэргических связей (АТФ) (а также биотин в реакциях карбоксилирования).
Активность ферментов. Стандартная единица активности - количество фермента, которое катализирует превращение 1 мкмоль субстрата в минуту при стандартных условиях (на русском и немецком – Е, на английском, французском, итальянском, испанском – U). Для некоторых высокомолекулярных веществ (белки, полисахариды) количество мкмоль субстрата определить нельзя – используют микроэквивалент участвующих в реакции групп. Для белка это это количество образовавшихся свободных -СООН или -NH 3 групп. Для полисахаридов – число прогидролизованных гликозидных связей.
Молекулярная активность – число мкмоль субстрата или эквивалентов, затронутых реакцией групп прореагировавших в течение 1 мин с 1 ммоль фермента или число стандарных единиц активности, содержащихся в 1 ммоль фермента.
Регуляция активности ферментов в клетке. В интактной клетке все протекающие биохимические реакции регулируются. Это обеспечивает экономичное использование питательных веществ, предупреждает избыточный синтез метаболитов и позволяет клетке адаптироваться к условиям окружающей среды (изменяется скорость синтеза конкретных метаболитов).
Так как реакции в клетке катализируются ферментами, регуляция метаболизма сводится к регуляции интенсивности ферментативных реакций за счёт изменения активности ферментов и их количества в клетке.
Регуляция активности ферментов. Активность ферментов зависит от фихических и химических факторов. Физические факторы (температура, давление, излучение, электромагнитное поле) менее специфичны, чем химические. Механизм действия химических факторов может быть основан: на связывании определённых групп (субстрат, кофакторы, ингибиторы) с АЦ фермента; взаимодействии со специальными участками на поверхности фермента (отличными от АЦ).
Активность некоторых ферментов регулируется путем химической модификации (ковалентное обратимое связывание с ферментом определенной группировки). Например, присоединение к глутаминсинтетазе E. coli остатка адениловой кислоты приводит к снижению активности фермента:
глутаминсинтетаза + АМФ ↔ глутаминсинтетаза-АМФ
Аналогичный механизм ацетилирования (деацетилирования) характерен для цитратлиазы фотосинтезирующих бактерий Rhodopseudomonas gelatinosa (активна ацетилированная форма фермента).
Наиболее быстрым и точным является механизм регуляции определенного типа ферментов – аллостерических. Они занимают ключевые позиции в обмене веществ (располагаются вначале метаболических путей, местах их разветвлений или в местах схождения):
1. А → В → С → D → Е → F
2. А → В → С → Е
В → D → Е → F
Термин аллостерическое ингибирование введен в 1961 г. Ж. Моно и Ф. Жакобом для того, чтобы подчеркнуть особенность данного типа регуляции – ингибитор взаимодействующий с ферментом, структурно отличается от субстрата.
Аллостерические ферменты – белки с высокой молекулярной массой, состоящие из нескольких субъединиц одного или нескольких типов (общее свойство – содержат регуляторный центр). В первом случае субъединицы содержат каталитический и регуляторный центры. Регуляторный центр называется аллостерическим. Во втором – одни субъединицы содержат каталитический, а другие регуляторный центр. В том и другом случае эти центры разделены пространственно, но функционально связаны.
С аллостерическим центром связываются определенные метаболиты – эффекторы (модуляторы, модификаторы). Ими могут быть субстраты и некоторые конечные продукты метаболических путей. Если действие эффектора приводит к снижению активности фермента – отрицательный эффектор (ингибитор). Положительный эффектор – активатор усиливает активность фермента.
Регуляторное действие связано с начальными этапами ферментативных реакций – образования фермент-субстратного комплекса (изменение сродства фермента к субстрату в результате конформационных изменений (изменение третичной структуры фермента).
Случаи аллостеричекой регуляции.
1. Регуляция первого фермента неразветвлённого пути биосинтеза конечным продуктом (наиболее простой):
А → Ф1 В → Ф2 С → Ф3 D → Ф4 Е → Ф5 F
В этом случае если продукт накапливается в клетке в избытке он ингибирует активность первого фермента биосинтетического пути – ретроингибирование. Используется клеткой для синтеза некоторых аминокислот. Например, при синтезе L-изолейцина (пять последовательных ферментативных реакций). Аллостерический фермент – треониндезаминаза.
