- •Понятие «фермент». Свойства ферментов. Отличие ферментов от неорганических катализаторов.
- •1) Специфичность (избирательность) действия.
- •Какие вещества называются ферментами? Их химическая природа и строение? Свойства ферментов.
- •1) Специфичность (избирательность) действия.
- •Структура и свойства ферментов. Чем обусловлено разнообразие ферментов? Охарактеризуйте специфичность действия ферментов, приведите примеры.
- •1) Специфичность (избирательность) действия.
- •Химическая природа ферментов. Строение ферментов. Активные центры ферментов. Множественные формы ферментов.
- •Строение ферментов
- •Активный центр ферментов
- •Строение ферментов. Общая характеристика небелковых частей ферментов, их структура, связь с витаминами; примеры.
- •Структура ферментов. Понятие простых и сложных ферментов. Приведите примеры. Апофермент, его структура и роль. Кофермент, его структура и роль.
- •8. Дайте характеристику изоферментов. Приведите примеры. Имеет ли изучение изоферментов для диагностики различных заболеваний? Ответ поясните. Изоферменты
- •9. Современные представления о механизме действия ферментов и регуляции их активности, привести примеры.
- •10. Современные представления о кинетике ферментативных реакций и факторы, которые на нее влияют.
- •11. Назовите факторы, которые влияют на скорость ферментативной реакции. Охарактеризуйте влияние этих факторов на скорость ферментативной реакции.
- •12. Регуляция активности ферментов; пути ее активации и инактивации. Влияние ионизирующего излучения и экологических факторов на ферменты.
- •13. Молекулярные механизмы регуляции активности ферментов.
- •Способы регуляции активности ферментов
- •2. Компартментализация
- •3. Генетическая регуляция
- •4. Ограниченный (частичный) протеолиз проферментов
- •5. Аллостерическая регуляция
- •Общий принцип аллостерической регуляции
- •Регуляция фосфофруктокиназы конечным продуктом
- •6. Белок-белковое взаимодействие
- •Принципиальная схема активации аденилатциклазы
- •Активация протеинкиназы а при помощи цАмф
- •7. Ковалентная (химическая) модификация
- •Изменение активности фермента при фосфорилировании-дефосфорилировании
- •14. Сущность биологического катализа. Роль белков в биологическом катализе.
- •Сущность явления катализа
- •15. Общие свойства ферментов. Международная классификация и номенклатура ферментов.
- •1) Специфичность (избирательность) действия.
- •16. Понятие «фермент». Классификация и номенклатура ферментов. Приведите примеры.
- •17. Классификация ферментов по типу катализируемой химической реакции (6 классов ферментов). Охарактеризуйте эти классы, приведите примеры.
- •18. Что такое «ингибиторы» и «активаторы» ферментов. Виды ингибирования.
- •19. Ингибирование работы ферментов. Применение ингибирования в медицине.
- •20. Применение ферментов в медицине. Понятие об энзимопатиях. Примеры.
- •21. Понятие метаболизма. Стадии метаболизма. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса), его роль в обмене углеводов, липидов, аминокислот.
- •I этап катаболизма происходит в желудочно-кишечном тракте и сводится к реакциям гидролиза пищевых веществ. Химическая энергия рассеивается в виде тепла.
- •22. Понятие «метаболические пути», их классификация. Современная теория тканевого дыхания. Дыхательная цепь, ее надмолекулярная организация.
- •23. Макроэргические соединения, их химическое строение. Роль в организме атф. Образование атф в организме (окислительное и субстратное фосфорилирование).
22. Понятие «метаболические пути», их классификация. Современная теория тканевого дыхания. Дыхательная цепь, ее надмолекулярная организация.
В клетке постоянно происходит большое количество разнообразных химических реакций, которые формируют метаболические пути - последовательное превращение одних соединений в другие. Метаболизм - совокупность всех метаболических путей, протекающих в клетках организма.
