bkh_dlya_tebya

НАДФ), простетические группировки (органические вещества, которые намертво связаны с апоферментом и диссоциировать не собираются, примеры – ФАД и ФМН).

А сейчас давайте попробуем разобраться в таком сложном вопросе, как механизм ферментативного катализа. Вам надо знать лишь самые азы, не углубляясь в тонкости, но я постараюсь донести суть на очень абстрактном примере. Что ферменты, что обычные катализаторы ускоряют термодинамически возможные реакции путём снижения энергии активации. Что она из себя представляет?

Смотрим на график. S – это субстрат, а точнее энергия субстрата, P – энергия продукта реакции. Казалось бы, у субстрата свободной энергии больше, почему он не может сразу отдать её и превратиться в продукт, претерпев химическую реакцию? А вот загвоздка в том, что для вступления в реакцию молекулам нужно приобрести больше энергии, ибо в «покое» они реагировать не собираются – им нужен пинок. И вот как раз то количество энергии, которое надо сообщить молекулам субстрата, чтобы те начали вступать в реакцию, называется энергией активации (на графике отмечена стрелочкой красной). А ферменты и обычные катализаторы уменьшают энергию активации, тем самым ускоряя реакцию. Почему она ускоряется? Всё просто – чем меньше требуется энергии для запуска реакции, тем быстрее она пойдёт при прочих равных. Если толкать с равной силой тележки массой 50 и 100 кг, какая из них будет ехать быстрее? Тут так же.

Но как именно ферменты снижают энергию активации? С вас этого точно не спросят, но, если интересно, скажу абстрактно. Вот есть у вас молекула с двойной связью между атомами углерода. Вы хотите присоединить водород, но сам он туда не присоединится – двойная связь вполне устойчивая. Но если вы возьмёте эту молекулу и немного согнёте

21

(активный центр располагает молекулу субстрата так, как ему надо; это то же самое, что сесть на кресло проктолога – оно придаст вам такую вынужденную форму, при которой врач сможет удобно выполнять свою работу) так, что в районе этой двойной связи появится напряжение, связь уже будет не такой уж и стабильной и захочет разорваться чисто по физическим соображениям, а мы ещё возьмём вещество, которое очень легко отдаёт водород (донор водорода, обычно НАДН2), и разместим его этими водородами максимально близко к углеродам субстрата, образующим двойную связь, то связь между углеродами порвётся и к ним присоединится по водороду. Вот так это работает, мы просто силой вынуждаем вещества вступать в реакции. Конечно, это частный случай и на деле всё сложнее, но для понимания сути этого должно хватить.

Теперь о формульном виде взаимодействия ферментов (E) и субстрата

(S) с образованием продукта (P).

Субстрат комплиментарен ферменту, поэтому они могут соединяться, образуя фермент-субстратный комплекс, а после этого комплекс может диссоциировать либо может образоваться продукт, который тут же отстанет от фермента. Из всех трёх «реакций» обратима только первая. Просто запомните это, тут нет каких-то тонкостей и подробностей. Касательно того, как взаимодействуют субстрат с активным центром фермента, было выдвинуто две теории. Первую теорию выдвинул Фишер, согласно ней активный центр имеет жёсткую структуру и строго соответствует молекуле субстрата (один фермент – один субстрат, это называют абсолютной специфичностью, просто в то время известны были только те ферменты, которые катализируют всего одну реакцию), типа «ключ-замок». Вторую теорию предложил Кошланд, он утверждал, что активный центр и молекула субстрата немного пластичны и подстраиваются друг под друга (следовательно, один фермент мог катализировать превращение уже нескольких близкородственных субстратов), типа «рука-перчатка». И вот теперь мы близко подошли к понятию специфичность. Ферменты по специфичности относительно субстратов подразделяются на три группы:

•абсолютная специфичность (один фермент – один субстрат – одна реакция, пример – аргиназа, с помощью воды разрушает аргинин на мочевину и орнитин),

•относительная специфичность (она же групповая, фермент катализирует одну реакцию, но для нескольких субстратов,

22

например, гексокиназа фосфорилирует все шестиуглеродные углеводы, типа глюкоза, галактоза, фруктоза и тд),

•стериоспецифичность (фермент действует только на определённые стериомеры, например, та же гексокиназа фосфорилирует не все углеводы с шестью атомами углерода, а только D-глюкозу, D-фруктозу, D-галактозу).

Специфичность имеет биологическое значение, в том плане, что в некоторых реакциях требуется строжайшая точность, например, к одной тРНК присоединяется только ОДНА конкретная аминокислота, если бы было несколько, то белки бы у нас синтезировались абы как, а некоторым белкам не нужна особая специфичность, например, пепсин гидролизует белки, причём любые – там специфичность особа не нужна.

