46)Класифікація ферментів.

Ферменти та коферменти, їх будова і значення в обміні речовин та енергії при м'язовій діяльності

Ферменти або ензими (від лат. fermentum - бродіння, закваска)- це специфічні білки тканин організму, які регулюють швидкість біохімічних реакції, тобто є біологічними каталізаторами. В основі їх каталітичної дії лежать загальні фізико-хімічні та термодинамічні закономірності хімічної кінетики . В основу класифікації ферментів покладено тип реакції, яка піддається каталітичному впливу. Така класифікація об'єднує ферменти в групи по типу найважливіших біохімічних процесів, що лежать в основі життєдіяльності будь-якого організму. За цим принципом всі ферменти ділять на 6 класів:

1.Оксидоредуктази-прискорюють реакції окиснення-відновлення, наприклад каталаза, оксидаза.

2.Трансферази-прискорюють реакції перенесення функціональних груп і молекулярних залишків(наприклад, амінотрансфераза)

3. Гідролази - прискорюють реакції гідролітичного розпаду.(всі травні ферменти,напр.амілаза, ліпаза,трипсин.

4. Ліази- прискорюють негідролітичне відщеплення від субстратів певних груп атомів із заснуванням подвійний зв'язку (чи приєднують групи атомів по подвійний зв'язку). Наприклад-декарбоксилаза, альдолаза.

5. Ізомерази - прискорюють просторові чи структурні перебудови межах однієї молекули, (цис-транс-ізомерази).

6. Лігази - прискорюють реакції синтезу, пов'язані з розпадом багатих енергією зв'язків. (Пептидсинтетаза, ДНК-синтетаза.) Ці класи і покладено основою нової наукової класифікації ферментів.

За будовою ферменти можуть бути однокомпонентними, простими білками і двокомпонентними,складними білками. Прості ферменти складаються лише з білкової частини(холоферменту), складні мають в своєму складі ще і небілкову частину-кофермент чи кофактор. Отже, кофермент - органічні сполуки небілкової природи, що беруть участь у ферментативній реакції як акцептори окремих атомів або атомних груп, що відщеплюються ферментом від молекули субстрата(речовин,на які діють ферменти). Кофермент формує активний центр ферменту, ту невелику ділянку молекули ферменту,де відбувається перетворення речовин. Більшість ферментів мають регуляторний центр, через який певні речовини змінюють його активність. Під час перебігу каталітичного процесу молекула коферменту не зазнає незворотних хімічних змін і може багаторазово використовуватись.

Фермент може реагувати з молекулами субстрату доти, доки не закінчиться його тривалість життя або він втратить активність,наприклад, через зміну умов внутрішнього середовища, що впливає на структуру білка-ферменту.

Більшість коферментів сполучені нетривкими зв'язками з апоферментами (білковою частиною ферменту). Проте існують коферменти (їх іноді називають простетичними групами ферментів), які дуже міцно зв'язані з білками. За хім. природою коферменти належать до різноманітних органічних речовин -- аліфатичних, ароматичних і гетероциклічних. Багато з них є похідними вітамі-нів і нуклеотидів. До найбільш поширених у природі коферментів належать нікотинамід-аденіндинуклеотид (НАД), нікотинаміоаденіндинуклеотидфос фат (НАДФ), тіамінпірофосфат (ТПФ), флавінаденіндинуклеотид (ФАД), коензим А (ко-А), ліпоєва кислота, піридоксальфосфат, 5-дезоксіаденозилкобаламін, аденозинтрифосфат, АТФ (див. Аденозинфосфорні кислоти) та деякі ін. Препарати ряду К.(АТФ, ТПФ, ФАД) використовують з лікувальною метою-- аліфатичних, ароматичних і гетероциклічних. Багато з них є похідними вітамінів і нуклеоти-дів. До найбільш поширених у природі К. належать нікотинамід-аденіндинуклеотид (НАД), нікотинаміоаденіндинуклеотидфос фат (НАДФ), тіамінпірофосфат (ТПФ), флавінаденіндинуклеотид (ФАД), коензим А (ко-А), ліпоєва кислота, піридоксальфосфат, 5-дезоксіаденозилкобаламін, аденозинтрифосфат, АТФ (див. Аденозинфосфорні кислоти) та деякі ін. Препарати ряду коферментів (АТФ, ТПФ, ФАД) використовують з лікувальною метою.

