Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биополимеры в супрамолекулярных системах. Учебно-методическое пособие
.pdf
41
Нейтральные жиры – это сложные эфиры трехатомного спирта
глицерина и высших жирных кислот, называемые ацилглицеринами.
Часто нейтральные жиры называют просто жирами. В воде они образуют эмульсии – дисперсные системы, в которых жир распределен
в воде в виде мельчайших капелек (0,1–0,001 микрона). Под влиянием
кислот, щелочей, а также ферментов (липаз) жиры подвергаются гидролизу, расщепляясь на глицерин и жирные кислоты.
При щелочном гидролизе образуются не свободные жирные
кислоты, а их соли – мыла, поэтому этот процесс называется омылением. При действии на мыла минеральных кислот образуются свободные жирные кислоты. На этой реакции основано открытие жирных
кислот в гидролизате жира. В состав жиров входят предельные и непредельные жирные кислоты. Непредельные кислоты способны по месту двойной связи присоединять водород, галогены. Это свойство используется для количественной оценки непредельности жира (т. е. количества двойных связей).
Наиболее распространенные липиды – жиры или триацилглицериды, играют роль топлива для большинства организмов. Именно в
них запасается большая часть энергии, выделяющейся в результате
химических реакций.
Липиды составляют главные компоненты клеточных мембран,
т. е. тех «контейнеров», в которых протекают основные метаболические процессы. Мембраны не только отделяют содержимое клеток от
окружающей среды, но и обеспечивают пространственное разделение
метаболических процессов внутри клеток. Вместе с тем мембраны –
это не просто клеточный «покров»: в них локализованы многочисленные ферменты и транспортные системы. Более того, на внешней поверхности клеточной мембраны располагаются разнообразные распознающие или рецепторные участки, которые способствуют узнаванию
других клеток, связывают определенные гормоны и воспринимают
иные сигналы из внешнего окружения. Многие свойства клеточных
мембран обусловлены наличием в них полярных липидов.
В качестве примера можно привести структурные формулы и
пространственные модели двух типичных жирных кислот, которые являются структурными компонентами большинства липидов (рис. 3.5).
А. Стеариновая кислота изображена в виде вытянутой цепочки,
однако в действительности ее молекула не имеет жесткой линейной
структуры. Поскольку вокруг любой одинарной связи возможно свободное вращение, углеводородная цепь стеариновой кислоты (как и
42
всех других насыщенных жирных кислот) обладает большой гибкостью и может принимать разнообразные конформации.
Стеариновая кислота
Олеиновая кислота
А
Б
Рис. 3.5. Структурные формулы и пространственные
модели двух типичных жирных кислот
Б. В молекуле олеиновой кислоты двойная связь фиксирует
определенный изгиб углеводородной цепи. Все остальные связи в цепи одинарные, и потому относительно них возможно свободное вращение.
3 . 5 . Ф ерменты
Специфические катализаторы белковой природы, участвующие
в химических реакциях в биологических системах, называются фер-
ментами.
Ферменты (от лат. fermentum – закваска) или энзимы (от греч.
ен – внутри, зим – закваска) – это каталитически активные белки, которые синтезируются в живых клетках и способны ускорять различные биологические реакции живого организма.
Ферменты имеют общее свойство с катализаторами, применяемыми в химии: они только ускоряют достижение равновесия химической реакции. Все ферменты «работают» в мягких условиях (низкая
температура, нормальное давление, нейтральные значения рН среды).
43
Биологические системы способны регулировать синтез своих собственных катализаторов – ферментов. Саморегуляция позволяет живому организму поддерживать определенное стационарное состояние даже при
значительных изменениях внешней среды и несколько видоизменять
ферментный аппарат при резких изменениях окружающей среды.
Будучи выделены из организма, ферменты не утрачивают способность осуществлять каталитическую функцию. На этом основано
их практическое применение в химической, пищевой, фармацевтической промышленности. Особое значение для химического производства имеет специфичность ферментов: химические реакции идут без
образования побочных продуктов, почти со 100 % выходом.
В ХХ в. учение о ферментах выделено в самостоятельную
науку – энзимологию. Энзимология в ее современном понимании решает две главные неразрывно связанные между собой проблемы, касающиеся, с одной стороны, структуры макромолекулярной организации ферментов, с другой – природы химических взаимодействий, лежащих в основе ферментативного катализа.