Но также ферменты классифицируют по специфичности относительно катализируемой реакции, выделяют 6 классов ферментов (имейте ввиду, что порядок нумерации классов ферментов очень важен, не путайте их номера, они присвоены в соответствии с распространённостью ферментов данных классов).

Итак, первый класс – оксидоредуктазы. Суть этих ферментов в том, что они катализируют окислительно-восстановительные реакции, то есть забирают электроны у молекул-доноров и отдают электроны молекуламакцепторам. Выделяют три подкласса, которые мы должны знать: дегидрогеназы (отщепляют электроны от молекул обычно с протонами заодно с помощью ФМН, ФАД, НАД, НАДФ, а потом переносят электроны и протоны на другую молекулу или фермент, пример – малатдегидрогеназа (в молекуле малата отщипляет два водорода, превращая гидроксильную группу в карбонильную)), оксидазы (переносят электроны с молекулысубстрата на молекулу кислорода, превращая того в перекись или оксид/воду, пример – цитохромоксидаза), оксигеназы (переносят электроны на молекулу кислорода, при этом один атом кислорода идёт на образование молекулы воды, а второй атом включается в состав молекулы субстрата – монооксигеназы, а диоксигеназы включают оба атома кислорода в молекулу

субстрата, пример оксигеназ – фенилаланингидроксилаза/ фенилаланинмонооксигеназа). Пожалуйста, не путайте ОКСИДазы и оксиГЕНазы. Как составлять название этих ферментов? Пишите молекулу донор, потом название подкласса фермента, примеры я уже приводил.

Второй класс – трансферазы, переносят определённые группировки с одного субстрата на другой. Как формируется название фермента? Молекула-донор + название переносимой группировки + трансфераза, например, аспартат-амино-трансфераза.

23

Третий класс – гидролазы, ВСЕ эти ферменты простые (!), то есть у них нет никакой небелковой части, все они разружают молекулы субстрата присоединяя к ним молекулу воды, то есть осуществляют гидролиз. Название фермента – название молекулы-субстрата + аза, пример – нуклеотид-аза.

Четвёртый класс – лиазы, это ферменты, которые отщипляют какие-то группировки от молекулы субстрата, но не применяя воду. Название – молекула-субстрат + де/дез + название группировки + аза, пример – глутамат-де-карбоксил-аза, только не путайте с дегидрогеназами – они отщипляют водороды (протон + электрон), а не группировки, при этом меняют степени окисления.

Пятый класс – изомеразы, они переносят куски молекулы субстрата с одного места на другое в пределах этой молекулы, превращая субстрат в его изомер. Название фермента – название молекулы-субстрата + изомераза, пример – фосфотриозо-изомераза.

Шестой класс – лигазы/синтетазы, они присоединяют одну молекулу к другой с затратой энергии в форме АТФ. Название фермента – молекуласубстрат + синтетаза, пример – глутамин-синтетаза. Важно: бывает такое, что фермент объединяет две молекулы, но не расходует на это энергию АТФ, тогда он относится к трансферазам, но называется синтазой – не перепутайте с синтетазой. Название любого фермента кончается на –аза.

24

Это просто примеры реакций 6-ти типов. В номенклатуре ферментов есть 4 подхода: рутинный (простонародные названия ферментов), тривиальный (некоторые ферменты называют именами собственными, принятыми в научных кругах), рациональный (это то, как мы называли ферменты по классам – это самые информативные названия), номерной (у каждого класса, подкласса и тд есть свои цифры, есть даже базы данных, в которой куча прономерованных ферментов).

Активность ферментов

Теперь поговорим об активности ферментов. Посчитать количество молекул фермента в растворе крайне сложно, плюс способность фермента катализировать реакции в разных условиях различны, поэтому учёные решили не считать количество ферментов в растворе, а определять их активность, то есть сколько субстрата за единицу времени фермент может превратить. Какие приняты единицы измерения? 1 международная единица (МЕ) = 1 мкмоль/мин, а 1 катал = 1 моль/с.

Пару слов об мультиэнзимных комплексах и полифункциональных ферментах. Мультиферментные комплексы - это когда много ферментов, катализирующих последовательные реакции, т.е. идущие друг за другом, собираются вместе (продукт первой реакции сразу поступает во второй фермент, в котором он будет уже субстратом – так последовательность реакций (метаболический путь) будет протекать быстрее). В полифункциональных ферментах тот же биологический смысл, но там не много ферментов вместе, а один фермент, выполняющий функции многих ферментов (пример – пальмитоил-синтаза, которая имеет по 7 доменов, 7 активных центров в каждой из своих субъединиц).