Хімічна природа найважливіших коферментів була з'ясована у роках минулого століття завдяки працям пр.Варбурга, Р.Куна, П.Каррера та інших. Виявилось,що роль коферментів в двокомпонентних ферментах грають більшість вітамінів(В1,В2,В6,В12 та ін.) чи сполук, побудованих за участю вітамінів(коензим А,НАД+ тощо). Це доводить,що що вітаміни необхідні для утворення і роботи ферментів,тому вони мають постійно надходити в організм. З іншого боку, функцію коферментів виконують такі спорлуки, як НS-глутатіон, численна група нуклеотидів та їх похідних,фосфорні ефіри деяких моносахаридів та інших речовин. Тобто,коферменти бувають вітаміновмісні і невітаміновмісні

Діяльність ферменту залежить від структурної організації білка. Зміни в структурі білка можуть призвести до втрати активності ферменту. Фермен-тативна активність залежить в основному від таких факторів: концентрація фермента і субстрата, температури, рН, наявності інгібіторів.

Властивості ферментів. Ферменти мають загальні з білками фізично-хімічні властивості: при гідролізі розщеплюються на амінокислоти; мають високу молекулярну масу; створюють колоїдні розчини; погано кристалі-зуються; дуже нестійкі до високих температу, солей, важких металів, кислот, лугів і т. п; мають антигенні властивості. Молекулярна маса ферментів має широку варіацію - від декілька десятків тисяч до декілька мільйонів.

-Вибірковість(специфічність)дії ферментів на різні хімічні речовини пов'язана з їхньою будовою. Молекули всіх ферментів мають один або кілька активних центрів, якими вони прикріплюються до тих речовин, на які можуть діяти. Тому їх дія завжди специфічна. Зазвичай ферменти каталізують багато послідовних реакцій, причому речовини, які утворилися за участю першого ферменту, є субстратом для другого.

-Висока активність-здатність однієї молекули ферменту розщеплювати чи синтезувати певну кількість субстрату за одиницю часу.

-Саморегуляція активності різними механізмами:

-протеолізом-відщепленням частини білка від тих ферментів, що утворюються в неактивному стані, наприклад, пепсиноген у шлунку таким шляхом перетворюються на активну форму-пепсин;

-фосфорилюванням-фефосфорилюванням (приєднанням та відщепленням фосфатного залишку)

-дією активаторів та інгібіторів, що взаємодіють із регуляторним центром ферменту і змінюють його структуру та діяльність. Завдяки цій властивості можлива автономна регуляція(саморегуляція) метаболізму в клітинах на рівні ферментів.

Дія ферментів у клітині завжди узгоджена і відбувається у певній послідовності. Це досягається завдяки тому, що ферменти локалізовані в різних ділянках клітинної мембрани. В органелах клітини ферменти також розміщені послідовно й утворюють упорядковані системи. Механізм дії ферментів полягає в тому, що ферменти взаємодіють зі своїм субстратом із утворенням фермент-субстратного комплексу, який дуже швидко розпадається на фермент та продукт реакції за схемою рівняння E+S ES*- E+P

Під час утворення цього комплексу фермент знижує енергію активації реагуючих речовин і швидкість реакції може збільшуватись в мільйон разів.

У цей час відома будова багатьох коферментів, ряд з них удалося одержати за допомогою хімічного синтезу. Крім того, відкриті коферменти, що не мають вітамінних попередників (карнитин, фосфаден, липоевая кислота).

Значення ферментів та коферментів в обміні речовин та м'язовій діяльності. В основі життєдіяльності організму лежать хімічні перетворення різних речовин, швидкість яких визначають ферменти - біологічні каталізатори. Харчотравлення, використання всіх корисних речовин, які надійшли в організм, ріст, згортання крові, м'язові скорочення і багато інших фізіологічних процесів - все це побудовано на чіткій, послідовній роботі ферментних систем. Під час м'язової діяльності та відновлення організму значно змінюється швидкість біохімічних реакції, що пов'язано зі змінами активності або кількості ферментів. Оскільки ферменти відіграють ключову роль в регуляції процесів метаболізму, а їхня діяльність регулюється через регуляторний та активний центри, то можна певним чином змінювати обмін речовин та поліпшувати стан здоров'я, працездатність та прискорювати відновлення організму.

Вивчення фармакологічної активності коферментів показало, що ці речовини, з одного боку, мають низьку токсичність і, з іншого, досить широкий спектр впливу на організм.

