Полезные материалы за все 6 курсов / Учебники, методички, pdf / Биохимия
.pdfРис.17Регуляция активности мембранной гуанилатциклазы.
Мембранно-связанная гуанилатциклаза (ГЦ) - трансмембранный гликопротеин. Центр связывания сигнальной молекулы находится на внеклеточном домене, внутриклеточный домен гуанилатциклазы в результате активации проявляет каталитическую активность. Присоединение первичного мессенджера к рецептору активирует гуанилатциклазу, которая катализирует превращение ГТФ в циклический гуанозин-3',5'-монофосфат (цГМФ) - вторичный мессенджер. В клетке повышается концентрация цГМФ. Молекулы цГМФ могут обратимо присоединяться к регуляторным центрам протеинкиназы G (ПК G), которая состоит из двух субъединиц. Четыре молекулы цГМФ изменяют конформацию и активность фермента. Активная протеинкиназа G катализирует фосфорилирование определенных белков и ферментов цитозоля клетки. Одним из первичных мессенджеров протеинкиназы G является предсердный натриуретический фактор (ПНФ), регулирующий гомеостаз жидкости в организме.
Передача сигнала с помощью внутриклеточных рецепторов
Гидрофобные по химической природе гормоны (стероидные гормоны и тироксин) могут диффундировать через мембраны, поэтому их рецепторы находятся в цитозоле или ядре клетки.
Цитозольные рецепторы связаны с белком-шапероном, который предотвращает преждевременную активацию рецептора. Ядерные и цитозольные рецепторы стероидных и тиреоидных гормонов содержат ДНК-связывающий домен, обеспечивающий в ядре взаимодействие комплекса гормон-рецептор с регуляторными участками ДНК и изменение скорости транскрипции.
Последовательность событий, приводящих к изменению скорости транскрипции
Гормон проходит через двойной липидный слой клеточной мембраны. В цитозоле или ядре гормон взаимодействует с рецептором. Комплекс гормон-рецептор проходит в ядро и присоединяется к регуляторной нуклеотидной последовательности ДНК - энхансеру (рис. 18) или сайленсеру. Доступность промотора для РНК-полимеразы увеличивается при взаимодействии с энхансером или уменьшается при взаимодействии с сайленсером. Соответственно увеличивается или уменьшается скорость транскрипции определенных структурных генов. Зрелые мРНК выходят из ядра. Увеличивается или уменьшается скорость трансляции определенных белков. Изменяется количество белков, которые влияют на метаболизм и функциональное состояние клетки.
В каждой клетке существуют рецепторы, включенные в состав разных сигналтрансдукторных систем, преобразующих все внешние сигналы во внутриклеточные. Число рецепторов для конкретного первичного мессенджера может варьировать в пределах от 500 до более 100 000 на клетку. Они располагаются на мембране отдаленно друг от друга либо сосредоточены в определенных ее участках.
Рис.18 Передача сигнала на внутриклеточные рецепторы
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Живые организмы находятся в постоянной и неразрывной связи с окружающей средой. Эта связь осуществляется в процессе обмена веществ. Обмен веществ включает 3 этапа: поступление веществ в организм, метаболизм и выделение
конечных продуктов из организма.
Поступление веществ в организм происходит в результате дыхания (кислород) и питания. В ЖКТ продукты питания перевариваются (расщепляются до простых веществ). При переваривании происходит гидролиз полимеров (белков, полисахаридов и других сложных органических веществ) до мономеров, всасывающихся в кровь и включающихся в промежуточный обмен.
Промежуточный обмен (внутриклеточный метаболизм) включает катаболизм и
анаболизм:
Катаболизм — процесс расщепления органических молекул до конечных продуктов. Конечные продукты превращений органических веществ у животных и человека — СО2, Н2О и мочевина. В процессы катаболизма включаются метаболиты, образующиеся как при пищеварении, так и при распаде структурнофункциональных компонентов клеток.
Реакции катаболизма сопровождаются выделением энергии (экзергонические реакции).
Анаболизм объединяет биосинтетические процессы, в которых простые строительные блоки соединяются в сложные макромолекулы, необходимые для
организма. В анаболических реакциях используется энергия, освобождающаяся при катаболизме (эндергонические реакции).