Немного о ферментах в медицине. Прежде всего замещающая энзимотерапия. У человека патология поджелудочной железы – она не выделяет пищеварительные ферменты, поэтому, принимая пищу, мы глотаем капсулу с ферментами, которые помогут нам в пищеварении, то есть они замещают природные ферменты, которые у нас в недостатке. Есть ещё много других интересных применений. Одно из них – лизис. Например, у человека тромбоз сосудов – запустим в кровь ферменты, которые растворят кровяные сгустки, т.е. запустим фибринолиз, это делают при инсультах. Второй вариант лизиса – очищение нагноившихся ран, например, при пролежнях 3-й и 4-й степени в месте поражения очень много некротических (мёртвых) тканей, на них накладывают повязку с ферментами, которые разрушат эти ткани, хотя иногда эти ткани удаляются хирургическим путём. Также ферменты применяются в различных видах диагностики, например, определяют активность ферментов в крови (есть ферменты, которые оказываются в крови только при разрушении конкретных тканей). Есть

25

множество других способов применения ферментов, но для семинаров этого хватит.

Как я говорил выше, большая часть ферментов являются сложными, то есть имеют небелковую часть – апоферментный кофактор, который может быть металлом, коферментом и простетической группировкой, последние два обычно создаются на основе некоторых витаминов, поэтому в учебной программе для них отводится отдельное занятие.

Витамины

Итак, что же такое витамины (определения в биохимии желательно знать)? Витамины (для человека) – низкомолекулярные органические соединения разного строения, являющиеся незаменимыми пищевыми факторами, обеспечивающими нормальное функционирование организма и не включающиеся в метаболизм. Это определение длинное, но в нём нет ни одного лишнего слова! Витамины действительно имеют не очень сложное соединение, но между собой в плане химического строения у них мало общего – витамины объединили в один класс химических веществ не по признаку общей химической структуры, а по признаку схожей функциональной роли в организме. Почему витамины незаменимые пищевые факторы? Да потому, что человеческий организм не синтезирует их

– этим занимаются растения и бактерии, хотя справедливости ради скажу, что мы всё-таки синтезируем витамины из провитаминов. О том, как витамины обеспечивают нормальное функционирование организма, мы подробно поговорим позже. Витамины не включаются в метаболизм, то есть они не обладают пищевой (калорийной) ценностью, ибо мы не расщепляем их с целью получения энергии и не синтезируем из них полимеры, то есть витамины не расходуются ни в катаболизме, ни в анаболизме.

Теперь немного разделим витамины. В плане функций витамины могут быть не только в составе коферментов и простетических группировок, помимо этого, они могут регуляторную функцию, антиоксидантную, фоторецепторную, косубстратную. Подробнее о функциях каждого витамина ниже.

Как классифицируют витамины? По их растворимости: водорастворимые и жирорастворимые. Особенность водорастворимых витаминов состоит в том, что они быстро поступают в организм, но и быстро выводятся, то есть они не накапливаются, поэтому мы должны постоянно получать их с пищей. Жирорастворимые витамины способны растворяться в липидах мембран и жировых капель и, таким образом, накапливаться в организме, поэтому их не обязательно есть каждый день. Ещё в связи с тем,

26

что они не растворяются в воде, в кишечнике они всасываются только вместе

с липидами (то есть если вы исключите из рациона все жиры, то кишечник не сможет всасывать жирорастворимые витамины, тогда вас ждёт гиповитаминоз, а потом авитаминоз). Сразу забегу вперёд и скажу о нарушениях, связанных с потреблением витаминов: гипервитаминоз, гиповитаминоз и авитаминоз. Гипервитаминоз – избыточное количество витаминов в организме. Обычно это случается с жирорастворимыми витаминами, так как они имеют свойство накапливаться в организме. Водорастворимые витамины постоянно выводятся, поэтому им сложно устроить гипервитаминоз, хотя вы можете каждый день потреблять лошадиную дозу витаминов и тогда будет гипервитаминоз, например, каждый день есть аскорбинку. Гиповитаминозы – недостаток витаминов в организме, авитаминоз – полное их отсутствие. Все эти состояния приводят к формированию различных заболеваний, оно и понятно, если вспомнить о функциях витаминов. Причина гипервитаминозов – избыточное поступление витаминов с пищей. Причины гипо- и авитаминозов: недостаточное поступление с пищей, нарушение всасывания витаминов в жкт, действие антивитаминов – помимо этого могут быть врождённые патологии ферментов, участвующих в превращении витаминов в апоферментные кофакторы, т.е. в организме витамины в достатке, но использоваться не могут, поэтому симптомы, как при гипо- и авитаминозе.