3.5.1. Номенклатура и классификация ферментов
Широкое распространение получили тривиальная, рациональная
и систематическая номенклатуры. Примерами тривиальной номенклатуры могут служить названия таких ферментов, как пепсин (от греч.
пепсис – пищеварение), трипсин (от греч. трипсис – разжижаю).
Группа окрашенных ферментов получила общее название – цитохромы (от лат. citos – клетка, chroma – цвет). Согласно рациональной номенклатуре название фермента составляется из названия субстрата и
характерного окончания – аза. Так, например, фермент амилаза (от
греч. амилон – крахмал) ускоряет реакцию гидролиза крахмала, фермент липаза (от греч. липос – жир) способствует гидролизу жиров,
фермент уреаза (от греч. уреа – мочевина) ускоряет гидролиз мочевины. По систематической номенклатуре, принятой в 1961 г., название
фермента составляют из химического названия субстрата и названия
той реакции, которая осуществляется ферментом. Так, фермент пиридоксальфермент, катализирующий реакцию переаминирования между
L-аланином и α-кетоглутаровой кислотой, называется L-аланин:2оксоглутарат аминотрансфераза. В этом названии отмечены сразу три
особенности: 1) субстратом является L-аланин; 2) акцептором служит
44
2-оксоглутаровая кислота; 3) от субстрата к акцептору передается
аминогруппа.
C
CH
3
H
COOH
NH
2
+
COOH
CO
COOH
(CH2)
2
COOH
CO
CH
3
+
COOH
HC
COOH
(CH2)
2
NH
L-Аланин
(субстрат)
2-Оксоглутаровая
кислота
(α-кетоглутаровая)
Пировино-
градная
кислота
L-Глутаминовая
кислота
Согласно систематической номенклатуре по типу катализируемых химических реакций ферменты делят на шесть главных классов:
1) оксидоредуктазы – ферменты, катализирующие окисли-
тельно-востановительные реакции, лежащие в основе биологического
окисления;
2) трансферазы – ферменты, катализирующие реакции межмо-
лекулярного переноса различных атомов, групп атомов и радикалов;
3) гидролазы – ферменты, участвующие в расщеплении внут-
римолекулярных связей органических веществ при участии молекулы
воды;
4) лиазы – ферменты, которые способствуют разрыву C-O, C-C,
C-N и других связей, а также обратимым реакциям отщепления раз-
личных групп от субстратов негидролитическим путем;
5) изомеразы – ферменты, катализирующие различные типы
реакции изомеризации;
6) лигазы (синтетазы) – ферменты, катализирующие синтез ор-
ганических веществ из двух исходных молекул с использование энергии распада АТФ (или другого нуклеозидтрифосфата).
Ферменты являются простыми или сложными белками. Простые
белки – однокомпонентные системы, при их гидролизе обнаруживаются только аминокислоты. Сложные белки – двухкомпонентные.
Небелковые компоненты этих ферментов могут быть тесно связаны
с белками, а могут легко отделяться от белка и быть удалены.
Ферменты по некоторым свойствам схожи с высокомолекулярными соединениями: амфотерностью (могут существовать в растворе
в виде анионов, катионов и амфионов); электрофоретической подвиж-
45
ностью благодаря наличию в них положительных и отрицательных зарядов, а в изоэлектрической точке не обнаруживают подвижность.
Ферменты не способны к диализу через полупроницаемую мембрану.
Как белки, они легко осаждаются из водных растворов при низких
температурах методами высаливания или осторожным добавлением
ацетона, этанола и других веществ, не теряя при этом своих каталитических свойств. Молекулярная масса ферментов варьируется от десятков тысяч до миллионов дальтон.
3.5.2. Основные свойства ферментов
Белковая природа ферментов определяет их свойства, отличные
от свойств химических катализаторов.
Специфичность действия ферментов. Специфичность заключается в том, что каждый фермент катализирует определенную химическую реакцию или определенный тип химических реакций. Ферменты
специфичны к определенному субстрату или группе близких по химическому строению субстратов. Правило, сформулированное Э. Фишером, гласит: «Фермент подходит к субстрату, как ключ к замку».
На поверхности молекулы фермента имеется участок, так называемый
активный или каталитический центр, к которому присоединяется
молекула субстрата, претерпевающая превращение в ходе катализируемой реакции. Для осуществления реакции необходимо, чтобы молекула субстрата содержала: во-первых, специфическую химическую
связь, которую фермент мог бы атаковать, во-вторых, в ней должна
присутствовать та функциональная группа (связывающая), которая
способна связываться с ферментом и ориентировать молекулу субстрата так, чтобы атакуемая связь субстрата была правильно расположена по отношению к активному центру фермента (рис. 3.6а, б, в).
