2 курс / Биохимия / Н.Ю.Коневалова - Биохимия

тельных реакций, при этом каждая реакция катализируется своим ферментом. Различают ретроингибирование и форактивацию:

а) Ретроингибирование – ингибирование по типу отрицательной обратной связи.

Конечный продукт Z обычно не влияет на активность промежуточных ферментов системы, а ингибирует ее первый фермент Е1. Этим обеспечивается целенаправленность регуляции, т.к. цель системы состоит 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 которых жизнь клетки невозможна (обмен белков, жиров, углеводов). При повреждении мембран клеток эти ферменты появляются в крови. Определение повышенного количества этих ферментов в крови не позволяет локализовать патологический процесс.

2.Органоспецифические ферменты преимущественно локализованы 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 органоспецифических ферментов в кровь сигнализирует о поражении определенного органа, т.е. позволяет диагностировать место поражения. Например, АлАТ – появляется в крови преимущественно при поражениях печени, АсАТ – сердца.

3.Изоферменты.

4.Ферменты, локализованные в органеллах клеток (окисли-

тельно-восстановительные в митохондриях, кислые гидролазы в лизо-

61

сомах и др.). Выходя в кровь, сигнализируют о глубоком поражении клетки.

Изоферменты – это молекулярные формы фермента, которые катализируют одну и ту же реакцию, но различаются по некоторым свойствам: аминокислотной последовательности, молекулярной массе, аминокислотному составу, субстратной специфичности, элетрофоретической подвижности и др.

Изоферменты являются продуктами экспрессии разных генов: гены могут быть в раз ных хромосомах (например, для амилазы слюны и амилазы панкреатической) или в одной хромосоме (например, для цитоплазматической и митохондриальной малатдегидрогеназы).

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

Один из основных механизмов образования изоферментов включает объединение разных субъединиц в разной комбинации при образовании активного олигомерного фермента.

Пример. Креатинкиназа (КК) катализирует обратимую реакцию образования и распада креатинфосфата – 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.

–МВ (КК-2) – сердечный, средняя подвижность.

–ММ (КК-3) – мышечный, самый медленный. Изоформы креатинкиназы.

Набор изоформ КК в разных тканях неодинаков:

–КК-1 присутствует в значительных количествах в мозге, простате, желудке, легких, плаценте, щитовидной железе.

–КК-2 находится в основном в сердечной мышце (25-46% от об-

щей активности фермента), в скелетной мышце (5%).

– КК-3 присутствует в основном в клетках скелетных и сердечной мышц.

62

Примеры органоспецифических ферментов

(изоферментов)

Энзимопатология

Наследственные энзимопатии – заболевания, связанные с наследственными 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 измененной химической реакции. Этот тип сопровождается клиническими проявлениями. В этой фазе обычно уже бывает поздно применять действенные терапевтические меры.

Энзимотерапия

– это использование ферментов и регуляторов их активности в качестве лекарственных средств.

63

Использование ферментов в качестве аналитических реагентов

64

Лекция 5

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ. ТРАНСМЕМБРАННЫЙ ТРАНСПОРТ

Общая характеристика и функции мембран

Термин «мембрана» используется вот уже более 100 лет для обозначения клеточной границы, служащей, с одной стороны, барьером между содержимым клетки и внешней средой, а с другой – полупроницаемой 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, клетка весьма насыщена разнообразными мембранными структурами, образующими в сущности разветвленную, четко организованную сеть. Отсюда понятна ключевая роль мембран в жизни клетки, которая по мере развития биологических наук становится все более очевидной.

Биологические мембраны – это сложные, высокоорганизованные надмолекулярные динамичные структуры, построенные главным образом 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 вносимые вещества) воды может достигать 30 % общего веса мембраны.

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

Мембраны не являются пассивными полупроницаемыми оболочками. Они принимают прямое и очень важное участие в жизнедеятельности клетки, определяя особенности ее функционирования.

Функции мембран:

1.Наиболее очевидной является отделение клетки как целого от окружающей среды (плазматическая мембрана). С другой стороны, внутриклеточные мембраны ограничивают органеллы и формируют обособленные отсеки – компартменты. Наличие

65

последних обеспечивает функциональную специализацию клетки, тонкую регуляцию процессов, протекающих в ней.