В плане номенклатуры витамины называют именами собственными или буквенно-цифровыми обозначениями. В теме витаминов часто спрашивают о металлоферментах и коферментной роли витаминов. Скажу коротко. Металлы стабилизируют структуру ферментов (соединяются с ними, меняя их конформацию), окончательно формируют активный центр, помогая в нём правильно расположить молекулу субстрата и непосредственно участвуя в акте катализа. Коферменты и простетические группировки – большинство из них являются соединениями на основе витаминов, подробнее об этом ниже.

Водорастворимые витамины:

B1 (тиамин), B2 (рибофлавин), B3 или PP (никотинамид), B5 (пантотеновая кислота), B6 (пиридоксин), H (биотин), B9 (фолиевая кислота), B12 (кобаламин), C (аскорбиновая кислота), P (биофлавоноиды).

B1 тиамин. Источники в пище: растительная пища, оболочки семян злаков и риса, горох, фасоль, соя. Суточная потребность: 2-3 мг/сут. Коферменты: ТДФ (тиаминдифосфат). Биологическая роль: данный кофермент позволяет осуществлять реакции декарбоксилирования в

27

некоторых реакциях катаболизма. Болезни при гиповитаминозе: полиневрит, нарушение сердечной деятельности и жкт.

B2 рибофлавин (изоаплоксазин + многоатомный спирт рибитол). Источники в пище: печень, почки, яйца, молоко, помимо этого, шпинат, пшеница, рожь, частично синтезируется микрофлорой кишечника. Суточная потребность: 1,8-2,6 мг/сут. Коферменты: ФМН (флавинмононуклеотид – азотистое основание изоаплоксазин + многоатомный спирт рибитол + фосфорная кислота) и ФАД (флавинадениндинуклеотид – ФМН + аденозинмонофосфат). Биологическая роль: с помощью этих простетических группировок функционируют многие оксидоредуктазы, осуществляя перенос электронов. Болезни при гиповитаминозе: остановка роста, воспаления кожи

и глаз, общая мышечная слабость. Важно объяснить строение ФМН и ФАД, ибо некоторые преподаватели любят ловить на этом студентов.

B3 или PP никотинамид. Источники в пище: растительная пища, рисовые и пшеничные отруби, хотя есть в печени и почках крупнорогатого скота. Суточная потребность: 15-25 мг/сут. Коферменты: НАД (никотинамидадениндинуклеотид – никотинамид + рибоза + фосфорная кислота + аденозинмонофосфат) и НАДФ (как НАД, только дополнительный фосфат есть). Биологическая роль: входит в состав коферментов огромного количества дегидрогеназ. Болезни при гиповитаминозе: пеллагра (дерматит, диарея, деменция).

B5 пантотеновая кислота. Источники в пище: яйца, печень, мясо, рыба, молоко, пшеница, картофель, морковь. Суточная потребность: 10-12 мг/сут. Коферменты: 4-фосфопантотеин и КоА. Биологическая роль: данные коферменты позволяют переносить ацетил и ацилы, это необходимые манипуляции в метаболизме липидов и общем конечном пути катаболизма, об этом вы узнаете всё подробно в последующих разделах. Заболевания при гиповитаминозе: дерматиты, дистрофия сердца, почек, эндокринных желёз, невриты и параличи.

B6 пиридоксин. Источники в пище: яйца, печень, молоко, морковь, пшеница, дрожжи. Суточная потребность: 2-3 мг. Коферменты: пиридоксаль фосфат и пиридоксаминфосфат – обозначаются ПФ и выполняют одинаковые функции. Биологическое значение: ключевая роль в метаболизме аминокислот, так как помогают осуществлять реакции переноса аминогрупп

и декарбоксилирования. Болезни при авитаминозе: поражения нервной системы и дерматиты.

H биотин. Источники в пище: почти вся животная и растительная пища, но особенно в печени, почках, молоке, желтке яиц, но в норме нас этим витамином полностью может обеспечить кишечная микрофлора. Суточная потребность: 0,01-0,02 мг/сут. Этот витамин сам является апоферментным

28

кофактором. Биологическая роль: обеспечивает реакции карбоксилирования, то есть включает молекулу углекислого газа в состав молекулы-субстрата. Заболевания при гиповитаминозе: специфические дерматиты, утомляемость, депрессия.

