бышевский-биохимия для врача

К терпенам относят эфирные масла (пинен, цитраль, камфора и др.), каучук, растительные пигменты (в частности, каротин — предшественник витамина А), сквален — компонент секрета сальных ж елез и промежуточный продукт биосинтеза холестерола и др. Боковая цепь терпенового типа свойственна веществам группы витаминов Е и К, коферменту Q — переносчику электронов.

Стероиды можно рассматривать как производные восстановленных: кон­ денсированных циклических систем — циклопентанофенантренов.

Стерины — стероиды, содержащие 8 С-атомов углерода в боковой цепи (у С-17) и спиртовую гидроксидную группу у С-3.

Наиболее распространенный в животных тканях стерин — холестерол.

Холестерол

Этот стерин существует в виде свободного спирта (1/3), но главным образом

ввиде эфирносвязанного с ненасыщенными ЖК.

Вкоже обнаружен стерин 7-дегидрохолестерол, отличающийся наличием второй двойной связи (С-7—С-8) — предшественник витамина Д. Другой предшественник этого витамина (дрожжевой стерин) именуется эргостерином, отличаясь от 7-дегидрохолестерола наличием третьей двойной связи в боковой цепи (С-22—С-23).

Ж елчные кислот ы — стероиды, боковая цепь которых уС -17 состоит из пяти углеродны^ атомов, заканчиваясь карбоксильной группой В ж елчи человека обнаружены четыре такие кислоты: холевая содержит гидрооксигруппы у 3,7 и 12 углеродных атомов, дезоксихолевая — у 3 и 12, хенодезоксихолевая — у 3 и 7 и литохолевая — только у С-3. В ж елчи эти кислоты обычно конъюгированы пептидной связью с остатком глицина или таурина (гликоили таурохолевая кислоты и т.д.).

Прогестерон и адренокортикостероиды содержат в боковой цепи у С-17 два углеродных атома, кетогруппу у С-3 и двойную связь (С-4 — С-5), различаясь числом и положением гидрооксигрупп. Основные из них — прогестерон, кортикостерон и кортизол (17-оксикортикостерон).

СО - СН, . ~ — СО - СН„ОН

Андрогены и эстрогены отличаются отсутствием боковой цепи, кроме того, у эстрогенов отсутствует ангулярная метильная группа в положении 10, в связи с чем кольцо А — ароматическое:

3. Ферменты. Энергетика живого. Транспорт

Обмен веществ в организме можно определить как совокупность всех химических превращений, которым подвергаются соединения, поступающие извне. Эти превращения включают все известные виды химических реакций: межмолекулярного переноса функциональных групп, гидролитического и негидролитического расщепления химических связей, внутримолекулярную перестройку (изомеризация), новообразование химических связей (синтез) и окислительно-восстановительные реакции.

Оказалось, что большинство химических реакций в организме с заметной скоростью протекают только в присутствии катализаторов. И з-за этой особен­ ности химических реакций в организме перед изучением обмена отдельных групп соединений необходимо изучить механизмы катализа в живом, а следовательно, изучить ферменты — катализаторы живой природы.

Отметим два момента, требующих внимания:

1.Окислительно-восстановительные реакции в процессе обмена сопровожда­ ются высвобождением энергии химических связей и ее запасанием. Поэтому изучение биоэнергетики должно опереж ать знакомство с превращ ением отдельных соединений в обменных процессах.

2.Вещества вовлекаются в обмен после проникновения в клетки, в связи с этим необходимо рассмотреть структуру биологических мембран и механизмы переноса веществ через них, т.е. механизмы транспорта.

3.1.Ферменты — биологические катализаторы

Втканях и жидкостях животных небелковые катализаторы не обнаружены. Все известные катализаторы химических превращений в организме — вещ ес­ тва белковой природы. Биологические катализаторы принято называть ф ер ­ ментами или энзимами. Как и все белки, ферменты при воздействии денату­ рирующих агентов теряют нативные свойства и функциональную активность. Ферменты могут быть как простыми, так и сложными белкайш. Небелковая часть молекулы фермента — кофермент.

3.1.1. Свойства ферментов

Ферменты увеличивают скорость химической реакции, но не расходуются в процессе реакции. Эффективность их высока. Одна молекула фермента может катализировать превращение 102-10е степени молекул субстрата за 1 мин.

Скорость реакции в прямом направлении пропорциональна концентрации реагирующих веществ, в обратном — концентрации продукта реакции. Отношение скоростей прямой и обратной реакции — константа равновесия (Кр) — постоянна для реакции, протекающей с ферментом и без него (при данной температуре). Таким образом, фермент не изменяет константы равновесия, но состояние равновесия в присутствии фермента наступает быстрее.

