Полифункциональные производные органических соединений. Учебное пособие

Декарбоксилироваться может не только пировино- градная кислота, но и более сложные кетокислоты, как, на- пример, щавелевоуксусная кислота, которая под действием

оксалоацетатдекарбоксилазы образут пировиноградную ки-

слоту и СО2:

Ферментативному декарбоксилированию могут также подвергаться аминокислоты. Так, например, при действии на лизин лизиндекарбоксилазы образуется пентаметилендиамин, чаще называемый кадаверином:

21

К группе лиаз принадлежит аспарат-аммиак-лиаза, она катализирует отщепление и присоединение аммиака:

Наконец, к этой же группе ферментов относят альдо- лазу, играющую важную роль в процессах фотосинтеза, ды- хания и спиртового брожения. Она катализирует распад фруктозодифосфата на фосфодиоксиацетон и фосфоглицери- новый альдегид и обратную реакцию синтеза:

О

P = Р ОН ОН

Изомеразы. Ферменты этого класса катализируют изомеризацию различных органических соединений. Эти превращения могут включать внутримолекулярный перенос атомов водорода, фосфатных, ацильных групп, изменение пространственного расположения атомных группировок, пе- ремещение двойных связей и т.п.

Например, в процессе брожения участвует фермент триозофосфат-изомераза, который ускоряет внутримолеку- лярный перенос атомов водорода в процессе превращения промежуточных продуктов брожения 3-фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона:

22

Фермент фосфоглицератизомераза обеспечивает об-

ратимое превращение 3-фосфоглицериновой кислоты в 2- фосфоглицериновую кислоту:

В образовании рибозы – пентозы, входящей в состав столь важных соединений, какими являются рибонуклеино- вые кислоты, принимает участие фермент рибозофосфат- изомераза, катализирующий взаимное превращение кето- и альдоформ рибо-5-фосфата:

Лигазы (синтеазы). Характерная черта действия фер- ментов этого класса – сопряженность синтеза с распадом ве- ществ, способных поставлять энергию для биосинтеза. Одним

23

из таких соединений является АТФ. При отрыве от ее моле- кулы одного или двух концевых остатков фосфорной кислоты выделяется большое количество энергии, используемой для активирования реагирующих веществ. Таким образом, лигазы каталитически ускоряют синтез органических соединений в присутствии распадающейся АТФ и аналогичных ей других макроэргических соединений. К лигазам относится, напри- мер, глютаминсинтетаза, катализирующая реакцию синтеза глютамина из глютаминовой кислоты и аммиака:

АТФ + глютаминовая кислота + NH3 = АДФ + H3PO4 + глютамин

К числу лигаз принадлежат также ферменты, катали- зирующие присоединение остатков различных органических кислот (уксусной, янтарной др.) к коферменту А. Например,

под действием фермента ацетилкофермент А – синтетазы

образуется ацетилкофермент А:

АТФ + CH3COO- +коферментА= АМФ+пирофосфат+ацетилкоферментА

Важную роль в обмене веществ играют лигазы – кар- боксилазы. Эти ферменты при участии АТФ катализируют присоединение углекислого газа к различным органическим кислотам, т.е. реакцию удлинения углеродной цепочки. При- мером реакции, катализируемой карбоксилазой, может слу- жить реакция синтеза щавелевоуксусной кислоты из пирови- ноградной под действием фермента пируваткарбоксилазы:

H2O + АТФ + пировиноградная кислота + СО2 =

= АДФ + H3PO4 + щавелевоуксусная кислота

Лигазы, осуществляющие катализ процессов образо-

вания C-S связей, являются ацилкофермент-А-синтетазами.

В качестве примера можно привести образование ацетилко- фермента А из уксусной кислоты и кофермента А, проте- кающего сопряжено с распадом АТФ:

24

Как было отмечено выше, ацетилкофермент А служит субстратом в реакциях трансацилирования. Поэтому действие ферментов этих двух групп – лигаз и ацилтрансфераз – в жи- вых системах тесно взаимосвязано.

2. МАКРОЭРГИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Термин «макроэргический» переводится как makros (греч.) - большой и ergon - деятельность, работа. Макроэрги- ческие соединения – это высокоэнергетические природные соединения, содержащие богатые энергией связи, которые называются макроэргическими связями. Такие связи присут- ствуют во всех живых клетках, участвуя в процессах накоп- ления и превращения энергии. Все известные макроэргиче- ские соединения содержат остаток фосфорной кислоты или ацильную группу. Примером макроэргических соединений, содержащих одну макроэргическую связь, могут служить

ацилкофермент А (ацилКоА) и фосфоенолпируват. Одним из наиболее важных макроэргических соединений с нескольки- ми макроэргическими связями является молекула АТФ (аде- нозинтрифосфат), которая играет роль кофермента в реак- циях переноса остатков фосфорной кислоты и входит в каче- стве кофермента в состав двухкомпонентного фермента – фосфотазы.