B9 фолиевая кислота. Источники в пище: в основном продукты животного происхождения, мясо, печень, почки, но ещё дрожжи, хотя в достаточном количестве синтезируется кишечной микрофлорой. Суточная потребность 0,05-0,2 мг/сут, но рекомендовано потреблять 0,4 мг/сут из-за плохой усвояемости. Коферменты: тетрагидрофолиевая кислота. Биологическая роль: переносит различные одноуглеродные группировки, что важно для синтеза пуринов (поэтому нужна в активно пролифферирующих тканях) и некоторых аминокислот. Болезни при гиповитаминозе: нарушение репарации, гемопоэза и роста.

B12 кобаламин. Источники в пище: синтезируется только бактериями, им богаты печень и почки. Суточная потребность: 0,001-0,002 мг/сут. Коферменты: метилкобаламин и дезоксиаденилкобаламин. Биологическая роль: перенос метильных групп, участие в метаболизме жирных кислот с нечётным количеством атомов углерода (характерны для нервной ткани), участвуют в превращениях производных фолиевой кислоты, участвуют в метаболизме аминокислот с разветвлённым скелетом. Болезни при гиповитаминозе: макроцитарная анемия.

C аскорбиновая кислота. Источники в пище: свежие фрукты, овощи и зелень. Суточная потребность: 50-75 мг/сут. Коферменты не образует, зато является косубстратом, выступая в роли донора водорода. Биологическая роль: за счёт способности легко отдавать водород и участвовать в окислительно-восстановительных реакциях используется в реакциях гидроксилирования (синтез ряда гормонов и созревание коллагена), переводит трёхвалентное железо в двухвалентное, чтобы то могло всасываться кишечником, выступает в роли антиоксиданта при нормальных концентрациях. Болезни при гиповитаминозе: цинга.

P биофлавоноиды. Источники в пище: шиповник, чёрная смородина, гречка, лимоны. Точная суточная потребность не установлена. Коферментов не образует. Биологическое значение: стабилизирует межклеточное вещество, обладает гипотензивным действием. Болезни при гиповитаминозе: микрокровоизлияния.

29

Жирорастворимые витамины:

A (ретинол), D (кальциферолы), E (токоферолы), K (нафтохиноны), F (полиненасыщенные жирные кислоты типа линолевой, линоленовой и арахидоновой).

A ретинол. Строение: циклический ненасыщенный одноатомный спирт. Источники в пище: печень, яичный желток, молоко, рыбий жир. Однако существует провитамин – каратиноид, им богаты морковь, томаты, перцы, который в нашем организме расщепляется каратиноидоксигеназой на две молекулы витамина A. Суточная потребность: 1-2,5 мг/сут. Биологическая роль: регулируют рост и дифференцировку клеток, участвуют

в фоторецепции. Болезни при гиповитаминозе: потеря чёрно-белового зрения, сухость склеры, отёк и изъязвление её, остановка роста, ороговение тех эпителиальных клеток, которые ороговевать не должны.

D кальциферолы. Имеют несколько циклов, небольшой линейный участок, ненасыщенные, имеют по одной гидроксильной группе. D3 можно получать с пищей из сливочного масла, желтков яиц, рыбьего жира, а можно самостоятельно синтезировать из 7-дегидрохолестерина (провитамин) при действии на кожу ультрафиолетовых лучей. Суточная потребность: 0,012- 0,025 мг/сут. Биологическая роль: витамин модифицируется и превращается

в кальцитриол (гормон), который повышает всасывание кальция в кишечнике и реабсорбцию в почках кальция и фосфата, также усиливает кальцификацию костей, но если организму не хватает кальция, то он включает мобилизацию кальция из депо (кости отдают кальций в кровь). Гиповитаминоз: рахит у детей, остеопороз у взрослых. Гипервитаминоз: отложение кальция в мягких тканях.

E токоферолы. По строению опять пара циклов, гидроксильная группа, простой эфир, очень длинный хвост. Источники в пище: растительные масла, салат, капуста, яичный желток, сливочное масло. Суточная потребность: 5 мг/сут. Биологическая роль: сильнейший антиоксидант (защита от свободнорадикального окисления, которое, если выше нормы, способно разрушать практически все структуры клеток), помимо этого повышает репродуктивное здоровье. Гиповитаминоз особо не изучен.

K нафтохиноны. Также имеют сложные сопряжённые циклические системы с кислородом и длиннющим хвостом. Источники в пище: капуста, шпинат, корнеплоды, фрукты, печень, также в значительной степени синтезируется микрофлорой кишечника. Суточная потребность: 1-2 мг/сут. Биологическая роль: активирует некоторые факторы свёртывания крови, а именно, они карбоксилируются, а витамин выступает в роли кофермента. Болезни при гиповитаминозе: сильнейшие кровотечения.

30