Ф ерменты высокоспецифичны по отношению к субстратам. Некоторые из них катализируют превращение единственного субстрата (например, аргиназа катализирует расщепление только аргинина, фумараза — только превращ ение фумарата). Часто фермент способен катализировать превращ ение только одного из стереоизомеров субстрата, столь высока его специфичность. Специ­ фичны ферменты и по отношению к типам катализируемых реакций (так, одни из них катализируют гидролитические, другие — негидролитические превра­ щения, третьи — окислительновосстановительные реакции и т.д.)

Каждый из шести классов делят на подклассы и подподклассы, уточняющие типы субстратов, переносимых группировок и другие детали. Каждый фермент обозначают шифром, включающим номера класса, подкласса, подподкласса и номер фермента в подподклассе (например: 1.1.1.28). Затем следует рациональное название (лактат: НАД-оксидоредуктаза) и обычно употребляемое (лактатдегидрогеназа).

3.1.3. Механизм действия ферментов

Согласно постулированным Э.Фишером в конце XIX столетия предположе­ ниям, ферментативная реакция начинается с образования промежуточного комплекса фермент-субстрат. Субстрат связан с определенным участком фермента. Этот участок называют активным центром. Связывание субстрата с активным центром происходит в нескольких точках. Это приводит к деформации субстрата и, следовательно, к его активации (снижению стабиль­ ности). В результате субстрат преобразуется в новый продукт (или продукты), который утрачивает сродство к активному центру фермента. Снижение или утрата сродства приводит к высвобождению фермента и продуктов реакции.

Схематически это можно представить как трехэтапную реакцию:

3. Е - Р ------------------ ► Е + Р (высвобождение продукта реакции и энзима).

Исследования, включающие кинетический анализ, химическую модифика­ цию свободных радикалов аминокислот в молекуле ферментов, ингибирование ферментов разными соединениями, спектрографические и кристаллографи­ ческие изучения комплексов, рентгеноструктурный анализ, подтвердили эти представления.

Связывание фермента с субстратом. Специфичность ферментов, т.е. их способность катализировать превращение определенного субстрата, обеспечи­ вается тем, что ферменты, будучи белками, отличаются уникальностью структуры и высокостереоспецифичны по отношению к своим субстратам. Экспериментально показано, что сродство к субстрату сохраняется при удалении части молекулы фермента. Следовательно, сродство, обеспечиваю­ щее возникновение комплекса энзим-субстрат, связано с определенным учас­ тком энзима, а не со всей его молекулой. Так подошли к представлению об активном центре.

Активный цент р — зона молекулы фермента, которая специфически

взаимодействует с субстратом. Иначе говоря, в реакции участвует не вся полипептидная цепь белка-фермента, а только ее часть. Непосредственно в реакцию вовлекаются остатки небольшого числа аминокислот. Необязательно, чтобы эти аминокислоты располагались в полипептидной цепи рядом друг с другом. Они могут находиться в различных участках полипептидной цепи, однако они непременно должны быть сближены в пространстве. Такое сближение достигается благодаря трехмерной структуре молекулы белка. Инактивирующее действие денатурации на фермент в том и заключается, что денатурация, нарушая третичный и вторичный уровни организации белковой молекулы, разобщает совмещенные в пространстве аминокислотные остатки.

Существенно, что геометрическая форма пространства между аминокислот­ ными остатками, образующими активный центр, должна быть дополнительной (комплементарной) к форме молекулы субстрата. Согласно гипотезе и терми­ нологии Э.Фишера (1894), молекулы фермента и субстрата соответствуют друг другу, как ключ замку. Позднее установлено, что формирование и стабилиза­ ция оптимальной формы активного центра фермента могут происходить только в присутствии субстрата или при участии других соединений, взаимо­ действующих с удаленным от центра участком полипептидной цепи — индуцируемая адаптация фермента.

В активном центре различают участок, ответственный за присоединение

субстрата (центр связывания), и каталитический центр, отвечающий за химические превращения субстрата.

В каталитических центрах большинства изученных ферментов имеется один или более остатков следующих аминокислот: серин, цистеин, гистидин, тиро­ зин, лизин.

Многие из гидролаз содержат в активном центре остаток серина — сериновые ферменты.

Активный центр многих дегидрогеназ (класса оксидоредуктаз) включает в себя остаток цистеина (цистеиновые ферменты). У ферментов с одинаковой активностью (например, протеазной или дегидрогеназной) в непосредственной близости от активного центра имеются одинаковые аминокислотные последовательности.

Инактивировать сериновые ферменты можно диизопропилфторфосфатом (ДФФ), который активно взаимодействует со спиртовым гидроксилом в остатке серина. Ингибитор цистеиновых ферментов —парахлормеркурибензоат, взаи­ модействующий с остатками цистеина (с его сульфгидрильной или тиоловой группой).

