biohimiyaverstka

O

(n+2) H2N CH C OH

R

Пептидгидролазы гидролизуют не все пептидные связи в молекулах белков и пептидов, а только определенные. Протеазы – ферменты, которые гидролизуют белки.

Амидазы ускоряют гидролиз амидов дикарбоновых аминокислот – аспарагина и глутамина.

Выделим еще нуклеазы, которые гидролизуют нуклеиновые кислоты. Среди них особый интерес представляют специфические эндонуклеазы (так называемые рестриктазы), разрывающие полинуклеотиды по строго определенным последовательностям.

Лиазы катализируют в одном направлении негидролитическое расщепление (иногда и синтез) субстрата с образованием кратной связи, в другом – присоединение к кратной связи. В зависимости от того, какая связь расщепляется или, наоборот, образуется, выделяют углерод-угле- род, углерод-кислород, углерод-азот лиазы. Коферментом этих ферментов является тиаминпирофосфат. Приведем примеры процессов, катализируемых ферментами указанных подклассов.

Углерод-углерод лиазы. В природе широко представлены ферменты, ускоряющие декарбоксилирование кето- и аминокислот. Декарбоксилазы или карбоксилиазы – двухкомпонентные ферменты, коферментом которых является фосфорный эфир витамина В1 – в случае декарбок-

141

силирования кетокислот – и витамина В6 – в случае декарбоксилирования аминокислот. Схема процесса представлена ниже:

Углерод-кислород лиазы (гидролиазы). Ферменты этого подкласса ускоряют реакции гидратации и дегидратации органических соединений. Эти реакции постоянно идут при распаде и синтезе углеводов и жирных кислот, поэтому гидратазы играют большую роль в жизнедеятельности организмов. Примером может служить фумаратгидратаза, присоединяющая молекулу воды к кратной связи фумаровой кислоты:

Углерод-азот лиазы катализируют реакции прямого дезаминирования некоторых аминокислот, примером может служить аспартат-аммиаклиаза:

Изомеразы – ферменты, ускоряющие процессы внутримолекулярных перестроек, превращений одних изомеров органических веществ в другие. Коферментом многих из них является коферментная форма витамина В12.

142

Лигазы (синтетазы). Эти ферменты катализируют реакции конденсации – реакции синтеза высокомолекулярных полимеров (белков, полисахаридов, липидов, нуклеотидов) из мономеров, активированных при участии АТФ или других макроэргических веществ. Кофактором служит биотин.

В качестве примера действия лигазы можно привести синтез щавелевоуксусной кислоты из пировиноградной путем ее карбоксилирования:

Следует обратить внимание на тот факт, что молекула АТФ не участвует в образовании продуктов реакции, а просто распадается до АДФ и Н3РO4; при этом освобождается энергия, необходимая для осуществления биосинтеза.

Ферменты небелковой природы. Долгое время считалось, что все ферменты являются белковыми молекулами. Однако в начале 80-х годов произошло одно из наиболее неожиданных событий в развитии биохимии – было найдено, что в природе существуют катализаторы, лишенные белка и состоящие только из РНК. Такие ферменты получили название рибозимов.

143

Вопросы для самоконтроля

1.Каковы основные условия протекания реакций обмена веществ в живых организмах?

2.Какую роль выполняют ферменты в обмене веществ?

3.Охарактеризуйте особенности химического строения ферментов.

4.Приведите механизм действия ферментов.

5.Существуют ли сходство и различия между ферментами и катализаторами неорганической природы?

6.По какому принципу классифицируют ферменты? Назовите основные классы ферментов. Примеры.

7.Что такое кофакторы фермента? Какова их химическая природа и биологическая роль?

8.Изобразите особенности строения активного центра ферментов. Какие можно выделить функциональные группы активного центра ферментов?

9.Каким образом концентрация фермента, субстрата, а также рН и температура влияют на скорость ферментативной реакции?

10.Что такое активаторы и ингибиторы ферментов? Назовите типы ингибирования ферментативной активности.

11.Приведите примеры аллостерических ферментов, множественные молекулярные формы ферментов, мультиферментные комплексы.

12.Покажите роль витаминов в регуляции метаболизма.