Среди всех метаболических путей, протекающих в организме, выделяют противоположно направленные процессы: катаболизм и анаболизм. Катаболизм - распад сложных веществ до простых с высвобождением энергии. Анаболизм - синтез из простых более сложных веществ. Метаболические пути согласованы между собой по месту, времени и интенсивности протекания. Эта согласованность протекания всех процессов обеспечивается сложными и многообразными механизмами регуляции.
Структура метаболических путей в клетке крайне разнообразна (см. табл. 2-3). В случае, когда субстрат в результате ряда ферментативных процессов превращается в один продукт, такой путь носит название линейного метаболического пути. Часто встречаются разветвлённые метаболические пути, приводящие к синтезу различных конечных продуктов в зависимости от потребности клетки. В процессе изучения курса биологической химии вы также познакомитесь с циклическими и спиральными метаболическими путями.
Таблица 2-3. Типы метаболических путей
Схема |
Название |
Пример |
А→В→С→D→Е |
Линейный |
Гликолиз |
|
Разветвлённый |
Синтез нуклеотидов |
|
Циклический |
Цикл трикарбоновых кислот |
Синтез мочевины |
||
|
Спиральный |
β-окисление жирных кислот |
Тканевое дыхание и биологическое окисление. Распад органических соединений в живых тканях, сопровождающийся потреблением молекулярного кислорода и приводящий к выделению углекислого газа и воды и образованию биологических видов энергии, называется тканевым дыханием. Тканевое дыхание представляют как конечный этап пути превращений моносахаров (в основном глюкозы) до указанных конечных продуктов, в который на разных стадиях включаются другие сахара и их производные, а также промежуточные продукты распада липидов(жирные кислоты), белков (аминокислоты) и нуклеиновых оснований. Итоговая реакция тканевого дыхания будет выглядеть следующим образом:
С6Н12О6 + 6O2 = 6СO2+ 6Н2O + 2780 кДж/моль. (1)
Впервые сущность дыхания объяснил А.-Л. Лавуазье (1743-1794), обративший внимание на сходство между горениеморганических веществ вне организма и дыханием животных. Постепенно становились ясными принципиальные различия между этими двумя процессами: в организме окисление протекает при относительно низкой температуре в присутствии воды, и его скорость регулируется обменом веществ. В настоящее время биологическое окисление определяется как совокупность реакций окисления субстратов в живых клетках, основная функция которых - энергетическое обеспечение метаболизма. В развитие концепций биологического окисления в XX в. важнейший вклад внесли А.Н. Бах, О. Варбург, Г. Крепс, В.А. Энгель-гардт, В.И. Палладин, В.А. Белицер, С.Е. Северин, В.П. Скулачев.
Потребление кислорода тканями зависит от интенсивности реакций тканевого дыхания. Наибольшей скоростью тканевого дыхания характеризуются почки, мозг, печень, наименьшей – кожа, мышечная ткань (в покое). Уравнение (2) описывает суммарный результат многоступенчатого процесса, приводящего к образованию молочной кислоты (см. главу 10) и протекающего без участия кислорода:
С6Н12Об = 2С3Н6О3 + 65 кДж/моль. (2)
Этот путь отражает, по-видимому, энергетическое обеспечение простейших форм жизни, функционировавших в бескислородных условиях. Современные анаэробные микроорганизмы (осуществляющие молочнокислое, спиртовое и уксуснокислое брожение) получают для жизнедеятельности энергию, производимую в процессе гликолиза или его модификаций.
Использование клетками кислорода открывает возможности для более полного окисления субстратов. В аэробных условиях продукты бескислородного окисления становятся субстратами цикла трикарбоновых кислот (см. главу 10), в ходе которого образуются восстановленные дыхательные переносчики НАДФН, НАДН и флавиновые коферменты. Способность НАД+ и НАДФ+ играть роль промежуточного переносчика водорода связана с наличием в их структуре амида никотиновой кислоты. При взаимодействии этих кофакторов с атомами водорода имеет место обратимое гидрирование (присоединение атомов водорода):
При этом в молекулу НАД+ (НАДФ+) включаются 2 электрона и один протон, а второй протон остается в среде.