Так, фермент уреаза расщепляет мочевину и не действует на другие
соединения, в том числе и на производное мочевины. Фермент мальтаза гидролизует субстраты, имеющие α-гликозидную связь. Стереохимическая специфичность ферментов проявляется в ярко выраженном сродстве к одной стереоизомерной форме субстрата. Например,
ферменты дрожжевой клетки катализируют сбраживание D-глюкозы,
но не оказывают влияния на L-глюкозу.
46
а б в
Рис. 3.6. Схематическое изображение процессов сближения
и ориентации при взаимодействии молекулы субстрата S
с каталитической группой в активном центре фермента F:
а – неправильная ориентация, неправильное сближение;
б – правильное сближение, неправильная ориентация;
в – правильное сближение, правильная ориентация
Термолабильность ферментов. Повышение температуры до 40–
50 ºС приводит к увеличению скорости катализируемой реакции. Однако вследствие белковой природы фермента тепловая денатурация
при повышении температуры будет снижать эффективную концентрацию фермента с соответствующим снижением скорости реакции. Кривая а на рис. 3.7 показывает, что скорость реакции в присутствии неорганических катализаторов возрастает экспоненциально при повышении температуры. При 100 ºС почти все ферменты утрачивают свою
активность (рис. 3.7, кривая б). Стрелка указывает на оптимум температуры для проведения катализируемой ферментом реакции.
Рис. 3.7. Влияние температуры на скорость катализируемой
ферментом реакции: а – повышение скорости реакции как функция
температуры;б – снижение скорости реакции как функции
денатурации белка-фермента
47
Зависимость активности ферментов от рН среды. Для каждого фермента существует оптимальное значение рН среды, при котором
он проявляет максимальную активность. Большинство ферментов
имеют максимальную активность при рН, близком к 7 (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Зависимость активности ферментов от рН среды
Активирование и ингибирование ферментов. Регулирование
скорости ферментативной активности можно регулировать введением
в реакцию активаторов или ингибиторов. Первые увеличивают скорость реакции, вторые – тормозят. Так, например, соляная кислота активирует енолазу. К ингибиторам ферментов можно отнести высокую
температуру, кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов.
3 . 6 . В и т амины
Витамины – это низкомолекулярные органические вещества
различной химической природы, которые в следовых количествах
присутствуют в большинстве живых организмов и необходимы для их
нормальной жизнедеятельности.
В настоящее время известно 13 различных витаминов, которые
вместе с основными питательными веществами – углеводами, жирами
и белками – должны содержаться в пищевом рационе людей и животных многих видов, чтобы обеспечить нормальный рост и жизнедеятельность организма. Термин «витамин» впервые был использован для
обозначения специфического микрокомпонента пищи органической
природы, предотвращающего обусловленную неполноценным питанием болезнь Бери-Бери, распространенную когда-то в странах, население которых употребляло в пищу много риса. Поскольку этот микрокомпонент обладал свойствами амина, К. Функ, польский биохимик,
48
первым получивший это вещество в чистом виде, назвал его «витамин», что в переводе означает «необходимый для жизни амин».
В дальнейшем, когда были открыты другие незаменимые органические микрокомпоненты, оказалось, что далеко не все они представляют собой амины.
Почти все известные витамины присутствуют в клетках всех
животных и большинства растений и микроорганизмов, выполняя в
них одни и те же важные биохимические функции. Однако не все эти
витамины должны обязательно содержаться в пищевом рационе всех
видов животных. Например, хотя витамин С должен присутствовать в
пище людей, обезьян, морских свинок и индийских крыланов, большинство остальных животных не нуждаются в том, чтобы получать
его с пищей, так как у них есть ферменты, которые обеспечивают синтез витамина С из такого простого предшественника как глюкоза.