До числа коферментних препаратів вітамінної природи ставляться кокарбоксилаза (коферментная форма тіаміну - вітамін В1), піридоксальфосфат, (вітамін В6), кобамамід (вітамін В12). Група препаратів, створених на основі вітамінів, представлена піридитолом (похідна піридоксина) - має м'який стимулюючий ефект на тканини головного мозку; пантогамом (гомолог пантотеновой кислоти, що містить гаммааминомасляную кислоту); оксикобаламином (метаболіт вітаміну В12).

Кокарбоксилаза - кофермент, що утвориться в організмі людини із постачальника ззовні тіаміну. У спортивній медицині застосовується для лікування перенапруги міокарда й нервової системи, при печіночному синдромі, невритах і радикулітах.

Кобамамид - має всі властивості вітаміну В12 і анаболічну активність. У спортивній медицині застосовується для тих же цілей, що й вітамін В12, а також при перенапрузі міокарда, печіночному синдромі. Сприяє збільшенню маси кістякових м'язів при інтенсивних фізичних навантаженнях, поліпшенню швидкісно-силових показників і прискоренню відбудовних процесів після інтенсивних фізичних навантажень.

Оксикобаламин - є метаболітом цианкобаламина (вітамін В12). По фармакологічній дії близький вітаміну В12, але в порівнянні з ним швидше перетворюється в організмі в активну коферментну форму й довше зберігається в крові, тому що більш міцно зв'язується з білками плазми й повільніше виділяється із сечею. Показання до застосування такі ж, як для В12.

Піридоксальфосфат - є коферментной формою вітаміну В6 (піридоксина). Препарат має властивості вітаміну В6. Відрізняється тим, що робить швидкий терапевтичний ефект, може прийматися у випадках, коли порушено фосфорилирование пиридоксина

Пиридитол, енцефабол (пиритинол) - фармакологічний препарат, проявляє елементи психотропної активності, властивої антидепресантам, із седативною дією. Активує метаболические процеси в ЦНС, сприяє прискоренню проникнення глюкози через гематоєнцефалічний бар'єр, знижує надлишкове утворення молочної кислоти, підвищує стійкість тканин до гіпоксії.

Пантогам (гомолог пантотенової кислоти, що містить гаммаамино-масляную кислоту) - поліпшує обмінні процеси, підвищує стійкість до гіпоксії, зменшує реакції на болючі роздратування. Активізує розумову діяльність і фізичну працездатність. У складі комплексної терапії застосовують при черепно-мозковій травмі.

Карнітин - вітаминоподобна речовина, що частково надходить із їжею, частково синтезована в організмі людини. Сприяє окислюванню жирних кислот, синтезу амінокислот і нуклеинових кислот. У спортивній медицині рекомендований для підвищення працездатності у видах спорту з переважним проявом витривалості для прискорення плину процесів відновлення. У швидкісно-силових видах спорту робить стимулююча дія на ріст м'язів.

Флавінат - кофермент, що утвориться в організмі з рибофлавіну шляхом фосфорилирования при участі АМФ. Лікарська форма отримана синтетичним шляхом. Флавинат застосовують при відсутності ефекту від застосування вітаміну В2. Застосовують також при хронічних захворюваннях печінки, шлунково-кишкового тракту, шкірних захворюваннях.

Липоєва кислота - позитивно впливає на вуглеводний обмін. Прискорює окислювання вуглеводів і жирних кислот, сприяє підвищенню енергетичного потенціалу.

Каротин^-каротин-бета-каротин - в організмі перетворюється у вітамін А, коли ми відчуваємо його недостачу. Каротин^-каротин-бета-каротин, що надійшов з їжею, використовується організмом як антиоксидант.

Дослідження ферментів, їхньої активності та кількості в тканинах організму є досить об'єктивним діагностичним показником як в медицині, так і в практиці спорту.

Обидві фази м'язової діяльності - скорочення і розслаблення - протікають при обов'язковому використанні енергії, яка виділяється при гідролізі АТФ:

АТФ + Н20 - АДФ + Н3Р04 + енергія

Однак запаси АТФ в м'язових клітинах незначні і їх достатньо для м'язової роботи протягом 1-2 с. Тому для забезпечення більш тривалої м'язової діяльності в м'язах має відбуватися поповнення запасів АТФ. Утворення АТФ в м'язових клітинах безпосередньо під час фізичної роботи називається ресинтез АТФ і йде зі споживанням енергії. Залежно від джерела енергії виділяють кілька шляхів ресинтезу АТФ.