Основные понятия

Ферменты, энзим, энзимология, однокомпонентные и многокомпонентные ферменты, холофермент, апофермент, кофермент, каталитический центр, субстратный центр, активный центр, аллостерический центр, фер- мент-субстратный комплекс, специфичность действия ферментов, активаторы ферментов, температурный оптимум ферментов, антиоксидант, интеграция обмена веществ, оксиредуктазы, оксидазы, дегидрогеназы, тран-

144

сферазы, фосфотрансферазы, киназы, аминотрансферазы, гликозилтрансферазы, ацилтрансферазы, метилтрансферазы, гидролазы, эстеразы, фосфатазы, гликозидазы, амидазы, лиазы, изомеразы, лигазы, синтетазы, рибозимы.

2.3. Обмен белков

Белки занимают ведущее место среди органических элементов, на их долю приходится более 50 % сухой массы клетки. Они являются основным строительным материалом различных биологических структур клеток организма, поэтому обмен белков играет первостепенную роль в их разрушении и новообразовании.

У здорового взрослого человека за сутки обновляется 1–2 % общего количества белков тела, что связано преимущественно с деградацией мышечных белков до свободных аминокислот. Примерно 75–80 % высвободившихся аминокислот снова используется в биосинтезе белков; оставшаяся часть подвергается различным метаболическим превращениям.

2.3.1. Катаболизм белков

Главным путем распада белков в организме является ферментативный гидролиз, называемый протеолизом. Протеолиз белков протекает в любой клетке организма. Протеолитические ферменты (пептид-гидролазы, протеазы) локализованы в основном в лизосомах, незначительная часть ферментов, гидролизующих белки, есть в цитозоле клетки. Распад клеточных белков, катализируемый протеолитическими ферментами с различной специфичностью, приводит к образованию аминокислот, которые используются в этой же клетке или выделяются из нее в кровь. Но основным материалом для обновления клеточных белков служат аминокислоты, получаемые из белков пищи.

Различают два типа протеолиза: приводящий к полному расщеплению белковых молекул до отдельных амино-

145

кислот и частичный, так называемый ограниченный протеолиз, при котором избирательно гидролизуется одна или несколько пептидных связей в молекуле белка. Протеолиз первого типа происходит в результате согласованного действия различных протеолитических ферментов, тогда как реакции ограниченного протеолиза катализируются отдельными специфическими протеазами. Полный протеолиз осуществляется при внутриклеточном распаде белков под влиянием тканевых протеаз (часто называемых катепсинами). Он протекает во многих случаях внутри лизосом – клеточных органелл, содержащих набор гидролитических ферментов. Путем полного протеолиза происходит удаление из организма аномальных белков, образующихся в результате мутаций и ошибок биосинтеза. Полное расщепление белковых молекул наблюдается также при различных морфогенетических превращениях и адаптационных перестройках обмена. В процессах пищеварения под влиянием протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта пепсина, трипсина, химотрипсина и ряда пептидаз происходит полный протеолиз белков пищи.

Ограниченный протеолиз белковых молекул имеет первостепенное значение для регуляции обмена веществ в организме. Например, ограниченный протеолиз происходит при превращении неактивных проферментов пепсиногена, трипсиногена и др. в соответствующие активные протеазы, а также при образовании ферментов, участвующих в свертывании крови, фибринолизе и др. Эти системы организма активируются в результате каскадного процесса, на каждой из стадий которого из неактивного профермента путем ограниченного протеолиза образуется фермент, катализирующий последующую реакцию: из проинсулина – инсулин, из проглюкагона – глюкагон.

В желудочно-кишечном тракте локализованы протеолитические ферменты различной специфичности. В желудочном соке находится пепсин. Субстратом пепсина могут быть как нативные, так и денатурированные при

146

термической обработке продуктов белки пищи. Пепсин быстро расщепляет в белках пептидные связи, образованные карбоксильными группами ароматических аминокислот – фенилаланина, тирозина, триптофана. Медленнее пепсин гидролизует пептидные связи, образованные карбоксильными группами лейцина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.

Протеолиз в кишечнике обеспечивают ряд ферментов: трипсин, химотрипсин, карбоксипептидазы А и В, дипептидазы и др.

Трипсин гидролизует пептидные связи, образованные карбоксильными группами аргинина и лизина, химотрипсин – фенилаланина, тирозина и триптофана. Действие этих ферментов приводит к более глубокому гидролизу белков по сравнению с гидролизом в желудке. Карбоксипептидаза А быстро отщепляет с С-конца образовавшихся олигопептидов аминокислоты с ароматическими или алифатическими боковыми радикалами. Карбоксипептидаза В действует только на пептиды, имеющие на С-конце остатки аргинина или лизина.