Строение ацилкофермента А (RC(O)~SRoA). Выше была приведена формула кофермента. Макроэргическая связь возникает при связывании ацильных групп (RC(O)-) ралич- ных жирных кислот с КоА. В том случае, если ацилом явля- ется остаток уксусной кислоты (ацетил), то образуется моле-

кула ацетилкофермента А:

25

Строение фосфоенолпирувата. Фосфоенолпируват – это сложный эфир фосфорной кислоты и енольной формы пировиноградной кислоты:

HOOC C CH2

OP (OH)2

O

Строение АТФ. Компонентами этой сложной молеку- лы являются гетероцикл аденин, β, Д-рибофураноза и три ос- татка фосфорной кислоты, связанные ангидридными связями:

Это соединение содержит две макроэргические связи и обладает большим запасом энергии, которая выделяется при гидролитическом разрыве ангидридных связей в процессе биосинтеза (анаболизме) сложных биомолекул.

3. ЗНАЧЕНИЕ ВЫСШИХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ. ЖИРЫ

Жирами называются сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и жирных кислот. Соединения с одним ос- татком жирной кислоты относятся к группе моноацилглице- ринов. Путем последующей этерификации этих соединений можно перейти к диацил- и далее к триацилглицеринам. Так

26

как молекулы жиров не несут заряда, эту группу веществ на- зывают нейтральными жирами.

Три остатка жирной кислоты могут различаться как по длине цепи, так и по числу двойных связей. Жиры, экстраги- рованные из биологического материала, всегда представляют собой смесь близких по свойствам веществ, различающихся только остатками жирных кислот.

Жиры гидролизуются водным раствором щелочи до глицерина и натриевых солей высших жирных кислот:

Карбоновые кислоты, получающиеся при гидролизе

три- глицеридов, как правило, содержат 16 или 18 атомов углеро-

да. Наиболее часто встречающиеся жирные кислоты приведе- ны в табл. 1. Все двойные связи имеют цис-конфигурацию, что является следствием их биосинтеза.

Жиры и масла широко распространены в природе. Рас- тительные продукты обычно жидкие (т.е. масла), и их чаще всего получают путем выжимания семян или плодов, где их содержание наибольшее. Примерами могут служить оливко- вое, кокосовое, льняное, подсолнечное, кукурузное, хлопко- вое и рапсовое (сурепное) масла. Некоторые полезные масла можно получить из морских животных (масло печени трески, китовый жир). Животные жиры при обычных температурах, как правило, твердые. В качестве примеров приведем говя- жий жир, свиное сало.

27

Таблица 1

Наиболее часто встречающиеся жирные кислоты

Относительное содержание остатков различных жир- ных кислот в смеси триглицеридов оказывает значительное влияние на физические и химические свойства. Так, расти- тельные масла содержат больше остатков ненасыщенных ки- слот, чем животные жиры, поэтому растительные масла – жидкости, а животные жиры – твердые вещества при обыч- ной температуре. Содержание жирных кислот в некоторых типичных природных жирах указано в табл. 2. Из данных табл. 2 можно видеть, что в состав сливочного масла и жира человека входит значительное количество жирных кислот с короткой цепью, тогда как большинство растительных масел содержит мало кислот с короткой цепью. Кислоты с коротки-

28

ми цепями, особенно бутановая, имеют чрезвычайно непри- ятный запах, тогда становится понятно, почему при гидроли- зе жиров и масел, содержащих эти кислотные остатки, он по- является. Это объясняет, по крайней мере, появление, запаха прогорклого масла и запаха человеческого пота. Наличие двойных связей в молекулах сообщает им чувствительность к инициируемому светом окислению (воздухом), в результате которого образуются альдегиды и карбоновые кислоты с ко- роткими цепями. Поскольку это пахучие вещества, такое окисление является другой причиной неприятного запаха жи- ров и масел.

Таблица 2

Содержание жирных кислот в природных жирах

Биологические функции жиров. Жиры - макроэргиче-

ские вещества - наиболее важный из всех питательных ве- ществ источник энергии. В количественном отношении жиры

– основной энергетический резерв организма. В основном жир содержится в клетках в виде жировых капель, которые служат метаболическим «топливом».

Жировые отложения в подкожной ткани и вокруг раз- личных органов обладают высокими теплоизолирующими

29

свойствами. Как основной компонент клеточных мембран жиры изолируют клетку от окружающей среды. Поскольку некоторые жиры не синтезируются в организме человека, они должны поступать с пищей в виде незаменимых жирных ки- слот. Две главные функции животных жиров состоят в защи- те жизненно важных органов и предохранении тела от потери тепла.

Высокая энергетическая ценность жиров как пита- тельных веществ определяется образованием значительного количества энергии при их деградации. Процесс деградации включает два этапа:

1)под действием ферментов липаз, присутствующих в желудочном соке, в желудочно-кишечном тракте происходит гидролиз, приводящий к образованию глицерина и смеси жирных кислот, при этом выделяется незначительное число калорий.

2)основная энергия выделяется при внутриклеточном окислении глицерина и смеси жирных кислот до ацетилко- фермента А.

Ненасыщенные высшие жирные кислоты (олеиновая, линолевая, линоленовая и др.) предварительно восстанавли- ваются до предельных кислот. Окисление предельных выс- ших жирных кислот осуществляется ступенчато, путем отще- пления от их молекул двууглеродных фрагментов. Все реак- ции многостадийного окисления ускоряются специфически- ми фрагментами, β-окисление высших жирных кислот явля- ется универсальным биохимическим процессом, протекаю- щим во всех живых организмах. У млекопитающих этот про- цесс происходит во многих тканях, в первую очередь в пече- ни, почках и сердце.

Процесс β окисления жирных кислот происходит по- степенно по схеме:

30