biohimiyaverstka

1)к увеличению или уменьшению количества фермен-

тов;

2)к изменению соотношения типов имеющихся в клетке ферментов;

3)к изменению относительного содержания в ней различных вариантов данного фермента (изоферментов), которые, катализируя одну и ту же реакцию, могут различаться по своим каталитическим свойствам.

Такое регулирующее влияние на генную активность могут оказывать гормоны, высокие концентрации субстратов и продуктов метаболизма. Последние могут действовать как непосредственно, так и через изменение продукции соответствующих гормонов, т. е. путем воздействия на железы внутренней секреции. Именно такой путь регулирующего воздействия на обменные процессы лежит в основе биохимической адаптации организма под влиянием мышечной тренировки.

Регуляция обмена веществ через доступность кофактора. Под кофактором понимается вещество, присутствие которого необходимо для проявления активности ферментов. В отсутствие кофактора фермент не может выполнять своей функции. Часто в качестве кофактора выступают ионы металлов. Так, ион Са+2 является кофактором фермента мышечной ткани АТФазы.

Регуляция через доступность кофакторов является самым быстрым механизмом. Именно через изменение доступности кофакторов осуществляются в большинстве случаев быстрые нервные воздействия на обмен веществ. Так, поступление двигательного импульса в мышечное волокно приводит к освобождению ионов Са+2, в присутствии которых АТФ-аза расщепляет АТФ. В свою очередь, расщепление АТФ приводит к освобождению энергии, за счет которой осуществляется мышечное сокращение.

Различные вещества (субстраты, продукты, кофакторы), влияя на активность ферментов, вызывают так называемый аллостерический эффект. Молекулы таких метаболических регуляторов могут связываться ферментами в

121

особом аллостерическом центре, в результате чего возникают изменения в его пространственной конфигурации. Это меняет условия взаимодействия фермента с субстратом, увеличивая или уменьшая скорость ферментативной реакции.

Конечно, описанные механизмы не исчерпывают всего многообразия регуляции обмена веществ и не отражают его сложности. В организме любой процесс, как правило, регулируется несколькими механизмами, дополняющими и даже дублирующими друг друга. Каждый из этих механизмов в зависимости от условий может играть ведущую или второстепенную роль в регуляции какого-либо процесса.

Нервная и гормональная регуляция обмена веществ. Нервная и гормональная системы осуществляют координацию деятельности клеток и органов организма, взаимосвязь обмена веществ организма с внешней средой. В отличие от эндокринной, нервная система оказывает быстрые регулирующие воздействия, вызывая в клетках регулируемых органов или тканей выраженные биохимические изменения, быстро проходящие после окончания нервного воздействия. Регулирующее влияние гормональной системы развертывается значительно медленнее. Гормоны вызывают в клетках регулируемых органов и тканей сравнительно небольшие, но длительно сохраняющиеся изменения. Железы внутренней секреции организма человека вырабатывают более 50 различных гормонов. Механизмы регулирующего воздействия многих из них известны. Некоторые гормоны (например, адреналин, инсулин) действуют как активаторы или ингибиторы системы. Другие могут выступать в качестве репрессоров или индукторов в синтезе белка. Третьи влияют на скорость синтеза различных белков (чаще всего белков ферментов) непосредственно в рибосомах (АКТГ). Некоторые гормоны (инсулин, тироксин и др.) влияют на структуру клеточных мембран, изменяя их проницаемость.

122

Особое значение в регуляции обмена веществ имеет отдел промежуточного мозга – гипоталамус. Разрушение этого отдела центральной нервной системы ведет к целому ряду нарушений жирового, углеводного и других видов обмена. Гипоталамус регулирует деятельность важной железы внутренней секреции – гипофиза, который контролирует работу всех других желез внутренней секреции, а те, в свою очередь, выделяя гормоны, осуществляют тонкую гуморальную регуляцию обмена веществ на клеточном уровне. Различные гормоны (инсулин, адреналин, тироксин) направляют деятельность ферментных систем, которые регулируют обменные процессы в организме. Эта согласованная взаимосвязь осуществляется в результате взаимодействия нервной и гуморальной (жидкостной) систем регуляции.