Биологическое окисление
Процессы катаболизма в клетках животных сопровождаются потреблением кислорода, который необходим для реакций окисления. В результате этих реакций происходит освобождение энергии, которая необходима организмам в процессах жизнедеятельности для осуществления различных видов работы. Небиологические системы могут совершать работу за счёт тепловой энергии, биологические системы функционируют в изотермическом режиме и для осуществления процессов жизнедеятельности используют химическую энергию. Изучением превращений энергии, сопровождающих химические реакции, занимается биоэнергетика, или биохимическая термодинамика.
Живые организмы с точки зрения термодинамики — открытые системы. Между системой и окружающей средой возможен обмен энергии, который происходит в соответствии с законами термодинамики.
Законы термодинамики
Первый закон — закон сохранения энергии; его можно сформулировать так: общая энергия системы и окружающей среды — величина постоянная. Внутри рассматриваемой системы энергия может переходить от одной её части к другой или превращаться из одной формы в другую.
Второй закон гласит, что все физические и химические процессы в системе стремятся к необратимому переходу полезной энергии в хаотическую, неуправляемую форму. Мерой перехода или неупорядоченности системы служит величина, называемая энтропией (S), она достигает максимума, когда система приходит в истинное равновесие с окружающей средой.
Свободная энергия
Каждое органическое соединение, поступающее в организм извне или входящее в состав живой материи, обладает определённым запасом внутренней энергии (Е). Часть этой внутренней энергии может быть использована для совершения полезной работы. Такую энергию системы называют свободной энергией (G).
При постоянных температуре и давлении соотношение между изменением свободной энергии системы (∆G) и изменением энтропии (∆S) можно представить следующим уравнением:
∆G = ∆Н — Т х S,
где ∆Н — изменение энтальпии;
Т— абсолютная температура.
Вусловиях, при которых протекают биохимические реакции, ∆Н приблизительно равно ∆Е (изменению внутренней энергии системы в результате реакции).
Для биологических систем измерение свободной энергии производят обычно при стандартных условиях, когда pH 7,0, температура 25 °С, все растворы находятся в концентрации 1 моль/л, а все газы при давлении в 1 атм.
При стандартных условиях все функции обозначают как ∆G°′, ∆S°′ и ∆H°′. 3.
Эндергонические и экзергонические реакции
Направление химической реакции определяется значением ∆G. Если эта величина отрицательна, то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии. Такие реакции называют экзергоническими. Если при этом абсолютное значение ∆G велико, то реакция идёт практически до конца, и её можно рассматривать как необратимую.
Если ∆G положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне; такие реакции называют эндергоническими.
Если абсолютное значение ∆G велико, то система устойчива, и реакция в таком случае практически не осуществляется. При ∆G, равном нулю, система находится в равновесии .
Сопряжение экзергонических и эндергонических процессов в организме
В биологических системах термодинамически невыгодные (эндергонические) реакции могут протекать лишь за счёт энергии экзергонических реакций. Такие реакции называют энергетически сопряжёнными. Многие из этих реакций происходят при участии аденозинтрифосфата (АТФ), играющего роль сопрягающего фактора.
Рассмотрим подробнее энергетику сопряжённых реакций на примере фосфорилирования глюкозы. Реакция является эндергонической:
(1) Глюкоза+ Н3РO4 —> Глюкозо-6-фосфат + Н2O (∆G = +13,8 кДж/моль).
Для протекания такой реакции в сторону образования глюкозо-6-фосфата необходимо её сопряжение с другой реакцией, величина свободной энергии которой больше, чем требуется для фосфорилирования глюкозы.
(2) АТФ —> АДФ + Н3РO4 (∆G = -30,5 кДж/моль).
При сопряжении процессов (1) и (2) в реакции, катализируемой гексокиназой, фосфорилирование глюкозы легко протекает в физиологических условиях; равновесие реакции сильно сдвинуто вправо, и она практически необратима:
(3) Глюкоза + АТФ —> Глюкозо-6-фосфат + АДФ (∆G = -16,7 кДж/моль).