В настоящее время термин «витамин» применяется в общем
смысле для обозначения группы органических веществ, присутствующих в клетках в очень небольших количествах и участвующих в их
нормальной жизнедеятельности. При этом некоторые организмы не
способны синтезировать те или иные витамины и потому должны получать их из внешних источников. Растения обладают способностью
синтезировать все необходимые им витамины, человек и животные
главным образом получают их с пищей в готовом виде или в виде провитаминов, из которых в организме образуются витамины. Отсутствие
витаминов в пище приводит к развитию различных заболеваний, которые называются авитаминозами. Суточная потребность человека в витаминах составляет лишь незначительные их количества, витамины
можно назвать микрокомпонентами пищи. В отличие от них, макрокомпоненты – углеводы, жиры и белки – должны входить в пищевой
рацион человека в больших количествах, так как суточная потребность
в них исчисляется сотнями или по меньшей мере десятками граммов.
Это объясняется тем, что основные пищевые вещества используются в
организме в качестве источников энергии и сырья для получения органических предшественников многих клеточных компонентов, а также
для того, чтобы обеспечить аминокислотами биосинтез белков. Витамины же, напротив, нужны лишь в малых количествах, потому что они
играют роль катализаторов в различных химических превращениях
макрокомпонентов пищи – превращениях, которые в совокупности
называются обменом веществ или метаболизмом. Подобно ферментам,
витамины присутствуют в тканях в очень низких концентрациях.
49
Витамины делятся на два класса: водорастворимые и жирорастворимые. К водорастворимым витаминам относятся: тиамин (ви-
тамин В1), рибофлавин (витамин В2), никотиновая кислота, пантотеновая кислота, пиродоксин (витамин В6), биотин, фолиевая кислота, витамин В12 и аскорбиновая кислота (витамин С). Большая часть водорастворимых витаминов представляют собой компоненты различных
коферментов, играющих важную роль в клеточном метаболизме. Биохимические функции жирорастворимых витаминов A, D, E и K, представляющих собой маслянистые, плохо растворимые в воде вещества,
пока еще не совсем изучены.
Витамин С (аскорбиновая кислота) является лактоном L-дикетогулоновой кислоты. Наличие в ее молекуле двойной связи делает подвижными протоны гидроксильных групп у 2-го и 3-го атомов углерода, что обуславливает кислый характер соединения с резко выраженной восстанавливающей способностью. Аскорбиновая кислота легко
отдает и принимает два атома водорода, переходя соответственно
в дегидроаскорбиновую кислоту, и наоборот:
C
C
C
HC
CH
O
HO
HO
HO
CH2OH
O
-H
2
+H
2
C
C
C
HC
CH
O
O
O
HO
CH2OH
O
Аскорбиновая кислота
(восстановленная форма)
Дегидроаскорбиновая кислота
(окисленная форма)
Это важнейшее свойство лежит в основе механизма действия
аскорбиновой кислоты в организме: она является участником окислительно-восстановительных систем.
При недостаточном поступлении витамина с пищей у человека
развивается специфическое заболевание – цинга. Потребность взрослого человека в витамине С соответствует 50–100 мг аскорбиновой кислоты в день. В организме не образуется резервов витамина С, поэтому
необходимо ежедневное поступление этого витамина с пищей. Основным источником витамина С являются растения. Особенно много аскорбиновой кислоты содержат плоды шиповника, ягоды черной смородины, рябины, перец, хвоя, лимоны, мандарины, яблоки, капуста.
50
Реакции на аскорбиновую кислоту основаны на ее способности
легко окисляться и восстанавливать такие вещества, как метиленовая
синь, железосинеродистый калий, молекулярный йод, 2,6-дихлорфенолиндофенол и др.
Аскорбиновая кислота обесцвечивает раствор метиленовой сини, восстанавливая краску в лейкосоединение:
C
C
C
HC
CH
O
HO
HO
HO
CH2OH
O
C
S
N
+
N
CH
3
H3C
C
N
H3C
CH
3
+
Cl
-
Аскобиновая кислота
Метиленовая синяя
C
C
C
HC
CH
O
O
O
HO
CH2OH
O
C
S
H
N
N
+
CH
3H
3
C
C
N
H3C
CH
3
+
+HCl
Дегидроаскорбиновая
кислота
Лейкометиленовая синяя
Аскорбиновая кислота восстанавливает железосинеродистый
калий K3[Fe(CN)6] в железистосинеродистый калий K4[Fe(CN)6], который образует с хлорным железом плохо растворимую в воде соль
трехвалентного железа – берлинскую лазурь темно-синего цвета:
C6H8O6 +2K3[Fe(CN)5] + 2KOH → C6H6O6 + 2K4[Fe(CN)6] + 2H2O
Аскорбиновая
кислота
Дегидроаскорбиновая
кислота
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]