Скорость образования гормонов регулируется нервной системой. На нее оказывают воздействие биохимические воздействия в организме, в частности в крови. Так, при продолжительной мышечной работе, в связи с истощением углеводных ресурсов печени, снижается содержание глюкозы в крови. Это приводит, с одной стороны, к снижению продукции гормона инсулина, с другой – к усилению продукции гормонов липолитического действия. Как известно, инсулин увеличивает проницаемость клеток, в частности мышечных, для глюкозы. Снижение продукции инсулина оказывает сберегающее влияние на глюкозу. Она практически перестает использоваться мышечными клетками. В то же время в мозговые клетки, на проницаемость оболочек которых инсулин не оказывает влияния, глюкоза продолжает поступать и использоваться там в качестве источника энергии.

При снижении содержания глюкозы в крови мышцы переходят на использование в качестве преимущественного источника энергии жирных кислот, кетоновых тел. Гормоны липолитического действия усиливают мобилизацию жира в депо и поступление в кровь продуктов мобилизации. Такой системой гормональной регуляции дос-

123

тигается непрерывное снабжение тканей энергетическими субстратами.

Таким образом, в живом организме действует чрезвычайно сложная, многофакторная система регуляции обмена веществ, обеспечивающая не только слаженное, взаимосвязанное протекание обменных процессов, но и взаимосвязь с внешней средой, способность организма быстро и четко отвечать на разнообразные внешние воздействия изменениями обмена веществ.

Вопросы для самоконтроля

1.Объясните понятие «обмен веществ». Сочетанием каких процессов является обмен веществ?

2.Какими химическими процессами характеризуется внешний обмен? Приведите конкретные примеры.

3.Что такое метаболизм? Какие два противоположных процесса выделяют в метаболизме? Дайте краткую характеристику каждому из них.

4.Какие возрастные особенности характеризуют обмен веществ?

5.Какие соединения называют макроэргическими?

6.Какое соединение является главным макроэргом в организме человека?

7.Напишите схемы реакций гидролиза креатинфосфата и АТФ, используя структурные формулы исходных соединений и продуктов реакций.

8.Каковы основные функций метаболизма?

9.Объясните понятие «гомеостаз».

10.Какую функцию в клетке выполняют рибосомы?

11.Какие органоиды называются «энергетическими станциями» клетки? Почему?

12.Каким образом влияет на обмен веществ в организме а) доступность субстрата; б) воздействие фермента или его изменения количества; в) доступность кофактора?

13.Чем характеризуется нервная и гормональная регуляция обмена веществ?

124

щений. Все эти вещества играют огромную роль, они обусловливают собою те процессы, благодаря которым проявляется жизнь, они и есть в полном смысле возбудители жизни».

Раздел биохимии, изучающий биологические катализаторы белковой природы, называется энзимологией. Круг вопросов, изучаемых энзимологией, весьма разнообразен. Он включает выделение и очистку ферментов с целью установления их состава и молекулярной структуры; изучение условий и скорости действия ферментов, а также влияния на них разнообразных физических и химических факторов.

Ферменты и катализаторы неорганической природы, подчиняясь общим законам катализа, имеют сходные признаки:

•катализируют только энергетически возможные реакции;

•не изменяют направление реакции;

•не расходуются в процессе реакции;

•не участвуют в образовании продуктов реакции. Однако ферменты по ряду признаков отличаются от

катализаторов неорганической природы. Главное отличие заключается в их химической природе, так как ферменты – белки.

В отличие от катализаторов неорганической природы ферменты «работают» в «мягких» условиях: при атмосферном давлении, при температуре 30–40°С, при значении рН-среды, близком к нейтральному. Скорость ферментативного катализа намного выше, чем небиологического. Единственная молекула фермента может катализировать от тысячи до миллиона молекул субстрата за 1 минуту. Такая скорость недостижима для катализаторов неорганической природы.

Ферменты обладают высокой специфичностью по отношению к субстрату; каждый фермент катализирует единственную реакцию либо группу реакций одного типа.

Ферменты являются катализаторами с регулируемой

126

активностью, чего нельзя сказать о катализаторах иной природы. Это уникальное свойство ферментов позволяет изменять скорость превращения веществ в организме в зависимости от условий среды, т. е. приспосабливаться к действию различных факторов.

Существенным отличием ферментативных процессов является тот факт, что их можно представить в виде цепи простых химических превращений вещества, четко запрограммированных во времени и в пространстве.

2.2.1. Строение ферментов

По строению ферменты делятся на простые (однокомпонентные) и сложные (двухкомпонентные). Простой фермент состоит только из белковой части; в состав сложного фермента входят белковая и небелковая составляющие. Иначе сложный фермент называют холоферментом. Белковую часть в его составе называют апоферментом, а небелковую – коферментом. Роль некоторых коферментов играют витамины или вещества, построенные с участием витаминов В1, В2, В5, В6, В12, Н, Q и др. Особенностью сложных ферментов является то, что отдельно апофермент и кофермент не обладают каталитической активностью.