Общая для аминокислот, участвующих в образовании активного центра, способность к ионизации, наличие нуклеофильных свойств (электронодоноры) или электрофильных (электроноакцепторы). Нуклеофильные группы нередко связаны с металлами (ионы магния, марганца, цинка). В этих случаях ионы металлов составляют обязательную часть активного центра.

И те и другие аминокислоты участвуют как в образовании энзимсубстратного комплекса, так и в превращении субстратов в продукты реакции.

Кофакторы ферментов — вещества, необходимые некоторым ферментам для проявления активности. Известны две группы кофакторов: неорганичес­ кие (ионы металлов и некоторые анионы) и коферменты — органические соединения.

Ионы металлов, выполняющих роль кофакторов в ферментативных реакци­ ях, — это ионы калия, магния, кальция, цинка, меди, железа, молибдена. Роль их разнообразна: стабилизация третичной или четвертичной структуры, связывание субстрата, катализ или связывание субстрата и катализ.

Так, ион калия участвует в стабилизации третичной структуры аденилатдезаминазы, в связывании субстрата и в катализе, осуществляемых пируваткиназой. Ионы цинка и меди участвуют в катализе, производимом супероксидисмутазой и рядом других ферментов, ионы кальция стабилизируют четвертичную структуру транскетолазы и а-амилазы.

Коферменты можно рассматривать как небелковую часть молекулы фер­ мента (в этом случае белковую часть называют апоферментом, а фермент, содержащий кофермент, холоферментом).

Апофермент определяет специфичность реакции, обеспечивая связывание «своего» субстрата. Кофермент непосредственно участвует в катализируемой ферментом химической реакции, являясь составной частью активного центра.

Различают коферменты нуклеотидной природы, тетрапиррельные кофер­ менты и коферменты — производные витаминов:

1.Коферменты-нуклестиды в составе трансфераз участвуют в переносе

фосфата, пирофосфата, аденилата, аденозила, в активации аминокислот (АТФ),

вобразовании фосфоенолпирувата (ГТФ), превращениях сахаров, их изомери­ зации и синтезе (ГДФ, УДФ), во взаимных превращениях фосфолипидов (ЦТФ).

2.Коферменты-витамины или производные витаминов участвуют в разно­

образных химических реакциях обмена. Одни из них взаимодействуют с ферментом в неизменном виде (витамин-кофермент), другие — после трансфор­ мации в особую форму (коферментную форму витамина). Эта трансформация

продолжение — на стр. 38

Таблица 3 (продолжение)

иногда несущественна, например присоединение остатка фосфорной кислоты, в других случаях значительна (табл. 3).

3. Тет рапирролъные коферменты идентичны по структуре (или похожи) гему в гемоглобине. Содержат ионы металла, в частности железо, в двухили трехвалентной форме, участвуют в транспорте электронов в составе цитохромов, каталазы , пероксидазы.

Участие кофермента в создании активного центра показано на рис. 18.

3.1.4. Кинетика ферментативных реакций

Кинетика изучает изменение скорости реакций во времени в зависимости от концентрации фермента, субстрата, температуры, pH и давления.

Скорость реакции измеряют количеством продукта, образовавшегося под действием фермента, или количеством исчезающего субстрата (за единицу времени). Следовательно, скорость выражаю т количеством вещ ества, отнесен­ ного ко времени, затраченному на его образование или исчезновение.

Единицы ферментативной активности. Эффект фермента зависит при прочих равных условиях от его активности и именно активность и концентра­ ция фермента определяют скорость катализируемой реакции, поэтому можно пользоваться условными единицами акт ивност и (ЕА) фермента. Это целесо­ образно в тех условиях, когда выразить количество фермента в абсолютных величинах (например, в весовых) нельзя.

Удельная активност ь фермента равна числу ЕА в исследуемом образце,

К а т а л (кат) — количество катализатора (фермента), способное превращ ать 1 моль субстрата за 1 с.

Международная единица акт ивност и (ME) — количество фермента, ката ­ лизирующего превращение 1 мкмоля субстрата за 1 мин или число каталов, отнесенное к числу молей фермента.

При работе с неочищенными ферментами активность выраж аю т в ЕА или в виде удельной активности. При работе с очищенным ферментом с известной молекулярной массой — как молярную активность.

Зависимость скорости реакции от времени позволяет отнести исследуемый процесс к реакциям нулевого или первого порядка.

Реакции нулевого порядка протекают таким образом, что скорость исчезно­ вения субстрата остается постоянной в течение всей реакции.

Реакции первого порядка проходят при убыли субстрата за единицу времени, пропорциональной имеющемуся в данный момент количеству суб-