Биохимия пособие Коновалова 2012

Т.е. по этой модели гомотропное взаимодействие может быть пожительиым и отрицательным.

Л дллостерическая регуляция может приводить к активации или ин­ гибированию фермента.

На базе симметричной модели: если эффектор сдвигает конформадионное равновесие R <=> Т в сторону R, то субстрат будет иметь уве­ личенное сродство к ферменту —положительный кооперативный эф­ фект. Следовательно, эффектор - активатор. Если эффектор сдвинул равновесие в сторону конформации Т, имеет место уменьшение сродст­ ва к ферменту - отрицательный кооперативный эффект; т.е. эффектор - ингибитор.

5. Регуляция по типу обратной связи. Характерна для последова тельных реакций, при этом каждая реакция катализируется своим фер­ ментом. Различают ретроингибирование и форактивацию:

а) Ретроингибирование —ингибирование по типу отрицательной об­ ратной связи.

Конечный продукт Z обычно не влияет на активность промежу­ точных ферментов системы, а ингибирует ее первый фермент Ei. Этим обеспечивается целенаправленность регуляции, т.к. цель системы со­ стоит в образовании именно конечного продукта, а не промежуточных соединений.

б) Форактивация — активация предшественником. Накопление субстрата А стимулирует его распад до продукта Z через активацию фермента более поздних стадий превращения.

4. Медицинская энзимология

Включает энзимодиагностику, энзимопатологию, энзимотерапию. Энзимодиагностика —исследование ферментов в биологических средах организма с диагностической целью. Условно выделяют 4 груп­

пы ферментов:

1. Ферменты, широко представленные в различных органах и тканях. Это ферменты основных метаболических процессов, без кото­ рых жизнь клетки невозможна (обмен белков, жиров, углеводов). При повреждении мембран клеток эти ферменты появляются в крови. Опре­ деление повышенного количества этих ферментов в крови не позволяет локализовать патологический процесс.

61

2.Органоспецифические ферменты преимущественно локализо­ ваны в определенных органах. Эти ферменты катализируют обычно ре­ акции, обеспечивающие специфическую функцию данного органа. В клетках других органов этих ферментов нет или очень мало. Выход ор­ ганоспецифических ферментов в кровь сигнализирует о поражении оп­ ределенного органа, т.е. позволяет диагностировать место поражения. Например, АлАТ —появляется в крови преимущественно при пораже­ ниях печени, АсАТ - сердца.

3.Изоферменты.

4.Ферменты, локализованные в органеллах клеток (окисли­ тельно-восстановительные в митохондриях, кислые гидролазы в лизосомах и др.). Выходя в кровь, сигнализируют о глубоком поражении клетки.

Изоферменты - это молекулярные формы фермента, которые ка­ тализируют одну и ту же реакцию, но различаются по некоторым свой­ ствам: аминокислотной последовательности, молекулярной массе, ами­ нокислотному составу, субстратной специфичности, элетрофоретической подвижности и др.

Изоферменты являются продуктами экспрессии разных генов: ге­ ны могут быть в разных хромосомах (например, для амилазы слюны и амилазы панкреатической) или в одной хромосоме (например, для ци­ топлазматической и митохондриальной малатдегидрогеназы).

Существуют различия в распределении изоферментов в разных тканях, в разных внутриклеточных компартментах, что отражает разли­ чия в метаболизме, например, изоферменты могут иметь разное сродст­ во к субстрату (глюкокиназа печени имеет более низкое сродство к глюкозе, чем гексокиназа - изофермент, ускоряющий фофорилйрование глюкозы в других тканях).

Один из основных механизмов образования изоферментов вклю­ чает объединение разных субъединиц в разной комбинации при образо­ вании активного олигомерного фермента

Пример. Креатинкиназа (КК) катализирует обратимую реакцию образования и распада креагинфосфата —вещества, которое участвует в запасании энергии.

КК

Креатин + АТФ «-+ Креатинфосфат + АДФ

Фермент креатинкиназа (КК) является димером, состоящим из 2 субъединиц. Субъединицы В (мозговая) и М (мышечная) закодированы в разных генах.

Фермент КК представлен 3 изоферментами, которые различаются по электрофоретической подвижности:

— ВВ (КК-1) —мозговой, максимальное продвижение к аноду.

62

Q Энзимопатология

J

Наследственные энзимопатии - заболевания, связанные с на­ следственными дефектами ферментов. Изменения при этом могут быть двух типов:

1) Связанные с образованием избытка субстрата реакции или его предшественников. Например, накопление и выделение галактозы при

дефекте фермента, превращающего галактозу в фруктозу - галактоземия.