2. Регуляция первого фермента разветвлённого пути биосинтеза. Для разветвлённых путей биосинтеза механизм регуляции по принципу обратной связи усложняется – перепроизводство одного из продуктов пути не должно ингибировать синтез остальных. В регулировании активности принимают участие все конечные продукты разветвлённого пути. Аллостерический фермент имеет несколько аллостерических центров, а каждый конечный продукт выполняет роль эффектора. Например, синтез аминокислот семейства аспартата.
В случае разветвлённого пути возможны следующие варианты регуляции:
Каждый эффектор в отдельности не влияет на активность аллостерического фермента – мультивалентное ингибирование;
Каждый эффектор вызывает частичное ингибирование активности аллостерического фермента – кумулятивное (аддитивное) ингибирование;
Активность начального фермента ингибируется промежуточным продуктом, накопление которого контролируется конечными продуктами – последовательное ингибирование.
Некоторые аллостерические ферменты существуют в клетке в виде изоферментов – катализируют одну реакцию, а их активность контролируется различными продуктами в результате отличия в аллостерических центрах. Это позволяет конечным продуктам независимо друг от друга ингибировать активность «своего» изофермента. Это наиболее совершенный механизм регуляции путей биосинтеза.
Регуляция синтеза ферментов в клетке. В основном это регуляция на уровне транскрипции (возможна также регуляция на уровне трансляции, посттрансляционные процессы, регуляция распада ферментов). Этот тип регуляции основан на том, что «считывание» информации, заложенной в генах происходит избирательно и скорость синтеза мРНК, а следовательно и дальнейшая трансляция, находятся под сложным механизмом контроля.
Все ферменты можно подразделить (по скорости синтеза) на конститутивные и индуцибельные. Синтез конститутивных ферментов происходит с постоянной, не зависящей от условий среды, скоростью. Эти ферменты присутствуют в клетке постоянно. Количество индуцибельных ферментов может существенно изменяться в зависимости от наличия в среде определённых веществ (субстратов). При отсутствии в среде субстратов их содержание в клетке минимально (несколько молекул), а при их наличии оно возрастает до нескольких процентов. Такой тип регуляции характерен для катаболических ферментов. Для ферментов, участвующих в анаболизме, характерна репрессия их синтеза конечным продуктом (при накоплении в клетке продукта ферментативных реакций количество ферментов падает), а при снижении концентрации конечного продукта происходит дерепрессия синтеза фермента (аналогична явлению индукции катаболических фрментов).
Репрессия синтеза фермента конечным продуктом. Данный тип регуляции характерен для большинства анаболических ферментов. Он осуществляется белками-репрессорами, а факторы, модифицирующие их активность – эффекторы (конечные и промежуточные продукты биосинтетических путей). Информация о структуре репрессоров заложена в генах-регуляторах.
Репрессор – аллостерический белок, который имеет центр связывания с эффектором и центр связывания с определённым участком ДНК – геном-оператором. Гены-регуляторы расположены на некотором расстоянии от структурных генов. В бактериальных хромосомах структурные гены часто объединяются в группы, которые находятся под контролем одного гена-оператора – опероны или под контролем одного гена-регулятора – регулоны. Гены, объединённые в регулон могут находиться в разных участках бактериальной хромосомы. Например, структурные гены, ответственные за синтез аргинина у E. coli .
Репрессия синтеза ферментов. Рисунок (схема):
Индукция синтеза ферментов. Индукция синтеза ферментов лактозного оперона. Рисунок (схема):
Катаболитная репрессия. В случае катаболитной репрессии быстро используемый клеткой субстрат способен подавлять синтез ферментов других путей катаболизма, участвующих в превращении сравнительно медленно используемых источников углерода и энергии. Например, при наличии в среде одновременно глюкозы и лактозы, клетки E. coli сначала используют глюкозу, а транскрипция лактозного оперона начинается тогда, когда вся глюкоза в среде будет использована. Это связано с наличием в клетке циклического АМФ (3¢,5¢цАМФ):
АТФ ® цАМФ + ФФ н (реакция катализируется мембрансвязанным ферментом – аденилатциклазой)
цАМФ способен связываться с низкомолекулярным белком – катаболитным активатором, который в свободном состоянии не активен. Комплекс цАМФ-катаболитный активатор присоединяется к промотору лактозного оперона, повышая сродство РНК-полимеразы к промотору. Количество цАМФ зависит от того фосфорилированы ли белки-переносчики глюкозы. При отсутствии глюкозы в среде они фосфорилированы и в этом состоянии повышают активность аденилатциклазы. Дефосфорилированные переносчики снижают активность аденилатциклазы.