Во флавиновых коферментах (ФАД или ФМН), активной частью молекул которых является изоаллоксазиновое кольцо, в результате восстановления чаще всего наблюдается присоединение 2 протонов и 2 электроноводновременно:
Восстановленные формы этих кофакторов способны транспортировать водород и электроны к дыхательной цепимитохондрий или иных энерго-сопрягающих мембран (см. далее).
Организация и функционирование дыхательной цепи. В клетках эукариот дыхательная цепь расположена во внутренней мембране митохондрий, у дышащих бактерий – в цитоплазматической мембране и специализированных структурах – мезосомах, или тилакоидах. Компоненты дыхательной цепи митохондрий в порядке убыванияокислительно-восстановительного потенциала можно расположить, как показано в табл. 9.1.
Молярные соотношения компонентов дыхательной цепи являются постоянными, ее компоненты встроены в митохондриальную мембрану в виде 4 белково-липидных комплексов: НАДН-КоQН2-редуктаза (комплекс I), сукцинат-КоQ-редуктаза (комплекс II), КоQН2-цитохром c-редуктаза (комплекс III) и цитохром а-цитохромокси-даза (комплекс IV) (рис. 9.7).
Если субстратом окисления служат α-кетокислоты, в переносе электронов на НАД+ участвуют липоатсодержащие дегидрогеназы. В случае окисления пролина, глутамата, изоцитрата и других субстратов перенос электроновпроисходит непосредственно на НАД+. Восстановленный НАД в дыхательной цепи окисляется НАДН-дегидрогеназой, содержащей железосерный белок (FeS) и ФМН и прочно связанной с дыхательной цепью.
Рис. 9.7. Взаимное расположение компонентов дыхательной цепи с указанием мест фосфорилирования и специфических ингибиторов.
KoQ (убихинон), необходимый компонент дыхательной цепи, является производным бензохинона с боковой цепью, которая у млекопитающих чаще всего представлена 10 изопреноидными единицами (см. главу 7). Как любой хинон, KoQ способен находиться и в восстановленном, и окисленном состоянии. Это свойство определяет его роль в дыхательной цепи - служить коллектором восстановительных эквивалентов, поставляемых в дыхательную цепь через флавиновые дегидрогеназы. Содержание его значительно превосходит содержание других компонентов дыхательной цепи.
Дополнительным участником дыхательной цепи является железосерный белок FeS (негемовое железо). Он участвует в окислительно-восстановительном процессе, протекающем по одноэлектронному типу. Первый участок локализации FeS находится между ФМН и KoQ, второй - между цитохромами b и c1. Это соответствует тому факту, что со стадии ФМН путь протонов и электронов разделяется: первые накапливаются в митохондриальном матриксе, а вторые идут на гидрофобные переносчики - KoQ и цитохромы.
Цитохромы в дыхательной цепи выстроены в порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала. Они представляют собой гемопротеины, в которых простетическая геминовая группа близка к гему гемоглобина (у цитохрома b идентична). Ионы железа в составе гема при получении и отдаче электронов обратимо изменяют свою валентность.
В процессах тканевого дыхания наиболее важную роль играют цитохро-мы b, с1, с, а и а3. Цитохром а3 представляет собой терминальный участок дыхательной цепи – цитохромоксидазу, которая осуществляет окисление цитохрома си образование воды. Элементарный акт представляет собой двухэлектронное восстановление одного атомакислорода, т.е. каждая молекула кислорода одновременно взаимодействует с двумя электрон-транспортными цепями. При транспорте каждой пары электронов во внутримитохондриальном пространстве может накапливаться до 6 протонов (рис. 9.8).
Строение дыхательной цепи интенсивно исследуется. В числе последних достижений молекулярной биохимии – установление тонкой структуры дыхательных ферментов с помощью рентгеноструктурного анализа. С помощьюэлектронного микроскопа с наивысшим доступным в настоящее время разрешением можно «увидеть» структуру цитохромоксидазы (рис. 9.9).