2) Связанные с недостаточностью образования продуктов изменен­ ной химической реакции. Этот тип сопровождается клиническими про­ явлениями. В этой фазе обычно уже бывает поздно применять дейст­ венные терапевтические меры.

Энзимотерапия

- это использование ферментов и регуляторов их активности в ка­ честве лекарственных средств.

63

Иммобилизованные ферменты — это ферменты, связанные с твердым носителем или спрятанные в полимерную капсулу. Чаще ис­ пользуют капсулу из липидов —липосомы —они легко проходят через мембрану и оказывают действие внутри клетки.

Иммобилизованные ферменты часто используются в технологиче­ ских процессах. Преимущества иммобилизованных ферментов:

1.Легко отделяются от реакционной среды, можно использовать повторно, продукт не загрязнен ферментом.

2.Ферментативный процесс можно вести непрерывно.

3.Повышается стабильность фермента, инактивация фермента за­ медляется в сотни, тысячи и даже млн. раз.

64

Исдользованне ферментов в качестве аналитических реагентов

^Тупксидаза Определение концентрации глюкозы в крови

Определение концентрации холестерина в крови

'Хояестерол'

ОксЩЙЗ—

Лекция 5

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ. ТРАНСМЕМБРАННЫЙ ТРАНСПОРТ

Общая характеристика и функции мембран

Термин «мембрана» используется вот уже более 100 лет для обо­ значения клеточной границы, служащей, с одной стороны, барьером между содержимым клетки и внешней средой, а с другой —полупрони­ цаемой перегородкой, через которую могут проходить вода и некоторые из растворенных в ней веществ. Тем самым, мембрана играет активную роль в поддержании жизнедеятельности клетки, обеспечивая внутри нее необходимый «микроклимат».

Мембраны —важная составная часть и клеточных компонентов — ядра, митохондрий, лизосом, хлоропластов и т. п. Таким образом, клет­ ка весьма насыщена разнообразными мембранными структурами, обра­ зующими в сущности разветвленную, четко организованную сеть. От­ сюда понятна ключевая роль мембран в жизни клетки, которая по мере развития биологических наук становится все более очевидной.

^ и о ^ оги'^кие.мембршш —это сложные, высокоорганизованные надмолекулярные динамичные структуры, построенные главным обра­ зом из липидов и белков. Весовое соотношение между ними колеблется от 1:4 во внутренней мембране митохондрий до 4:1 в миелине нервных волокон. Кроме того, в состав мембран в заметных количествах входят углеводы и вода. Количество связанной (неспособной растворять вно­ симые вещества) воды может достигать 30 % общего веса мембраны.

Химический состав некоторых мембран (G.Zubay, Third Edition.)

65

Мембраны не являются пассивными полупроницаемыми оболоц. ками. Они принимают прямое и очень важное участие в жизнедеятель, ности клетки, определяя особенности ее функционирования.

Функции мембран:

1.Наиболее очевидной является отделение клетки как целого от окружающей спелы (плазматическая мембрша). С другой с ^ роны, внутриклеточные мембраны ограничивают органеллы и формируют обособленные отсеки - компартменты. Наличие последних обеспечивает функциональную специализацию клетки, тонкую регуляцию процессов, протекающих в ней.

2.Мембраны осуществляют высокоизбирательньгй транспорт ве­ ществ. Перемещение многих соединений происходит против градиента концентрации, то есть совершается осмотическая работа. Наличие транспортных систем регулирует молекулярный и ионный состав внутриклеточной среды.

3.В мембранах локализованы основные^биоэнергетические про­ цессы - окислительное фосфорилирование (внутренняя мем­ брана митохондрий) и фотосинтез (мембрана тилакоидов хлоропластов растений) - обеспечивающие клетки энергией.

4.Мембраны играют центральную роль в системе межклеточных взаимоотношений, участвуют в восприятии и преобразовании поступающих внешних сигналов. Результатом чего могут быть такие ответы как деление клетки, ее направленное движение (хемотаксис бактерий, лейкоцитов), восприятие света, измене­ ние направления протекания биохимических процессов в клет­ ке в ответ на действие гормона и т. д. В свою очередь некото­ рые мембраны сами способны генерировать сигнал —химиче­ ский или электрический.