Слизистая кишечника содержит группу аминопептидаз, которые при действии на полипептидные цепи поочередно освобождают N-концевые аминокислоты. Здесь же локализованы и дипептидазы, гидролизующие дипептиды.

Белки пищи при участии перечисленных ферментов гидролизуются до свободных аминокислот. На скорость гидролиза белков пищи указывает тот факт, что через 15 мин после приема человеком белка, содержащего меченые по азоту (15N) аминокислоты, изотоп 15N обнаруживается в крови. Максимальная концентрация аминокислот достигается через 30–50 мин после приема белка с пищей.

Гидролитическое расщеплением белков можно выразить следующей схемой:

147

Всасывание аминокислот происходит главным образом в тонком кишечнике, где функционируют специфические системы транспорта аминокислот. Кровотоком аминокислоты транспортируются во все ткани и органы.

2.3.1.1. Метаболизм аминокислот

Аминокислоты, которые поступают в организм в количествах, превышающих потребности биосинтеза клеточных белков, не могут запасаться и подвергаются метаболическим превращениям. Наиболее распространенными

иважными реакциями, в которых участвуют аминокислоты, являются трансаминирование (переаминирование), окислительное дезаминирование и декарбоксилирование.

Переаминирование представляет собой взаимопревращение a-аминокислоты и a-кетокислоты, катализируемое аминотрансферазой.

Вбольшинстве тканей млекопитающих имеются две аминотрансферазы – аналинаминотрансфераза и глутаматаминотрансфераза. Они катализируют перенос аминогрупп от большинства a-аминокислот с образованием аланина (из пировиноградной кислоты) и глутаминовой кислоты (из a-кетоглутаровой кислоты). Каждая аминотрансфераза специфична к определенным парам a-амино-

иa-кетокислот. Чаще всего в качестве акцепторной a-ке- токислоты используется a-кетоглутаровая кислота:

148

Большинство a-аминокислот являются субстратами аминотрансфераз, исключение составляют треонин, пролин и лизин.

Окислительное дезаминирование аминокислот происходит в клетках печени и почек. Продуктами окислительного дезаминирования аминокислот являются соответствующие a-кетокислоты. Этот процесс катализирует дегидрогеназа, коферментом которой может быть как НАД, так и НАДФ. Наиболее важной и распространенной является глутаматдегидрогеназа, катализирующая процесс:

Реакция, катализируемая глутаматдегидрогеназой, обратима, поэтому функция этого фермента заключается не только в том, чтобы катализировать дезаминирование аминокислот, но также и в том, чтобы ускорять процесс аминирования a-кетоглутаровой кислоты свободным аммиаком.

Декарбоксилирование аминокислот – важный метаболический процесс, в результате которого из аминокислот образуются биологически активные амины. Декарбоксилазы аминокислот – сложные ферменты, коферментом которых является пиридоксальфосфат. Приведем несколько примеров:

149

И глутаминовая, и -аминомасляная (ГАМК) кислоты относятся к нейромедиаторам – химическим соединениям, влияющим на передачу электрических потенциалов в нервномышечных синапсах. ГАМК ингибирует, а глутаминовая кислота активирует передачу нервных импульсов.

Декарбоксилирование гистидина приводит к образованию гистамина, который вызывает усиление деятельности желез внутренней секреции.

Подводя итог, можно констатировать, что конечными продуктами катаболизма аминокислот являются -кето- кислоты, амины, оксид углерода (IV), аммиак. Органические соединения вовлекаются в определенные метаболические процессы, оксид углерода (IV) беспрепятственно выводится из организма, а аммиак связывается с образованием глутамина, аспарагина, аспартата, мочевины. Рассмотрим пути связывания аммиака.

2.3.1.2. Пути связывания аммиака

Аммиак токсичен для центральной нервной системы, поэтому в организме существуют процессы, в которых происходит связывание (дезактивация) аммиака.

Основным путем связывания аммиака в мозге является образование глутамина:

Глутамин может использоваться не только для синтеза белка, но и для других метаболических процессов, следовательно, его можно рассматривать как хранилище аммиака. Подобным образом происходит образование аспарагина, катализируемое соответствующей синтетазой.

Другим путем связывания аммиака может служить восстановительное аминирование a-кетоглутаровой кислоты, в результате которого образуется глутаминовая кислота.

150