Характеристика высокоэнергетических фосфатов. Цикл АТФ-АДФ
В живых организмах существует целая группа органических фосфатов, гидролиз которых приводит к освобождению большого количества свободной энергии. Такие соединения называют высокоэнергетическими фосфатами. Они обладают разным запасом свободной энергии и к ним, помимо АТФ, относят енолфосфаты, ангидриды и фосфогуанидины. Центральное место среди этих соединений занимает АТФ:
АТФ — молекула, богатая энергией, поскольку она содержит две фосфоангидридные высокоэнергетические (макроэргические) связи β и γ; они обозначены на рисунке знаком ~ (тильда).
При гидролизе концевой фосфоангидридной связи АТФ превращается в АДФ и ортофосфат Рi. При этом изменение свободной энергии составляет -7,3 ккал/моль. При условиях, существующих в клетке в норме (pH 7,0, температура 37 °С), фактическое значение ∆G°′ для процесса гидролиза составляет около -12 ккал/моль. Величина свободной энергии гидролиза АТФ делает возможным его образование из АДФ за счёт переноса фосфатного остатка от таких высокоэнергетических фосфатов, как, например, фосфоенолпируват или 1,3-бисфосфоглицерат; в свою очередь, АТФ может участвовать в таких эндергонических реакциях, как фосфорилирование
глюкозы или глицерина. АТФ выступает в роли донора энергии в эндергонических реакциях многих анаболических процессов. Некоторые биосинтетические реакции в организме могут протекать при участии других нуклеозидтрифосфатов, аналогов АТФ; к ним относят гуанозинтрифосфат (ГТФ), уридинтрифосфат (УТФ) и цитидинтрифосфат (ЦТФ). Все эти нуклеотиды, в свою очередь, образуются при использовании свободной энергии концевой фосфатной группы АТФ. Наконец, за счёт свободной энергии АТФ совершаются различные виды работы, лежащие в основе жизнедеятельности организма, например, такие как мышечное сокращение или активный транспорт веществ. Использование АТФ как источника энергии возможно только при условии непрерывного синтеза АТФ из АДФ за счёт энергии окисления органических соединений. Цикл АТФ-АДФ — основной механизм обмена энергии в биологических системах, а АТФ — универсальная «энергетическая валюта».
Цикл АТФ-АДФ
Окислительно-восстановительные реакции. ОВ-потенциал
Под окислением понимают отщепление электронов, а под восстановлением — присоединение электронов. Окисление донора электронов всегда сопровождается восстановлением акцептора электронов. Этот принцип окислительно - восстановительных процессов применим и к биохимическим системам. В любой окислительно-восстановительной реакции участвует акцептор электронов (окислитель) и донор электронов (восстановитель). Например,
(1) Сu + О —> Сu2 + O2-.
Суммарную реакцию (1) можно условно разделить на 2 полуреакции (2), (3):
(2) Сu — 2е —> Сu2+.
(3)О + 2е —> О2-.
Вкаждой из них участвует окисленная и восстановленная форма одного соединения; их называют сопряжённой парой, или редокс-парой.
Разные редокс-пары обладают различным сродством к электрону. Те, у которых это сродство меньше, отдают электрон тем, у кого оно больше. Мерой сродства редокс-пары к электрону служит окислительно-восстановительный потенциал, или редокс-потенциал (Е0'), величина которого непосредственно связана с изменением свободной энергии. Величину Е0' выражают в вольтах; чем она меньше (отрицательнее), тем меньше сродство вещества к электронам. Чем больше сродство, тем больше восстановительный потенциал.
Величина ∆Е0' — стандартная величина окислительно-восстановительного потенциала; её определяют в стандартных условиях, когда концентрации всех веществ равны 1 М, давление газов составляет 1 атм, а pH 7,0.