В составе как простого, так и сложного фермента выделяют субстратный, аллостерический и каталитический центры.

Каталитический центр простого фермента представляет собой уникальное сочетание нескольких аминокислотных остатков, расположенных на разных участках полипептидной цепи. Образование каталитического центра происходит одновременно с формированием третичной структуры белковой молекулы фермента. Чаще всего в состав каталитического центра простого фермента входят остатки серина, цистеина, тирозина, гистидина, аргинина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.

Субстратный центр простого фермента – это участок белковой молекулы фермента, который отвечает за

127

связывание субстрата. Субстратный центр образно называют «якорной площадкой», где субстрат прикрепляется к ферменту за счет различных взаимодействий между определенными боковыми радикалами аминокислотных остатков и соответствующими группами молекулы субстрата. Субстрат с ферментом связывается посредством ионных, водородных взаимодействий, иногда субстрат и фермент связываются ковалентной связью. Гидрофобные взаимодействия также играют определенную роль при связывании субстрата с ферментом. В простых ферментах субстратный центр может совпадать с каталитическим; тогда говорят об активном центре фермента. Так, активный центр амилазы – фермента, гидролизующего -1,4-гликозидные связи в молекуле крахмала – представлен остатками гистидина, аспарагиновой кислоты и тирозина; ацетилхолинэстеразы, гидролизующей сложноэфирные связи в молекуле ацетилхолина с остатками гистидина, серина, тирозина и глутаминовой кислоты. В активном центре карбоксипептидазы А, гидролизующей определенные пептидные связи в молекуле белка, локализованы остатки аргинина, тирозина и глутаминовой кислоты.

Аллостерический центр представляет собой участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому какого-то низкомолекулярного вещества изменяется третичная структура белковой молекулы фермента, что влечет за собой изменение его активности. Аллостерический центр является регуляторным центром фермента.

В сложных ферментах роль каталитического центра выполняет кофермент, который связывается с апоферментом в определенном участке – кофермент связывающем домене. Понятия субстратного и аллостерического центров для сложного фермента и для простого аналогичны.

128

2.2.2. Механизм действия ферментов

В присутствии ферментов химические реакции протекают намного быстрее, чем при небиологическом катализе. В некоторых случаях ускорение достигает 108 раз. Механизм действия ферментов носит название «модель Ми- хаэлиса-Ментон».

Механизм действия простого и сложного ферментов одинаков, так как активные центры в их молекулах выполняют сходные функции.

Фермент, воздействуя на субстрат, образует с ним промежуточный фермент – субстратный комплекс. Механизм действия ферментов можно представить в виде схемы:

Е + S ↔ [E·S] ↔ [E·S]' ↔ [Е·Р] → Е + Р,

где Е – фермент, S – субстрат, Р – продукт.

На первой стадии ферментативного катализа происходит образование фермент-субстратного комплекса, где фермент и субстрат могут быть связаны ионной, ковалентной или иной связью. Образование комплекса ES происходит практически мгновенно.

На второй стадии субстрат под воздействием связанного с ним фермента видоизменяется и становится более доступным для соответствующей химической реакции. Эта стадия определяет скорость всего процесса.

На третьей стадии происходит химическая реакция, в результате которой образуется комплекс продукта реакции с ферментом.

Заключительным процессом является высвобождение продукта реакции из комплекса.

Эту схему можно проиллюстрировать конкретным примером. Рассмотрим механизм действия аминотрансфераз, катализирующих процесс переаминирования амино- и кетокислот. Аминотрансфераз – холофермент, коферментом которого является пиридоксальфосфат, связанный ковалентно с апоферментом. Активной группой, принимающей участие в катализе, является альдегидная

129

группа кофермента, поэтому для простоты изображения механизма действия фермента обозначим холофермент следующим образом: СНО-фермент.

OH HCH3

Пиридоксальфосфат

На первой стадии ферментативного катализа происходит образование фермент-субстратного комплекса [E·S], в котором фермент и субстрат связаны ковалентной связью:

На второй стадии происходит преобразование субстрата, выражающееся в таутомерной перегруппировке, что приводит к образованию комплекса [E-S]':

В результате химической реакции (в данном случае происходит гидролиз) образуется кетокислота, а фермент высвобождается из комплекса в виде пиридоксаминфермента. Чтобы не нарушался один из основных принципов катализа, в данном процессе принимает участие кетокислота. Последующий процесс можно представить следующей схемой:

130