2.Мембраны осуществляют высокоизбирательный транспорт веществ. 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 процессы – окислительное фосфорилирование (внутренняя мембрана 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, изменение направления протекания биохимических процессов в клетке в ответ на действие гормона и т. д. В свою очередь некоторые мембраны сами способны генерировать сигнал – химический 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 менее, выполняют важные биологические функции, относятся токоферолы (витамин Е), ретиналь (витамин А), убихинон (кофермент Q) и ряд других жирорастворимых соединений.

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

Липидный состав некоторых мембран (Д.Мецлер, 1980)

66

Фосфолипиды практически во всех мембранах составляют основную часть липидной фракции (от 40 до 90% общего количества липидов). Мембранные фосфолипиды делятся на глицерофосфолипиды (производные фосфатидной кислоты) и сфингофосфолипиды (производные церамида). Из первой группы в мембранах доминируют фосфа-

тидилхолин и фосфатидилэтаноламин, в меньших количествах содержатся фосфатидилсерин и фосфатидилинозит.

67

Фосфатидилинозит

Сфингофосфолипиды в основном представлены сфингомиелином.

HOCH2

Церамид

Фосфолипиды играют основную (структурную) роль в мембранном бислое – их молекулы построены по единому плану и стерически хорошо «соответствуют» друг другу. В то же время, структурное единообразие не исключает наличия огромного числа различных фосфолипидов, что обеспечивается разнообразием жирных кислот, входящих в их состав. Преобладающими являются: – С16 (пальмитиновая), С18 (стеариновая), С18:2 (линолевая), С18:3 (линоленовая), С20:4 (арахидоновая).

В молекулах глицерофосфолипидов цепи жирных кислот, связанные с С1 и С2 атомами глицерина, неравнозначны. Обычно из двух цепей лишь принадлежащая С2-углеродному атому имеет двойные связи. Степень насыщенности жирных кислот влияет на плотность упаковки молекул в мембранах: фосфолипиды, имеющие в своем составе полиненасыщенную жирную кислоту образуют более рыхлый бислой благодаря менее упорядоченной пространственной конфигурации.

Гликолипиды в основном принадлежат к группе гликосфинголипидов, которые также являются производными церамида, однако, в от-

68

личие от сфингофосфолипидов, не содержат фосфата, который заменен на один или несколько остатков углевода.

Из гликолипидов наиболее распространены:

1. Цереброзиды – углеводная часть представлена гексозой (галактоза, реже глюкоза). В наибольших количествах цереброзиды присутствуют в миелиновых оболочках нервов.

2.Сульфатиды (сульфатные эфиры цереброзидов) – отличаются

от цереброзидов наличием остатка серной кислоты, присоединенного сложноэфирной связью к С 3'-атому углевода. Сульфатиды встречаются

взаметных количествах в белом веществе мозга.

3.Ганглиозиды – в структурном отношении сходны с церебрози-

дами, 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.

N-ацетил-нейраминовая 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 регуляции межклеточных контактов; рецепции пептидных гормонов, бактериальных токсинов. Структура ганглиозидов и их состав генетически

69

контролируются ферментами гликозилтрансферазами, поэтому ганглиозиды обладают высокой тканевой специфичностью и могут выступать в роли антигенов клеточной поверхности.

Стероиды – группа соединений, содержащих углеродный скелет циклопентанпергидрофенантрена. Главным представителем стероидов, который присутствует в большинстве мембран животных клеток, является холестерин. Исключение составляет внутренняя мембрана митохондрий, где его уровень очень низок.

Холестерин

Наличие в молекуле холестерина жесткой структуры из четырех конденсированных колец позволяет играть ему важную роль модификатора липидного бислоя, регулируя упаковку и контролируя подвижность его компонентов. Под влиянием холестерина возрастает плотность упаковки молекул липидов (происходит увеличение упорядоченности в расположении углеводородных цепей остатков жирных кислот) в толще бислоя и уменьшение их подвижности. Тем самым холестерин оказывает влияние на функциональную активность мембраны – ее проницаемость для веществ различной природы, работу встроенных в мембрану ферментов и т. д. Возрастание уровня холестерина в мембранах – характерная черта наследственных гиперхолестеринемий, ишемической болезни сердца, атеросклероза.

70