Липиды мембран

Основу всех мембран клетки составляет липидный матрикс в виде бимолекулярного слоя. В его образовании участвуют молекулы липидов трех основных классов: фосфолипиды, гликолипиды и стероиды. К

числу минорных липидных компонентов мембран, которые, тем не ме­ нее, выполняют важные биологические функции, относятся токоферолы (витамин Е), ретиналь (витамин А), убихинон (кофермент Q) и ряд дрУ' гих жирорастворимых соединений.

Мембраны различного происхождения сильно отличаются друг от друга по содержанию в них липидов разного типа.

6 6

Липидный состав некоторых мембран (Д.Мецлер, 1980)

Фосфолипиды практически во всех мембранах составляют ос­ новную часть липидной фракции (от 40 до 90% общего количества ли­ пидов). Мембранные фосфолипиды делятся на глщ ерофосфолипиды (производные фосфатидной кислоты) и сфингофдсфолипиды (прои> водные церамида). Из первой группы в мембранах доминируют фосфатидилхолин и фосфатидшэтаноламин, в меньших количествах содер­ жатся фосфатидилсерин и фосфатидилинозит.

I и +

СН2О Р - 0 - С Н 2 CHr NH3 6"

Фосфатидилэтаноламин

67

т, р

I^ - C O C H ,

Я !

с н 2 о р

О- он

Фосфатидил инозит

Сфингофосфолипиды в основном представлены сфингомиелином.

НОСНCB=CH -(CI 12),у с н 3

Фосфолипиды играют основную (структурную) роль в мембран­ ном бислое - их молекулы построены по единому плану и стерически хорошо «соответствуют» друг другу. В то же время, структурное едино­ образие не исключает наличия огромного числа различных фосфолипи­ дов, что обеспечивается разнообразием жирных кислот, входящих в их состав. Преобладающими являются: —С,6 (пальмитиновая), С,8 (стеари­ новая), Сц:2 (линолевая), С18:3 (линоленовая), СМ:4(арахидоновая).

6 8

В молекулах глицерофосфолипидов цепи жирных кислот, связан­ ные с С) и С2 атомами глицерина, неравнозначны. Обычно из двух це­ пей лишь принадлежащая С2-углеродному атому имеет двойные связи. Степень насыщенности жирных кислот влияет на плотность упаковки "молекул в мембранах: фосфолипиды, имеющие в своем составе полиненасьнценную жирную кислоту образуют более рыхлый бислой благода­ ря менее упорядоченной пространственной конфигурации.

Гликолипиды в основном принадлежат к группе гликосфинголипидов, которые также являются производивши церамида, однако, в от­ личие от сфингофосфолипидов, не содержат фосфата, который заменен на один или несколько остатков углевода.

Из гликолипидов наиболее распространены:

1. Цереброзиды —углеводная часть представлена гексозой (гала тоза, реже глюкоза). В наибольших количествах цереброзиды присутст­ вуют в миелиновых оболочках нервов.

Галактоцереброзид

2.Сульфатиды (сульфатные эфиры цереброзидов) - отличаются от цереброзидов наличием остатка серной кислоты, присоединенного сложноэфирной связью к С3 -атому углевода. Сульфатиды встречаются

взаметных количествах в белом веществе мозга.

3.Ганглиозиды —в структурном отношении сходны с цереброзидами, отличаются тем, что вместо моносахарида содержат сложный, часто разветвленный, олигосахарид, имеющий в своем составе, помимо других углеводов, по крайней мере один остаток N-ацетил- нейраминовой кислоты. Ганглиозидов много в сером веществе мозга на внешней поверхности плазматических мембран нервных и глиальных клеток.

69

о

N-ацетил-нейрамнновая кислота

За счет углеводного компонента, гликосфинголипиды (особенно ганглиозиды) вовлечены в процесс приема сигналов, поступающих в клетки из окружающей среды. Они активно участвуют в контроле и ре­ гуляции межклеточных контактов; рецепции пептидных гормонов, бак­ териальных токсинов. Структура ганглиозидов и их состав генетически контролируются ферментами гликозилтрансферазами, поэтому ганглио­ зиды обладают высокой тканевой специфичностью и могут выступать в роли антигенов клеточной поверхности.

Стероиды - группа соединений, содержащих углеродный скелет циклопентанпергидрофенантрена. Главньм представителем стероидов, который присутствует в большинстве мембран животных клеток, явля­ ется холестерин. Исключение составляет внутренняя мембрана мито­ хондрий, где его уровень очень низок.

Циклопентанлергидрофенантрен

21

70