Аеробний шлях ресинтезу АТФ - це основний, базовий спосіб утворення АТФ, що протікає в мітохондріях м'язових клітин. У ході тканинного дихання від окислюваної речовини віднімаються два атоми водню і по дихальному ланцюгу передаються на молекулярний кисень - О2, доставляється кров'ю в м'язи з повітря, в результаті чого виникає вода. За рахунок енергії, що виділяється при утворенні води, відбувається синтез АТФ з АДФ і фосфорної кислоти. Зазвичай на кожну молекулу води доводиться синтез трьох молекул АТФ.

У спрощеному вигляді ресинтез АТФ аеробним шляхом може бути представлений схемою:

Найчастіше водень віднімається від проміжних продуктів циклу трикарбонових кислот - циклу Кребса. Цикл Кребса - це завершальний етап катаболізму, в ході якого відбувається окислення ацетилкофермента А до С02 і Н20. У ході цього процесу від перерахованих вище кислот віднімається 4 пари атомів водню і тому утворюється 12 молекул АТФ при окисленні однієї молекули ацетилкофермента А.

У свою чергу, ацетил-КоА може утворюватися з вуглеводів, жирів і амінокислот, тобто через ацетил-КоА в цикл Кребса залучаються вуглеводи, жири і амінокислоти:

Швидкість аеробного шляху ресинтезу АТФ контролюється вмістом у м'язових клітинах АДФ, який є активатором ферментів тканинного дихання. За рахунок аеробного шляху ресинтезу АТФ можливе виконання фізичних навантажень тільки помірної потужності.

Креатинфосфатний шлях ресинтезу АТФ

В м'язових клітинах завжди є креатинфосфат - з'єднання, що містить фосфатну групу, пов'язану із залишком креатину макроенергіческой зв'язком. Зміст креатинфосфату в м'язах у спокої - 15-20 ммоль / кг. Креатинфосфат володіє великим запасом енергії і високою спорідненістю до АДФ. Тому він легко вступає у взаємодію з молекулами АДФ, що з'являються в м'язових клітинах при фізичній роботі в результаті гідролізу АТФ. У ході цієї реакції залишок фосфорної кислоти з запасом енергії переноситься з креатинфосфату на молекулу АДФ з утворенням креатину та АТФ:

Ця реакція каталізується ферментом креатинкінази. У зв'язку з цим даний шлях ресинтезу АТФ ще називається креатинкіназним.

Гліколітичні шлях ресинтезу АТФ

Цей шлях ресинтезу, так само як і креатинфосфатного, відноситься до анаеробних способів утворення АТФ. Джерелом енергії, необхідної для ресинтезу АТФ, в даному випадку є м'язовий глікоген, концентрація якого в саркоплазмі коливається в межах 0,2-3%. При анаеробному розпаді глікогену від його молекули під впливом ферменту фосфорілази по черзі відщеплюються кінцеві залишки глюкози у формі глюкозо-1-фосфату. Далі молекули глюко-зо-1-фосфату через ряд послідовних стадій перетворюються на молочну кислоту, яка за своїм хімічним складом є як би половинкою молекули глюкози. У процесі анаеробного розпаду глікогену до молочної кислоти,що наз. гліколізом, утворюються проміжні продукти, що містять фосфатну групу з макроергічних зв'язків, яка легко переноситься на АДФ з утворенням АТФ.

Підсумкове рівняння анаеробного розщеплення глікогену має наступний вигляд:

фермент обмін речовина

Всі ферменти гліколізу знаходяться в саркоплазмі м'язових клітин.

Регулювання швидкості гліколізу здійснюється шляхом зміни активності двох ферментів: фосфорілази і фосфофруктокінази. Фосфорілаза каталізує першу реакцію розпаду глікогену - відщеплення від нього глюкозо-1 - фосфату. Цей фермент активується адреналіном, АМФ та іонами кальцію, а інгібується глюкозо-6-фосфатом і надлишком АТФ. Другий регуляторний фермент гліколізу - фосфофруктокінази - активується АДФ і особливо АМФ, а гальмується надлишком АТФ і лимонною кислотою. Наявність таких регуляторних механізмів призводить до того, що в спокої гліколіз протікає дуже повільно, при інтенсивній м'язовій роботі його швидкість різко зростає і може збільшуватися в порівнянні з рівнем спокою майже в 2000 разів, причому підвищення швидкості гліколізу може спостерігатися вже в передстартовому стані за рахунок виділення адреналіну.

Отже, з усього вищевказаного безсумнівно, що ферменти і коферменти мають надзвичайно важливе значення для обміну речовин і грають вирішальну роль в синтезі енергії для виконання м'язової роботи.