1.3. Обмен веществ

1.3.1. Основные понятия и определения

Совокупность всех химических превращений, обеспечивающих жизнедеятельность организма, называют обменом веществ, или метаболизмом (от гр. перемена) [37].

Обмен веществ, осуществляемый между организмами и внешней средой, называют внешним, или общим. Обмен веществ, обусловленный превращениями внутри организма, называют внутренним, или промежуточным. Во внутреннем и внешнем обмене веществ принято различать структурный (пластический) и энергетический обмены. В структурном обмене рассматривают превращения различных соединений в организме, их перенос (транспорт) внутри организма и между организмом и средой. В энергетическом обмене рассматривают механизмы использования образующейся в метаболических процессах химической энергии в биосинтезе, активном транспорте (транспорте соединений через биологические мембраны против градиента концентрации) и ее превращения в тепло, мышечную работу и т.п.

Химические превращения в организме осуществляются в двух противоположных направлениях – путем синтеза и расщепления сложных соединений до более простых.

Различают три основных типа метаболизма:

• диссимиляция (или катаболизм) – окислительно-восстановительный процесс разрушения сложных молекул структуры живых организмов, сопровождающийся выделением энергии разрыва химических связей;

• ассимиляция (или анаболизм) – превращение веществ, поступающих из внешней среды в процессах биосинтеза в сложные молекулы структуры живых организмов, сопровождающееся расходованием энергии молекул аденозинтрифосфата (АТФ);

• амфоболизм – процесс образования в живом организме более сложных молекул из небольших молекул веществ, образующихся в процессе катаболизма.

В период роста организма преобладают процессы ассимиляции; во взрослом организме устанавливается относительное равновесие между процессами ассимиляции и диссимиляции; в пожилом возрасте скорость процессов диссимиляции превышает скорость ассимиляционных процессов. Все процессы регулируются катализаторами, называемыми биокатализаторами, функцию которых выполняют ферменты, витамины и гормоны. Исключительно важную роль в обмене веществ играет ферментативный катализ, обусловленный действием ферментов.

Ферменты (от лат. fermentum закваска), или энзимы (от гр. en в закваске) - биологические катализаторы, ускоряющие химические реакции в живых организмах [39], [40]. Все ферменты относятся к белкам, и их разделяют на две различающиеся по составу группы: вещества чисто белковой природы и соединения, в которых белковая часть связана в комплекс с небелковыми компонентами – коферментами. В последнем случае образованный комплекс называют холоферментом, а его белковую часть – апоферментом. В качестве кофермента могут выступать простатические группы, входящие в состав фермента – протеида, или другие низкомолекулярные органические соединения, чаще всего витамины, связанные с белком в комплекс (в этом случае биологическая активность белковой структуры проявляется только в соединении с небелковой частью молекулы). Многие ферменты представляют собой комплексы, состоящие из нескольких молекул белка (субъединиц), соединенных между собой нековалентными связями.

Участок молекулы фермента, где происходит превращение субстрата-соединения, на которое действует фермент, называется активным центром. Он представляет собой совокупность функциональных групп аминокислотных остатков и небелковых групп кофермента. В активном центре выделяют участок, связывающий субстрат, и каталитический участок.

В зависимости от характера катализируемых реакций все ферменты подразделяют на шесть групп:

• оксидоредуктазы, катализирующие окислительно-восстановительные реакции путем переноса атомов водорода или электронов от одного субстрата к другому;

• трансферазы, катализирующие реакции переноса различных групп (PO₄^3, CH₃, NH₂ и др.) от одного субстрата к другому;

• гидролазы, катализирующие реакции гидролитического расщепления внутримолекулярных связей углеродгетероэлемент в субстрате, чаще всего связей углеродкислород и углерод–азот (в пептидных, амидных, гликозидных и сложноэфирных группировках);

• лиазы, катализирующие реакции негидролитического отщепления различных групп от субстрата с образованием двойных связей углеродуглерод и углеродгетероэлемент (O, S, N), а также обратные реакции присоединения групп по разрывающимся двойным связям;

• изомеразы, катализирующие различные реакции изомеризации субстрата; если ферменты катализируют процесс с переносом группы от одного участка молекулы к другому, то они называются мутазами;

• лигазы (синтетазы), катализирующие реакции соединения двух молекул субстрата, сопровождаемые расщеплением дифосфатной связи в молекуле аденозинтрифосфорной кислоты и в молекулах других нуклеозидтрифосфатов.

Для ферментов характерны эффективность реакций, специфичность и регулируемость.

Эффективность (скорость) ферментативных реакций зависит от природы субстрата (вещества, претерпевающего химическое превращение), эффектора (ингибитора или активатора реакции) и самих ферментов. Ферменты ускоряют превращение субстрата в 10⁸ – 10¹² раз. Молекулярная активность фермента выражается числом молей субстрата, превращаемых одним молем фермента в течение 1 мин в строго определенных условиях.

Специфичность (селективность) ферментов определяется их способностью превращать только данный тип субстратов в определенных условиях.

Эффективность и специфичность ферментов обусловлены несколькими факторами:

• сорбцией субстрата на ферменте и образованием активного комплекса (комплекса Михаэлиса) в результате гидрофобных, полярных и ионных взаимодействий, определяющих сближение и ориентацию реагирующих групп фермента и субстрата, в результате чего реакция может быть ускорена в 10⁷ и более раз;

• полифункциональным характером, проявляющимся в химическом взаимодействии между ферментом и сорбированным субстратом, при котором молекула субстрата подвергается атаке сразу несколькими каталитическими группами активного центра фермента, что может привести к ускорению реакции в 10³ и более раз;

• отличием характеристик среды в области активного центра фермента (диэлектрической проницаемости, полярности и т.п.) от соответствующих значений в растворе, что может обеспечить ускорение реакции в 10⁵ раз.

Действие этих факторов обусловлено геометрическим соответствием структуры активного центра фермента и субстрата. Суммарное ускорение каталитической реакции в результате действия всех трех факторов может достигать 10¹⁵ раз.

Регулируемость активности ферментов обусловлена способностью многих соединений, называемых эффекторами ферментов, уменьшать или увеличивать скорость ферментативной реакции.