Основные этапы трансформации энергии катаболических процессов
Энергия освобождается в процессе ферментативного окисления метаболитов специфическими дегидрогеназами. В реакциях дегидрирования электроны и протоны переходят от органических субстратов на коферменты NAD- и FADзависимых дегидрогеназ. Электроны, обладающие высоким энергетическим потенциалом, передаются от восстановленных коферментов NADH и FADH2 к кислороду через цепь переносчиков, локализованных во внутренней мембране митохондрий. Восстановление молекулы О2происходит в результате переноса 4 электронов. При каждом присоединении к кислороду 2 электронов, поступающих к нему по цепи переносчиков, из матрикса поглощаются 2 протона, в результате чего образуется молекула Н2О.
Окисление органических веществ в клетках, сопровождающееся потреблением кислорода и синтезом воды, называют тканевым дыханием, а цепь переноса электронов (ЦПЭ) — дыхательной цепью.
Электроны, поступающие в ЦПЭ, по мере их продвижения от одного переносчика к другому теряют свободную энергию. Значительная часть этой энергии запасается в форме АТФ, а часть энергии рассеивается в виде тепла. Кроме того, электроны с высоким энергетическим потенциалом, возникающие при окислении различных субстратов, могут быть использованы в реакциях биосинтеза, для которых помимо АТФ требуются восстановительные эквиваленты, например,
NADPH.
Ферменты и коферменты, участвующие в окислительно-восстановительных реакциях
Перенос электронов от окисляемых субстратов к кислороду происходит в несколько этапов. В нём участвует большое количество промежуточных переносчиков, каждый из которых способен присоединять электроны от предыдущего компонента и передавать следующему. Так возникает цепь окислительно-восстановительных реакций, в результате чего происходят восстановление О2 и синтез Н2О.
Дыхательная цепь включает в себя три основных белковых ферментативных комплекса (комплексы I, III и IV), встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану и две подвижные молекулы-переносчика (кофермент Q и цитохром С).
Митохондриальная цепь переноса электронов:
Комплекс I содержит FMN и не менее пяти железосерных белков (FeS).
Комплекс II (сукцинатдегидрогеназа) на рисунке не показан(фермент ЦТК)
Комплекс III включает две разные формы цитохрома b (с максимумами поглощения 562 и 566), один FeS-белок и цитохром с1.
Комплекс IV содержит цитохромы а1 и а3 и два иона меди.
Комплекс V - АТФ-синтаза.
Первичные акцепторы водорода
Первичные акцепторы водорода окислительно - восстановительных реакций относят к 2 типам дегидрогеназ: никотинамидзависимым, содержащим в качестве
коферментов производные никотиновой кислоты, и флавинзависимым, содержащим производные рибофлавина.
Никотинамидзависимые дегидрогеназы содержат в качестве коферментов NAD+ или NADP+ — производные витамина РР. Эти коферменты входят в состав активных центров дегидрогеназ, но могут обратимо диссоциировать из комплекса с апоферментами и включаются в состав фермента в ходе реакции.
Субстраты NAD- и NADP-зависимых дегидрогеназ находятся в матриксе митохондрий и в цитозоле. Рабочей частью никотинамидных коферментов служит никотинамид:
Структурные формулы рабочей части коферментов NAD+ и NАDР+
В реакциях дегидрирования из двух атомов водорода, отщепляемых от окисляемого субстрата, никотинамидное кольцо присоединяет ион водорода и два электрона в форме гидрид-иона (: Н-). Второй ион переходит в среду. В обратной реакции NАDН (NАDРН) выступают в качестве доноров электронов и протонов.
Большинство дегидрогеназ, поставляющих электроны в ЦПЭ, содержат NAD+. Они катализируют реакции типа:
R-CHOH-R1 + NAD+ ↔ R-CO-R1 + NADH + H+
NADPH не является непосредственным донором электронов в ЦПЭ, а используется почти исключительно в восстановительных биосинтезах . Однако возможно включение электронов с NADPH в ЦПЭ благодаря действию пиридиннуклеотидтрансгидрогеназы, катализирующей реакцию:
NADPH + NAD+ ↔ NADP+ + NADH
Флавиновые дегидрогеназы содержат в качестве коферментов FAD или FMN. Эти коферменты образуются в организме человека из витамина В2. Флавиновые коферменты прочно связаны с апоферментами. Рабочей частью FAD и FMN служит изоаллоксазиновая сопряжённая циклическая система: