Регуляція активності ферментів та його способи. Регулювання активності ферментів. Медична ензимологія (біохімія) Шляхи регуляції активності ферментів у клітині

Будучи одиницею живої матерії, що функціонує як комплекс відкритих біосистем, клітина постійно обмінюється із зовнішнім середовищем речовинами та енергією. Для підтримки гомеостазу у ній існує група спеціальних речовин білкової природи - ензимів. Будова, функції, а також регулювання активності ферментів вивчаються спеціальною галуззю біохімії, яка називається ензимологією. У цій статті на конкретних прикладах ми розглянемо різні механізми та способи регуляції активності ферментів, властиві вищим ссавцям та людині.

Умови, необхідні для оптимальної активності ензимів

Біологічно активні речовини, що вибірково впливають як на реакції асиміляції, так і на розщеплення, виявляють свої каталітичні властивості в клітинах за певних умов. Наприклад, важливо з'ясувати, у якій ділянці клітини протікає хімічний процес, у якому беруть участь ензими. Завдяки компартментації (розподілу цитоплазми на ділянки) антагоністичні реакції відбуваються у різних її частинах та органоїдах.

Так, синтез білків здійснюється у рибосомах, які розщеплення - в гіалоплазмі. Клітинна регуляція активності ферментів, що каталізують протилежні біохімічні реакції, забезпечує як оптимальну швидкість протікання обміну речовин, а й перешкоджає формуванню енергетично марних метаболічних шляхів.

Мультиферментний комплекс

Структурно-функціональна організація ензимів утворює ферментативний апарат клітини. Більшість хімічних реакцій, які у ній, взаємопов'язані. Якщо багатостадійний продукт першої реакції є реагентом для наступної, у цьому випадку просторове розташування ензимів у клітині виражено особливо сильно.

Слід пам'ятати, що ферменти є за своєю природою простими чи складними білками. І їхня чутливість до клітинного субстрату пояснюється насамперед зміною власної просторової конфігурації третинної чи четвертинної структури пептиду. Ензими реагують і на зміни не тільки всередині клітинних параметрів, таких як хімічний склад гіалоплазми, концентрацію реагентів та продуктів реакції, температуру, а й на зміни, що відбуваються в сусідніх клітинах або міжклітинної рідини.

Чому клітина поділена на компартменти

Розумність та логічність устрою живої природи просто вражаюча. Це повною мірою стосується і життєвих проявів, характерних для клітини. Для вченого-хіміка цілком зрозуміло, що різноспрямовані ферментативні хімічні реакції, наприклад, синтез глюкози і гліколіз, не можуть протікати в одній і тій же пробірці. Як тоді відбуваються протилежні реакції в гіалоплазмі однієї клітини, що є субстратом для їх проведення? Виявляється, клітинний вміст – цитозоль, – в якому здійснюються антагоністичні хімічні процеси, просторово розділений та утворює ізольовані локуси – компартменти. Завдяки їм метаболічні реакції вищих ссавців та людини регулюються особливо точно, а продукти обміну перетворюються на форми, що вільно проникають через перегородки клітинних ділянок. Далі вони відновлюють свою первісну структуру. Крім цитозолю, ферменти містяться в органелах: рибосомах, мітохондріях, ядрі, лізосомах.

Роль ензимів у енергетичному обміні

Розглянемо окисне декарбоксилювання пірувату. Регуляція каталітичної активності ферментів у ньому добре вивчена ензимологією. Даний біохімічний процес протікає в мітохондріях – двомембранних органелах еукаріотичних клітин – і є проміжним процесом між безкисневим розщепленням глюкози та Піруватдегідрогеназний комплекс – PDH – містить три ферменти. У вищих ссавців та людини зниження його відбувається за підвищення концентрації Ацетил-КоА і NATH, тобто у разі появи альтернативних можливостей утворення молекул Ацетил-КоА. Якщо ж клітина потребує додаткової порції енергії та вимагає нових молекул акцептора для посилення реакцій циклу трикарбонових кислот, то ферменти активуються.

Що таке алостеричне інгібування

Регуляція активності ферментів може здійснюватись спеціальними речовинами - каталітичними інгібіторами. Вони можуть ковалентно зв'язуватися з певними локусами ензиму, минаючи активний центр. Це призводить до деформації просторової структури каталізатора і автоматично спричиняє зниження його ферментативних властивостей. Іншими словами, відбувається алостеричне регулювання активності ферментів. Додамо також, що така форма каталітичного впливу властива олігомерним ензимам, тобто тим, чиї молекули складаються з двох і більше білкових полімерних субодиниць. Розглянутий у попередньому заголовку PDH-комплекс якраз і містить три олігомерні ферменти: піруват дегідрогеназу, дегідроліпоїл дегідрогеназу і гідроліпоїл трансацетилазу.

Регуляторні ферменти

Дослідження в ензимології встановили те що, що залежить як від концентрації, і від активності каталізатора. Найчастіше метаболічні шляхи містять головні ферменти, регулюючі всіх його ділянках.

Вони називаються регуляторними і зазвичай впливають на початкові реакції комплексу, а також можуть брати участь у хімічних процесах, що найбільш повільно протікають в незворотних реакціях, або ж приєднаються до реагентів в точках розгалуження метаболічного шляху.

Як здійснюється пептидна взаємодія

Одним із способів, за допомогою якого відбуваються регуляція активності ферментів у клітині, є білок-білкова взаємодія. Про що мова? Здійснюється приєднання регуляторних білків до молекули ензимів, унаслідок чого відбувається їхня активація. Наприклад, фермент аденілатциклаза знаходиться на внутрішній поверхні клітинної мембрани і може взаємодіяти з такими структурами, як рецептор гормону, а також з пептидом, розташованим між ним та ферментом. Так як в результаті з'єднання гормону і рецептора проміжний білок змінює свою просторову конфірмацію, цей спосіб посилення каталітичних властивостей аденілатциклази в біохімії зветься активації внаслідок приєднання білків-регуляторів.

Протоміри та їх роль у біохімії

Ця група речовин, інакше звана протеїнкіназами, прискорять перенесення аніону PO 4 3- на гідроксогрупи амінокислот, що входять до пептидної макромолекули. Регуляція активності ферментів протомерів буде розглянута нами на прикладі протеїнкінази А. Її молекула - тетрамер, що складається з двох каталітичних і двох регуляторних пептидних субодиниць і не функціонує як каталізатор доти, поки до регуляторних ділянок протомера не прикріпляться чотири молекули цАМФ. Це спричиняє трансформацію просторової структури білків-регуляторів, що призводить до вивільнення двох активованих каталітичних білкових частинок, тобто відбувається дисоціація протомірів. Якщо ж від регуляторних субодиниць відокремлюються молекули цАМФ, то неактивний комплекс протеїнкінази знову відновлюється до тетрамеру, оскільки відбувається асоціація каталітичних та регуляторних пептидних частинок. Таким чином, розглянуті вище шляхи регулювання активності ферментів забезпечують їх оборотний характер.

Хімічна регуляція активності ферментів

Біохімія вивчила і такі механізми регулювання активності ферментів, як фосфорилювання, дефосфорилювання. Механізм регуляції активності ферментів у разі має такий вид: амінокислотні залишки ензиму, містять групи ОН - , змінюють свою хімічну модифікацію внаслідок на них фосфопротеинфосфатаз. У цьому випадку корекції піддається причому для одних ензимів це є причиною, що їх активує, а для інших – інгібуючої. У свою чергу, каталітичні властивості самих фосфопротеїнфосфатаз регулюються гормоном. Наприклад, тваринний крохмаль – глікоген – і жир у проміжках між прийомами їжі розщеплюються у шлунково-кишковому тракті, точніше, у дванадцятипалій кишці під впливом глюкагону – панкреатичного ферменту.

Цей процес посилюється завдяки фосфорилуванню трофічних ензимів ШКТ. У період активного травлення, коли їжа надходить із шлунка в дванадцятипалу кишку, синтез глюкагону посилюється. Інсулін - ще один фермент підшлункової залози, що виробляється альфа-клітинами острівців Лангерганса, - взаємодіє з рецептором, включаючи механізм фосфорилювання тих самих травних ензимів.

Частковий протеоліз

Як бачимо, рівні регуляції активності ферментів у клітині різноманітні. Для ензимів, що знаходяться поза цитозолем або органоїдами (у плазмі крові або в шлунково-кишковому тракті), способом їх активації служить процес гідролізу пептидних зв'язків CO-NH. Він необхідний, оскільки такі ферменти синтезуються у неактивній формі. Від молекули ензиму відщеплюється пептидна частина, а в структурі модифікації, що залишилася, піддається активний центр. Це призводить до того, що фермент "входить у робочий стан", тобто стає здатним впливати на перебіг хімічного процесу. Наприклад, неактивний фермент підшлункової залози трипсиноген не розщеплює білки їжі, що надходять у дванадцятипалу кишку. У ній під впливом ентеропептидази відбувається протеоліз. Після цього ензим активується і називається тепер трипсином. Частковий протеоліз – процес оборотний. Він відбувається у таких випадках, як активація ензимів, що розщеплюють поліпептиди, у процесах згортання крові.

Роль концентрації вихідних речовин у метаболізмі клітини

Регулювання активності ферменту доступністю субстрату частково розглядалося нами у підзаголовку «Мультиферментний комплекс». Швидкість протікання, що проходять у кілька стадій, сильно залежить від того, скільки молекул вихідної речовини знаходиться в гіалоплазмі або органелах клітини. Це з тим, що швидкість метаболічного шляху прямо пропорційна концентрації вихідної речовини. Чим більше молекул реагенту знаходиться в цитозолі, тим вища швидкість всіх наступних хімічних реакцій.

Алостеричне регулювання

Ферментам, активність яких контролюється не тільки концентрацією вихідних речовин-реагентів, але ще й речовинами-ефекторами, властива так звана Найчастіше такі ензими представлені проміжними продуктами обміну речовин у клітині. Завдяки ефекторам здійснюється регуляція активності ферментів. Біохімія довела, що такі сполуки, названі алостеричними ензимами, дуже важливі для метаболізму клітини, оскільки мають надзвичайно високу чутливість до змін її гомеостазу. Якщо ензим пригнічує хімічну реакцію, тобто знижує її швидкість його називають негативним ефектором (інгібітором). У протилежному випадку, коли спостерігається збільшення швидкості реакції, йдеться про активатор - позитивний ефектор. Найчастіше вихідні речовини, тобто реагенти, які у хімічні взаємодії, грають роль активаторів. Кінцеві ж продукти, що утворилися в результаті багатостадійних реакцій, поводяться як інгібітори. Такий вид регуляції, побудованої на взаємозв'язку концентрації реагентів та продуктів, називається гетеротрофним.

Активність ферментів може змінюватись під впливом різних зовнішніх факторів. Речовини, здатні впливати на активність ферментів, позначають як модулятори ферментів. У свою чергу модулятори поділяють на дві групи:

1. Активатори. Під впливом відбувається збільшення активності ферментів. Як активатори можуть виступати катіони металів. Наприклад, Na+ є активатором амілази слинних залоз людини.

2. Інгібітори.Речовини, під впливом яких відбувається зменшення активності ферментів.

Інгібітори представляють велику групу речовин, що розрізняються за механізмом інгібуючої дії.

За тривалістю інгібуючого ефекту інгібітори поділяються на:

· незворотні(які при взаємодії із ферментом назавжди позбавляють його ферментативної активності);

· оборотні(які тимчасово зменшують активність ферменту).

Механізм дії незворотних інгібіторів можна описати наступним рівнянням:

In + E EIn,

де EIn– комплекс ферменту з інгібітором, в якому він не має каталітичних властивостей.

Як правило, незворотні інгібітори взаємодіють із функціональними групами активного центру ферменту. Вони ковалентно з'єднуються з ними і таким чином блокують їх. Внаслідок цього фермент втрачає здатність взаємодіяти з субстратом.

Класичним прикладом незворотних інгібіторів є фосфорорганічні речовини. Протягом багатьох років як таке в біохімічних дослідженнях використовується діізопропілфторфосфат (ДФФ). Фосфорорганічні сполуки з'єднуються із залишком серину в активному центрі ферменту:

До ферментів, які містять в активному центрі серин, належать холінестераза, трипсин, еластаза та ін.

Як інші незворотні інгібітори широке застосування знаходять алкілуючі агенти. Ці сполуки взаємодіють із SH-групами цистеїну або імідазальними радикалами гістидину в активному центрі. Механізм незворотного інгібування ферментів йодацетамідом:

Як алкілуючі агенти як незворотні інгібітори в біохімії знаходять застосування йодацетамід, монойодацетат та ін.

Явище незворотного інгібування використовується у народному господарстві та медицині. На ньому ґрунтується застосування інсектицитів (засобів для боротьби з комахами), деяких лікарських препаратів (антихолінестеразні засоби). На їх основі створено бойові отруйні речовини нервово-паралітичної дії із групи фосфорорганічних сполук.

На відміну від інгібіторів незворотного впливу оборотні інгібітори лише певний проміжок часу знижують активність ферментів. Механізм їхнього інгібуючого ефекту можна представити у вигляді наступних рівнянь реакцій:

In+ E EIn

In + ES ESIn

Як випливає з представлених рівнянь реакцій, оборотні інгібітори оборотно приєднуються до ферменту або фермент-субс-тратного комплексу. У цьому фермент втрачає свої каталітичні властивості.

Оборотні інгібітори за механізмом інгібуючого ефекту поділяються на конкурентніі неконкурентні,які відрізняються один від одного за механізмом інгібуючої дії на фермент.

У разі неконкурентного інгібування інгібітор оборотно приєднується до ферменту над його активному центрі. У цьому випадку змінюється конформація активного центру, що призводить до оборотної інактивації ензиму. Під впливом конкурентного інгібітора немає зміни спорідненості ферменту для його субстрату, тобто. не змінюється величина Дом, але знижується максимальна швидкість ферментативної реакції ( V max). Як неконкурентні інгібітори можуть виступати проміжні продукти обміну речовин.

Молекули конкурентних інгібіторів мають певну схожість із справжнім субстратом ферменту. Класичним прикладом конкурентних інгібіторів є малонова кислота, яка оборотно знижує активність ферменту сукцинатдегідрогенази.

Бурштинова кислота Малонова кислота

З представлених формул видно, що малонова кислота дійсно сильно нагадує за будовою бурштинову. Структурна подібність дозволяє малоновій кислоті зв'язуватися з активним центром ферменту сукцинатдегідрогенази. Однак ця сполука не здатна вступати в реакцію, що каталізується цим ферментом (реакцію дегідрування). Тому інгібітор приєднується до активного центру ферменту, блокуючи цим можливість його взаємодії з істинним субстратом. Таким чином, під впливом конкурентного інгібітора різко знижується спорідненість ферменту до субстрату (зростає величина Дом), але не змінюється величина V max. Явище конкурентного інгібування може бути зняте шляхом різкого підвищення концентрації субстрату реакційної суміші.

Таким чином, конкурентні інгібітори, на відміну від неконкурентних, зв'язуються з активним центром ферменту, внаслідок чого настає різке підвищення величини Дом до субстрату, що лежить в основі оборотного зниження його активності.

Як фізіологічний конкурентний інгібітор сукцинатдегідрогенази виступає щавлево-оцтова кислота. Як видно з представленого малюнка, цей проміжний продукт обміну речовин також має певну структурну схожість із янтарною кислотою. Конкурентне інгібування сукцинатдегідрогенази щавлево-оцтовою кислотою відіграє важливу роль у регуляції окисно-відновних перетворень у мітохондріях:

Існує ще один вид регулювання активності ферментів - алостеричне регулювання. Він притаманний особливої ​​групи ензимів – алостеричних ферментів. До алостеричних ферментів відносяться олігомерні білки, в структурі яких є регуляторні (алостеричні) центри.

У складі молекул алостеричних ферментів виділяються два типи субодиниць:

1) каталітичні(З);

2) регуляторні (R).

Каталітичні субодиниці представлені поліпептидним ланцюгом, на якому знаходиться активний центр ферменту. Регуляторні субодиниці містять у своїй структурі регуляторний (алостеричний) центр. Алостеричний центрявляє собою ділянку молекули, здатну специфічно взаємодіяти з регулятором ферменту. Відповідно регулятори можуть бути як активаторів, і інгібіторів ферменту.

Зв'язування алостеричного регулятора з регуляторним центром відбувається за рахунок стеричної відповідності його молекули алостеричному центру. Зважаючи на геометричну подібність поверхні молекули регулятора та тривимірної структури алостеричного центру між ними відбувається оборотна специфічна взаємодія. Утворюється комплекс, що стабілізується силами слабких взаємодій. Особливого значення при цьому набувають Ван-дер-Ваальсові сили. Крім них, у стабілізації комплексу регулятора з алостеричним центром беруть участь водневі зв'язки, а також гідрофобні та електростатичні взаємодії.

В результаті взаємодії ферменту з алостеричним інгібітором в молекулі білка виникають конформаційні зрушення поліпептидного ланцюга регуляторної субодиниці. Їх виникнення позначається на взаємодії З- І R-субодиниць. Внаслідок цього повторно змінюється конформація поліпептидного ланцюга каталітичної субодиниці. Подібна перебудова супроводжується виникненням зрушень у структурі активного центру, наслідком чого є зниження спорідненості активного центру до субстрату (підвищення величини Дом), що визначає інгібування ферменту (рис. 33).

Малюнок 33 – Механізм алостеричного інгібування ферменту

Приєднання алостеричного інгібітора до алостеричного центру призводить до зміни конформації активного центру на каталітичній субодиниці ферменту та зниження його спорідненості до субстрату.

Алостеричне інгібування є оборотним. Дисоціація комплексу R-субодиниці з інгібітором супроводжується відновленням вихідної конформації поліпептидних ланцюгів субодиниць, внаслідок чого спорідненість активного центру до субстрату відновлюється

Дуже часто в ролі алостеричних інгібіторів виступає продукт реакції або метаболічного шляху, в якому бере участь фермент. Процес інгібування ферменту продуктом реакції називається ретроінгібуванням.

Ретроінгібування лежить в основі механізму негативного зворотного зв'язку в регуляції обмінних процесів та підтримці гомеостазу. За рахунок нього забезпечується підтримка постійного рівня різних проміжних продуктів обміну речовин у клітинах. Прикладом ретроінгібування може бути інгібування гексокінази продуктом реакції глюкозо-6-фосфатом:

У деяких випадках пригнічення відбувається не за рахунок кінцевого продукту реакції, а кінцевого продукту процесу, в якому відбувається реакція. Ретроінгібування ферменту Епродуктом процесу Р:

де Б, У, Р, Д – проміжні продукти.

У представленій послідовності перетворень як алостеричний інгібітор ферменту Евиступає продукт процесу - Р. Подібний механізм ретроінгібування широко зустрічається у клітинах. Як приклад можна навести інгібування ферменту ацетил-КоА-карбоксилази, що бере участь у синтезі вищих жирних кислот, кінцевим продуктом синтезу жирних кислот – пальмітинової кислоти.

Аналогічним, але протилежним чином діють на алостеричні ферменти алостеричні активатори. У відсутності активатора фермент має низьку спорідненість до субстрату. Однак при з'єднанні алостеричного центру з активатором відбувається підвищення спорідненості каталітичного центру до субстрату, що супроводжується підвищенням швидкості перетворення субстрату. Як алостеричні активатори часто виступає молекула субстрату реакції. У цьому вся закладено глибокий біологічний сенс. У разі, як у клітині зростає зміст субстрату, підтримки постійності внутрішнього середовища виникає потреба у його утилізації. Це досягається за рахунок активації ферменту, що каталізує його перетворення. Прикладом такої активації може бути активація глюкокінази глюкозою.

Алостеричні ферменти, у яких субстрат виступає у ролі активатора, називаються гомотропними. На цих ферментах є кілька однакових за будовою центрів зв'язування субстрату, які в залежності від умов можуть виконувати функцію регуляторних і каталітичних центрів ферменту.

Як протилежність гомотропних ферментів існують гетеротропні ензими. Останні регулюються модуляторами, структура яких відрізняється від субстрату. Тому в їх структурі виділяються істотно різняться за будовою активнийі алостеричнийцентри.

Дуже часто той самий алостеричний фермент виявляється здатним взаємодіяти з кількома різними модуляторами – активаторами та інгібіторами. Як приклад можна навести фермент - фосфофрктокіназу (ФФК), яка каталізує наступну реакцію:

При цьому різні модулятори зазвичай мають свої ділянки зв'язування на молекулі ферменту.

Кінетика гомотропних ферментів відрізняється від кінетики неалостеричних ензимів. Графік залежності швидкості реакції від концентрації субстрату має не гіперболічну, а сигмовидную форму (рис. 34).

Рисунок 34 – Кінетика гомотропних ферментів

Тому для розрахунку Дом у них неприйнятне рівняння Міхаеліса-Ментен.

Сигмовидний характер кінетики алостеричних ферментів пов'язані з особливим – кооперативним характером взаємодії окремих субодиниць ензиму з субстратом. Зв'язування кожної наступної молекули субстрату з ділянкою зв'язування сприяє виникненню конформаційних перебудов у сусідніх субодиницях, наслідком чого стає підвищення їх спорідненості до субстрату.

Ізоферменти

Важливе значення у забезпеченні ефективного перебігу обмінних процесів у клітинах мають ізоферменти. Ізоферменти є генетично детермінованими множинними формами ферменту, що каталізують одну і ту ж реакцію, але мають різну структуру і фізико-хімічні властивості.

Типовим ферментом, представленим ізоферментами, є лактатдегідрогеназа (ЛДГ). Цей ензим каталізує наступну реакцію.

При електрофорезі сироватки крові людини в крові виявляється п'ять різних білкових фракцій, які мають здатність каталізувати лактатдегідрогеназну реакцію. Таким чином, можна дійти висновку про існування п'яти ізоферментів ЛДГ (рис. 35).

Рисунок 35 - Розподіл ізоферментів ЛДГ на електрофорерограмі (електрофорез проводиться при рН 6,8)

Важливе значення пояснення феномена існування ізоферментів має те що, що ізоферменти зустрічаються лише в ферментів – олігомерних білків. Їхня молекула складається не менше ніж з двох субодиниць.

Що ж до ЛДГ, цей фермент є тетрамер, тобто. у його молекулу входить чотири окремі субодиниці. При цьому існує два різних типи субодиниць ЛДГ – М-тип (м'язовий) та Н-тип (серцевий). Субодиниця є поліпептидним ланцюгом, структура якого кодується відповідним геном, що і визначає генетичну природу ізоферментів. Зважаючи на те, що поліпептиди субодиниць є продуктами різних генів, вони мають:

· Різний амінокислотний склад (первинну структуру);

· Неоднакові фізико-хімічні властивості (електрофоретичну рухливість);

· Особливості синтезу в різних тканинах.

Зважаючи на відмінності в структурі, ізоферменти відрізняються і по кінетиці (спорідненості до субстрату), особливостям регуляції активності, а також локалізації в клітинах еукаріотів і тканинної специфічності у вищих організмах.

До складу тетрамера молекули ЛГД можуть входити різні типи субодиниць у різних співвідношеннях. При утворенні тетрамеру можлива наступна комбінація субодиниць:

З цієї причини стає зрозумілою причина існування п'яти ізоферментів ЛДГ: ЛДГ 1 має мінімальну електрофоретичну рухливість, а ЛДГ 5 – максимальну.

Гени ізоферментів ЛДГ по-різному експресуються у різних тканинах: у серцевому м'язі синтезується лише субодиниця Н-типу. Тому тут утворюється лише ЛДГ 1 , яка складається винятково із цього типу суєдиниць. У печінці та скелетних м'язах синтезується лише суїдиниця М-типу. Тому тут утворюється і функціонує лише ізофермент ЛДГ 5 , що складається виключно з М-субодиниць. В інших тканинах з різною швидкістю експресуються гени, що кодують і Н-, і М-субодиниці. Тому вони можуть утворюватися різні проміжні форми ізоферментів ЛДГ (ЛДГ 2 –ДГ 4).

Зважаючи на те, що субодиниці розрізняються за амінокислотним складом, вони мають неоднакову молекулярну масу і електричний заряд. Це зумовлює їх різні фізико-хімічні властивості.

Крім відмінностей фізико-хімічних властивостей, ізоферменти сильно розрізняються за каталітичними властивостями (за кінетичними параметрами: для них характерна різна величина числа обертів ( V max) та спорідненості до субстрату ( Дом), а також щодо чутливості до дії різних регуляторів).

Так, у ЛДГ 1 величина Дом по відношенню до молочної кислоти становить 0,0044 Мтоді як у ЛДГ 5 – 0,0256 М. Сечовина виявляє властивості інгібітора щодо ЛДГ 5 , але не впливає на ЛДГ 1 . При цьому як інгібітор ЛДГ 1 виступає піровиноградна кислота, яка не має аналогічного ефекту на ЛДГ 5 .

Таким чином, ізоферменти розрізняють за структурою та властивостями, а їхнє існування генетично детерміноване. При цьому виникає питання щодо біологічної доцільності ізоферментів.

Для того щоб розібратися в цьому питанні необхідно мати на увазі, що в різних відділах (компартментах) клітини еукаріотів, а також у різних тканинах багатоклітинного організму, існують різні умови. У них міститься неоднакова концентрація тих самих субстратів і кисню. Їх характерна різна величина рН і іонний склад. Тому в клітинах різних тканин, а також у різних компартментах клітини ті самі хімічні перетворення фактично протікають у неоднакових умовах. У зв'язку з цим існування ізоферментів, що мають відмінності в каталітичних та регуляторних властивостях, дозволяє

1) здійснювати одні й самі хімічні перетворення з однаковою ефективністю за різних умов;

2) забезпечувати тонке регулювання каталітичних перетворень відповідно до особливостей розподілу регуляторів у відповідному компартменті клітини та різних тканинах.

Вказане може бути проілюстроване особливостями властивостей цитоплазматичного та мітохондріального ізоферментів карбамоілфосфатсинтази. Цей фермент каталізує реакцію синтезу карбамоілфосфату.

Карбамоілфосфат, що утворюється в мітохондріях, під дією мітохондріального ізоферменту далі залучається до процесу утворення сечовини, а карбамоілфосфат, що утворюється під впливом цитоплазматичного ізоферменту, потім використовується для синтезу піримідинових нуклеотидів. Природно, що ці ферменти, пов'язані з різними обмінними процесами, розділені просторово і мають різні каталітичні і регуляторні властивості. Їхня присутність в одній клітині дозволяє одночасно відбуватися двом різним процесам, пов'язаним з використанням одного попередника.

Таким чином, існування ізоферментів має важливе біологічне значення, пов'язане з можливістю перебігу тих самих ферментативних процесів у різних умовах і з цієї причини генетично детерміновано.

Контрольні питання

1. У чому полягає подібність та відмінність між ферментами та небілковими каталізаторами?

2. Перерахуйте основні класи ферментів та охарактеризуйте їх.

3. На чому ґрунтується сучасна міжнародна номенклатура ферментів?

4. Дайте визначення поняття «енергетичний бар'єр реакції».

5. Які погляди на механізм зниження ферментами енергетичного бар'єру реакції?

6. У чому полягає фізичний зміст константи Міхаеліса та максимальної швидкості реакції?

7. У яких одиницях вимірюється константа Міхаеліса та максимальна швидкість реакції?

8. Чому за підвищення температури реакційної суміші до температурного оптимуму швидкість ферментативної реакції зростає?

9. Які види специфічності ферментів вам відомі? Із чим пов'язана специфічність ферментів?

10. Чому активність ферментів залежить від рН середовища? Активність яких ферментів більшою мірою залежить від цього фактора?

11. Які методи кількісного визначення ферментів вам відомі?

12. У чому вимірюється активність ферментів?

13. У чому полягають принципові різницю між оборотними і незворотними інгібіторами?

14. Що таке конкурентні інгібітори? Які конкурентні інгібітори ви знаєте?

15. Який механізм алостеричного інгібування?

16. У чому полягає біологічна доцільність існування ізоферментів?

17. Які методи фракціонування ізоферментів вам відомі?

Глава 6. ВІТАМІНИ

Вітамінаминазиваються органічні речовини, які у малих кількостях необхідні забезпечення нормального обміну речовин і фізіологічних функцій, не синтезуються у організмі є обов'язковими компонентами їжі.

Необхідність вітамінів задля забезпечення життєдіяльності організму пов'язані з тим, більшість з них бере участь у освіті коферментів. Зважаючи на те, що для забезпечення нормальної течії каталітичних процесів потрібні дуже невеликі кількості ферментів, які до того ж не витрачаються в процесі хімічних реакцій, вітаміни теж необхідні організму в дуже невеликих кількостях.

Нині відомо понад 20 вітамінів. Основними їх джерелами є:

· їжа тваринного та рослинного походження;

· сапрофітна мікрофлора товстого кишечника;

· Провітаміни.

Провітаміниявляють собою попередники вітамінів, з яких в організмі різними шляхами відбувається утворення активних вітамінів. До них належать каротин (провітамін А), 7-дегідро-холестерин (провітамін D) та ін.

Окрім вітамінів, виділяється особлива група вітаміноподібних речовин. Ці речовини мають властивості вітамінів, але синтезуються в організмі людини. До них відносяться карнітин, інозитол, ліпоєва кислота, холін, пангамова кислота, вітамін U та ін. Вітаміноподібні речовини виявляють властивості вітамінів у відповідних видів організмів.

Поряд із вітамінами існує група речовин – антагоністів, які позначаються терміном антивітаміни. До них відносяться речовини, що виявляють дію, протилежну дії вітамінів.

Антивітаміни можна умовно поділити на дві групи залежно від механізму їхнього антивітамінного ефекту.

1. Ферменти, які руйнують вітаміни. Прикладом представників цієї групи можуть бути тіаміназа (фермент, що каталізує перетворення вітаміну В 1), аскорбатоксидаза (фермент, що каталізує перетворення вітаміну С) і т.д.

2. Речовини, що мають подібну до вітамінів структуру, за рахунок чого здатні вступати з вітамінами в конкурентні відносини за загальні ділянки зв'язування. У цю групу входять і похідні вітамінів (оксітіамін та ін.).

Потреба у вітамінах залежить від багатьох різних причин. До них відносяться стать, вік, пора року, географічна широта проживання, фізичний стан, характер праці, стан здоров'я та ін.

У тому випадку, коли виникає порушення відповідності між потребою організму у вітаміні та рівнем його надходження до організму, настає стан вітамінного дисбалансу. Проявом вітамінного дисбалансу можуть бути:

· гіповітамінози;

· Авітамінози;

· Гіпервітамінози.

Гіповітамінозиявляють собою стани, за яких зменшується вміст вітаміну в організмі. Існує дві основні групи причин ( зовнішніі внутрішні), які призводять до їх виникнення.

1. До зовнішніх належать причини, що призводять до зниження надходження вітамінів в організм з їжею (голодування, вживання продуктів, що містять малу кількість вітамінів або підданих неправильній кулінарній обробці).

2. Внутрішні причини пов'язані зі збільшенням потреби організму у вітамінах при певних станах (дитячий вік, вагітність, важка фізична праця, при стресі та різних внутрішніх захворюваннях) або з порушенням засвоєння вітамінів в організмі (при різних захворюваннях, пов'язаних із ураженням шлунково-кишкового тракту ).

Гіповітамінози мають досить широке поширення. Особливо часто вони зустрічаються у весняний період року.

Авітамінозиє крайню форму гіповітамінозів. Вони характеризуються зникненням із організму окремих вітамінів. Найчастіше причиною авітамінозів є припинення надходження вітамінів в організм із їжею. Нині цей стан трапляється досить рідко. Воно може виникати у тих контингентів людей, які працюють в екстремальних умовах (військові, геологи, моряки та ін.).

Гіпервітамінозявляють собою стани, за яких збільшується вміст вітамінів в організмі. Причиною їх виникнення найчастіше є збільшення надходження вітамінів із їжею. Найбільш характерним є виникнення гіпервітамінозів для жиророзчинних вітамінів. Воно може виникати при тривалому вживанні продуктів, багатих певними вітамінами, а також від передозування вітамінних препаратів.

Класифікація вітамінів

В основу сучасної класифікації вітамінів покладено їх раст-воримість. За цією ознакою всі вітаміни поділяються на:

· жиророзчинні- Вітаміни А, D, Е, К, F, Q;

· водорозчинні- Вітаміни група В (В 1, В 2, В 3, В 5, В 6, В 12, В с), а також РР, С, Н і рутин.

Жиророзчинні вітаміни

Для цієї групи вітамінів характерний цілий ряд загальних властивостей:

1. До структури багатьох жиророзчинних вітамінів входять залишки молекул ізопрену. Вони з'єднуються один з одним у ланцюги певної довжини, які багато в чому визначають нерозчинність жиророзчинних вітамінів у воді і навпаки – хорошу розчинність в органічних розчинниках:

2. Для забезпечення всмоктування жиророзчинних вітамінів необхідна наявність достатньої кількості жовчних кислот у кишечнику, а також достатній вміст жирів, як їх розчинників, у їжі.

3. Зважаючи на те, що жиророзчинні вітаміни нерозчинні у воді, вони переносяться в організмі кров'ю за допомогою спеціальних білкових переносників. Як правило, кожен вітамін переноситься своїм білком-переносником.

4. Жиророзчинні вітаміни здатні накопичуватися у тканинах внутрішніх органів. Як їх “депо” найчастіше виступає тканина печінки. Припинення надходження жиророзчинних вітамінів з їжею не відразу призводить до виникнення гіповітамінозу. Це з тим, що організм протягом деякого часу здатний забезпечуватися ними зі своїх “депо”.

5. Для більшості жиророзчинних вітамінів не характерна коферментна функція.

6. Біологічна роль жиророзчинних вітамінів пов'язана з тим, що вони мають здатність регулювати експресію генів.

Однак, незважаючи на певні подібності, жиророзчинні вітаміни мають суттєві особливості у прояві свого біологічного ефекту.

Вітамін А

Ферменти є регульованими каталізаторами. Як регулятори можуть виступати метаболіти, отрути. Розрізняють:

- активатори- Речовини, що збільшують швидкість реакції;

- інгібітори- Речовини, що зменшують швидкість реакції.

Активація ферментів. Різні активатори можуть зв'язуватися або з активним центром ферменту або поза ним. До групи активаторів, які впливають активний центр, ставляться: іони металу, коферменти, самі субстрати.

Активація за допомогою металів протікає за різними механізмами:

Метал входить до складу каталітичної ділянки активного центру;

Метал із субстратом утворюють комплекс;

За рахунок металу утворюється мости між субстратом та активним центром ферменту.

Субстрати також є активаторами. У разі збільшення концентрації субстрату швидкість реакції підвищується. по досягненню концентрації насичення субстрату ця швидкість не змінюється.

Якщо активатор зв'язується поза активним центром ферменту, то відбувається ковалентна модифікація ферменту:

1) частковий протеоліз (обмежений протеоліз). Таким чином, активуються ферменти травного каналу: пепсин, трипсин, хімотрипсин. Трипсин має стан проферменту трипсиногену, що складається з 229 залишків АК. Під дією ферменту ентерокінази та з додаванням води він перетворюється на трипсин, при цьому відщеплюється гексапептид. Змінюється третинна структура білка, формується активний центр ферменту і він перетворюється на активну форму.

2) фосфорилювання – дефосфорилювання. Пр.: ліпаза + АТФ = (протеїнкіназа) фосфорильована ліпаза + АДФ. Це трансферна реакція, яка використовує АТФ фосфат. При цьому здійснюється перенесення групи атомів від однієї молекули до іншої. Фосфорильована ліпаза є активною формою ферменту.

Таким шляхом відбувається активація фосфорилази: фосфорилаза B+ 4АТФ= фосфорилаза А+ 4АДФ

Також при зв'язуванні активатора поза активним центром відбувається дисоціація неактивного комплексу"білок-активний фермент". Наприклад, протеїнкіназа - фермент, який здійснює фосфорилювання (цАМФ-залежне). Протеїнкіназа – це білок, що має четвертинну структуру і складається з 2-х регуляторних та 2-х каталітичних субодиниць. R 2 C 2 +2цАМФ = R2 цАМФ 2 + 2С. Такий тип регуляції називається алостеричною регуляцією (активацією).

Інгібування ферментів. Інгібітор - це речовина, що викликає специфічнезниження активності ферменту. Слід розрізняти інгібування та інактивацію. Інактивація - це, наприклад, денатурація білка в результаті дії агентів, що денатурують.

За міцністю зв'язуванняінгібітора з ферментом інгібітори ділять на оборотні та незворотні.

Необоротні інгібіториміцно пов'язані і руйнують функціональні групи молекули ферменту, які необхідні прояви його каталітичної активності. Всі процедури очищення білка не впливають на зв'язок інгібітора і ферменту. Пр.: дія фосфорорганічних сполук на фермент – холінестеразу. Хлорофос, зарин, зоман та ін фосфорорганічні сполуки зв'язуються з активним центром холінестерази. Внаслідок цього відбувається фосфорилювання каталітичних груп активного центру ферменту. Внаслідок молекули ферменту, пов'язані з інгібітором, не можуть зв'язуватися з субстратом і настає важке отруєння.

Також виділяють оборотні ігнібіторинаприклад прозерин для холінестерази. Оборотне інгібування залежить від концентрації субстрату та інгібітора і знімається надлишком субстрату.

За механізмом діївиділяють:

Конкурентне інгібування;

Неконкурентне інгібування;

Субстратне інгібування;

Алостеричне.

1) Конкурентне (ізостеричне) інгібування- це гальмування ферментативної реакції, спричинене зв'язуванням інгібітора з активним центром ферменту. При цьому інгібітор має схожість із субстратом. У процесі відбувається конкуренція за активний центр: утворюються фермент-субстратні та інгібітор-ферментні комплекси. E+S®ES® EP® E+P; E+I® E. Пр.: сукцинатдегідрогеназна реакція [рис. COOH-CH 2 -CH 2 -COOH®(над стрілкою СДГ, під ФАД®ФАДН 2) COOH-CH=CH-COOH]. Справжнім субстратом цієї реакції є сукцинат (бурштинова кислота). Інгібітори: малонова кислота (COOH-CH 2 -COOH) і оксалоацетат (COOH-CO-CH 2 -COOH). [Мал. ферменту з 3 дірками + субстрат + інгібітор = комплекс інгібітора з ферментом]

Пр.: фермент холінестераза каталізує перетворення ацетилхоліну на холін: (CH 3) 3 -N-CH 2 -CH 2 -O-CO-CH 3 ® (над стрілкою ХЕ, під - вода) CH 3 СOOH+(CH 3) 3 - N-CH2-CH2-OH. Конкурентними інгібіторами є прозерин, севін.

2) Неконкурентне інгібування– гальмування, пов'язане з впливом інгібітора на каталітичне перетворення, але не зв'язування ферменту з субстратом. У цьому випадку інгібітор може зв'язуватися і з активним центром (каталітична ділянка) і поза ним.

Приєднання інгібітора поза активним центром призводить до зміни конформації (третинної структури) білка, внаслідок чого змінюється конформація активного центру. Це стосується каталітичної ділянки і заважає взаємодії субстрату з активним центром. При цьому інгібітор не має подібності до субстрату і це інгібування не можна зняти надлишком субстрату. Можливе утворення потрійних комплексів фермент-інгібітор-субстрат. Швидкість такої реакції не буде максимальною.

До неконкурентних інгібіторів відносять:

Ціаніди. Вони зв'язуються з атомом заліза в цитохромоксидазі і в результаті фермент втрачає свою активність, а т.к. це фермент дихального ланцюга, що порушується дихання клітин і вони гинуть.

Іони важких металів та їх органічні сполуки (Hg, Pb та ін.). Механізм їхньої дії пов'язаний зі з'єднанням їх із різними SH-групами. [Мал. ферменту із SH-групами, іона ртуті, субстрату. Все це поєднується у потрійний комплекс]

Ряд фармакологічних засобів, які мають уражати ферменти злоякісних клітин. Сюди відносяться інгібітори, що використовуються в сільському господарстві, побутові отруйні речовини.

3) Субстратне інгібування- Гальмування ферментативної реакції, викликане надлишком субстрату. Відбувається внаслідок утворення фермент-субстратного комплексу, нездатного піддаватися каталітичному перетворенню. Його можна зняти та зменшити концентрацію субстрату. [Мал. зв'язування ферменту одночасно з 2 субстратами]

4) Алостеричне інгібування – гальмування ферментативної реакції, викликане приєднанням алостеричного інгібітору в алостеричному центрі алостеричного ферменту. Такий тип пригнічення характерний для алостеричних ферментів, що мають четвертинну структуру. Як інгібітори можуть виступати метаболіти, гормони, іони металів, коферменти.

Механізм дії:

а) приєднання інгібітору до алостеричного центру;

б) змінюється конформація ферменту;

в) змінюється конформація активного центру;

г) порушується компліментарність активного центру ферменту субстрату;

д) зменшується кількість молекул ES;

е) зменшується швидкість ферментативної реакції.

[Мал. фермент з 2 дірками, до однієї алостеричний інгібітор та друга змінює форму]

До особливостей алостеричних ферментів відносять інгібування по негативному зворотному зв'язку. A®(E 1)B®(E 2) C®(E 3) D (від D стрілочка до стрілки між А та В). D – метаболіт, що діє як алостеричний інгібітор на фермент Е1.

Обмін речовин

Обмін речовин (метаболізм)– це сукупність фізіологічних та біохімічних процесів, що забезпечують життєдіяльність організму у взаємозв'язках із зовнішнім середовищем, спрямованих на самовідтворення та самозбереження.

До фізіологічних процесів відносяться травлення, всмоктування, зовнішнє дихання, виділення та ін; до біохімічних – хімічні перетворення білків, жирів, вуглеводів, які у організм як харчових речовин. Особливістю біохімічних процесів і те, що вони здійснюються під час низки ферментативних реакцій. Саме ферменти забезпечують певну послідовність, місця та швидкість реакцій.

За спрямованістю усі хімічні перетворення поділяють на:

а) дисиміляція(катаболізм) - розпад речовин до більш простих з переходом енергії зв'язків речовини в енергію макроергічних зв'язків (АТФ, НАД Н, ін.);

б) асиміляція(Анаболізм) - синтез більш складних речовин з більш простих з витратою енергії.

Біологічне значення цих двох процесів у тому, що з розщепленні речовин звільняється укладена у яких енергія, що забезпечує всі функціональні можливості організму. У той самий час, при розпаді речовин утворюються " будівельні матеріали " (моносахариди, АК, гліцерин та інших.), які потім використовують у синтезі специфічних організму речовин (білків, жирів, вуглеводів та інших.).

[СХЕМА] Над горизонтальною лінією (у зовнішньому середовищі) – "білки, жири, вуглеводи", від них стрілка вниз під лінію (всередині організму) до напису "дисиміляція", від останньої чотири стрілки: дві вгору до написів над лінією "теплота" та "кінцеві продукти"; одна стрілка вправо до напису "проміжні речовини (метаболіти)", від них до "асиміляція", потім до "власних білків, жирів, вуглеводів"; одна стрілка вниз до напису "енергія АТФ", від неї - до "м'язове скорочення, проведення нервового імпульсу, секреція та ін." а також вгору до "теплота" та "асиміляція".

Дисиміляція білків, жирів та вуглеводів протікає по-різному, але в руйнуванні цих речовин є низка загальних етапів:

1) Етап перетравлення. У ШКТ білки розпадаються до АК, жири – до гліцерину та ВЖК, вуглеводи – до моносахаридів. Напрацьовується велика кількість неспецифічних речовин із специфічних, що надходять ззовні. За рахунок перетравлення в шлунково-кишковому тракті виділяється близько 1% хімічної енергії речовин. Цей етап необхідний для того, щоб речовини, що надійшли з їжею, змогли всмоктатися.

2) Етап проміжного обміну (тканинний обмін речовин, метаболізм). На клітинному рівні він розподіляється на анаболізм та катаболізм. Утворюються та перетворюються проміжні речовини обміну речовин – метаболіти. При цьому мономери, що утворилися на етапі перетравлення, розпадаються з утворенням невеликого (до п'яти) ключових проміжних продуктів: ЩУК, альфа-КГ, ацетил-КоА, ПВК, альфа-гліцерофосфат. Виділяється до 20% енергії речовин. Як правило, проміжний обмін відбувається у цитоплазмі клітин.

3) Остаточний розпадречовин за участю кисню до кінцевих продуктів(ЗІ 2 , Н 2 О, азотовмісні речовини). Виділяється близько 80% енергії речовин.

Усі розглянуті етапи відбивають лише основні форми обмінних процесів. Як на другому, так і на третьому етапах енергія, що виділяється, накопичується у вигляді енергії хімічних зв'язків макроергічних сполук (це речовини, що мають хоча б одну макроергічний зв'язок, напр., АТФ, ЦТФ, ТТФ, ГТФ, УТФ, АДФ, ЦДФ, …, креатинфос , 1,3-дифосфогліцеринова кислота). Так, енергія зв'язку останнього фосфату молекули АТФ становить близько 10-12 ккал/моль.

Біологічна роль обміну речовин:

1. акумуляція енергії під час розпаду хімічних сполук;

2. використання енергії для синтезу власних речовин організму;

3. розпад оновлюваних структурних компонентів клітини;

4. відбувається синтез та розпад біомолекул спеціального призначення.

Обмін білків

Що робитимемо з отриманим матеріалом:

Якщо цей матеріал виявився корисним для Вас, Ви можете зберегти його на свою сторінку в соціальних мережах:

Твітнути

Всі теми цього розділу:

Білки та їх біологічна роль
Білок (протеїни) - protos - попередній усьому, первинний, найголовніший, що визначає все інше. Білки - це високомолекулярні азотовмісні органічні речовини.

Характеристика простих білків
У основі класифікації (створена 1908 р.) лежить розчинність білків. За цією ознакою виділяють: I. гістонипротаміни, розчинні в сольових розчинах. Про

Хромопротеїни
Їх простетична частина пофарбована (chromos – фарба). До хромопротеїнів відносяться гемоглобін, міоглобін, каталаза, пероксидаза, ряд флавіновмісних ферментів (сукцинатдегідрогеназа, альдегідокс)

Ліпід-білкові комплекси
Ліпід-білкові комплекси – складні білки, простетичну частину яких складають різні ліпідні компоненти. До таких компонентів відносяться: 1. граничні та ненасичені В

Нуклеопротеїни
Нуклеопротеїни – це складні білки, що містять як невелику частину нуклеїнові кислоти (до 65%). НП складаються з 2-х частин: білкової (містить гістони та протаміни, кото

Вуглевод-білкові комплекси
Як простетична група виступають вуглеводи. Усі вуглевод-білкові комплекси поділяються на глікопротеїни та протеоглікани. Глікопротеїни (ГП) - комплекс білків з вуглеводними к

Фосфопротеїни
Білки, де як простетична група – фосфорна кислота. Приєднання фосфорної кислоти до поліпептидного ланцюга йде з утворенням складноефірного зв'язку з АК СЕР або ТРЕ.

Будова коферментів
Коферменти в каталітичних реакціях здійснюють транспорт різних груп атомів, електронів чи протонів. Коферменти зв'язуються із ферментами: - ковалентними зв'язками; - іонними

Ізоферменти
Ізоферменти – це ізофункціональні білки. Вони каталізують одну і ту ж реакцію, але відрізняються за деякими функціональними властивостями через відмінності за: - амінокислотним складом;

Властивості ферментів
Загальні риси ферментів та небіологічних каталізаторів: 1) і ті, та інші каталізують лише енергетично можливі реакції; 2) збільшують швидкість реакції; 3) н

Номенклатура ферментів
1) Існує тривіальна номенклатура – ​​назви випадкові, без системи та основи, наприклад, трипсин, пепсин, хімотрипсин. 2) Робоча номенклатура - назва ферменту складається з назв

Сучасні уявлення про ферментативний каталіз
Перша теорія ферментативного каталізу була висунута на початку 20 століття Варбургом та Бейлісом. Ця теорія пропонувала вважати, що фермент адсорбує на собі субстрат і називалася адсорбційною, але

Молекулярні ефекти дії ферментів
1) Ефект концентрування – це адсорбування лежить на поверхні молекули ферменту молекул реагуючих речовин, тобто. субстрату, що призводить до їхньої кращої взаємодії. Пр.: електростатичний притяг

Теорія кислотно-основного каталізу
У складі активного центру ферменту є як кислі, і основні функціональні групи. Внаслідок цього фермент виявляє під час каталізу кислотно-основні властивості, тобто. грає як роль д

Перетравлення та всмоктування білків
Функції білків різноманітні, але особливо виділяються структурна, каталітична та енергетична функції. Енергетична цінність білка близько 4,1 ккал/г. Серед усіх речовин, що надходять у

Перетворення білків в органах травлення
Усі білки піддаються дії гідролаз (третій клас ферментів), саме пептидаз – вони, зазвичай, виробляються у неактивної формі, та був активуються шляхом часткового протеолізу.

Перетравлення складних білків та їх катаболізм
1. Глікопротеїни гідролізуються за допомогою глікозидаз (амілолітичних ферментів). 2. Ліпопротеїни – за допомогою ліполітичних ферментів. 3. Гемовмісні хромопроте

Гниєння білків та знешкодження його продуктів
Гниєння білків – це бактеріальний розпад білкових речовин та АК під дією мікрофлори кишечника. Іде в товстій кишці, проте може спостерігатися і в шлунку - при зниженні кислотності.

Метаболізм амінокислот
Фонд АК організму поповнюється за рахунок процесів: 1) гідролізу білків їжі; 2) гідролізу тканинних білків (під дією катепсинів лізосом). Витрачається АК-фонд на процес

Загальні шляхи обміну речовин
1. Переамінування (відкрито 1937 р. Браунштейном і Крицмом).

Тимчасове знешкодження аміаку
Аміак токсичний (50 мг аміаку вбиває кролика, причому =0,4-0,7 мг/л). Тому в тканинах аміак знешкоджується тимчасовими шляхами: 1) переважно – образів

Орнітиновий цикл сечовиноутворення
Сечовина містить 80-90% всього азоту сечі. За добу утворюється 25-30 г сечовини NH2-CO-NH2. 1. NH3 + CO

Синтез та розпад нуклеотидів
Особливості обміну нуклеотидів: 1. Ні самі нуклеотиди, ні азотисті основи, що надходять з їжею, не включаються до синтезу нуклеїнових кислот та нуклеотидів організму. Тобто, нуклеотиди їжі

Окислення пуринових нуклеозидів
Аденозин® (аденозиндезаміназ, +Н2О, –NH4+) інозин® (пуриннуклеозидфосфорілаза, +Фн –рибозил-1-Ф) гіпоксантин (6-оксопурин) ® (ксантинокси

Функціонування ДЦ
Субстрат Н2 → НАД → ФМН → КоQ → 2b → 2c1 → 2c → 2a → 2a3 → O

Реплікація (самоподвоєння, біосинтез) ДНК
У 1953 р. Вотсон і Крик відкрили принцип комплементарності (взаємодоповнюваності). Так, А = Т, а ГЦ. Умови, необхідні реплікації: 1. стор

Транскрипція (передача інформації з ДНК на РНК) чи біосинтез РНК
При транскрипції, на відміну реплікації, інформації передається з невеликого ділянки ДНК. Елементарною одиницею транскрипції є оперон (транскриптон) - ділянка ДНК, що піддається тран.

Регулювання біосинтезу білка
Клітини багатоклітинного організму містять однаковий набір ДНК, але синтезуються білки різні. Наприклад, сполучна тканина активно синтезує колаген, а м'язових клітинах такого білка немає. У

Механізми розвитку ракової пухлини
Рак – генетичне захворювання, тобто. ушкодження генів. Види ушкоджень генів: 1) втрата гена; 2) власне пошкодження гена; 3) активація гена;

Перетравлення ліпідів
Поступаючи з їжею, ліпіди у ротовій порожнині піддаються лише механічній обробці. Ліполітичні ферменти у ротовій порожнині не утворюються. Перетравлення ліпідів відбуватиметься у тих відділах

Механізм ресинтезу жиру
Ресинтез жиру у стінці кишечника відбувається так: 1. Спочатку продукти гідролізу (гліцерин, ВЖК) активуються з допомогою АТФ. Далі відбувається послідовне ацилювання

Транспортні форми ліпідів в організмі
Ліпіди є нерозчинними у воді сполуками, тому для їхнього перенесення кров'ю необхідні спеціальні переносники, розчинні у воді. Такими транспортними формами є ліпопротеїни плазми.

Перетворення ліпідів у тканинах
У тканинах постійно йдуть процеси розпаду та синтезу ліпідів. Основну масу ліпідів організму людини складають ТГ, які у клітині є як включень. Період оновлення ТГ у різних тканинах

Біосинтез гліцерину та ВЖК у тканинах
Біосинтез гліцерину в тканинах тісно пов'язаний із метаболізмом глюкози, яка в результаті катаболізму проходить стадії утворення тріозу. Гліцеральдегід-3-фосфат у цитоплазмі по

Патологія ліпідного обміну
На етапі надходження із їжею. Рясна жирна їжа і натомість гіподинамії веде до розвитку аліментарного ожиріння. Порушення обміну може бути пов'язане з недостатнім надходженням жиру

Іони Са2+
Утворюють з'єднання з білком - кальмодулін. Комплекс Са2+-кальмодулін активує ферменти (аденілатциклазу, фосфодіестеразу, Са2+-залежну протеїнкіназу). Є група

Гормони паращитовидних залоз
Парат-гормон, що складається з 84 АК, регулює рівень Са2+, стимулює вихід кальцію (і фосфору) з кісток у кров; Підвищують реабсорбцію кальцію у нирках, але стимулюється вихід фосфору; З

Роль вітамінів в обміні речовин
1.(!) вітаміни – попередники коферментів та простетичних груп ферментів. Напр., В1 – тіамін – входить до складу коферменту декарбоксилаз кетокислот у вигляді ТПФ (ТДФ), В2 – рибофлавін –

Поняття про гіповітаміноз, авітаміноз і гіпервітаміноз
Гіповітаміноз – патологічний стан, пов'язаний із нестачею вітаміну в організмі. Авітаміноз – патологічний стан, спричинений відсутністю вітаміну в організмі.

Причини гіповітамінозів
1. Первинні: нестача вітаміну в їжі. 2. Вторинні: а) зниження апетиту; б) підвищена витрата вітамінів; в) порушення всмоктування та утилізації, напр., ентеро

Вітамін А
Вітамери: А1 – ретинол та А2 – ретиналь. Клінічна назва: антиксерофтальмічний вітамін. За хімічною природою: циклічний ненасичений одноатомний спирт на основі кільця b-

Вітамін D
Антирахітичний вітамін. Існують два вітамери: D2 – ергокальциферол та D3 – холекальциферол. Вітамін D2 міститься у грибах. Вітамін D3 синтезується в орг

Вітамін Е
Устар.: антистерильний вітамін, антиоксидантний ензим. У хімічному плані це альфа-, бета-, гамма-і дельта-токофероли, але переважним є альфа-токоферол. Вітамін Е устой

Вітамін К
Антигеморагічний вітамін. Вітамери: К1 – філлохінон та К2 – менахінон. Роль вітаміну К в обміні речовин Це кофактор карбоксилювання глутаміно

Пантотенова кислота. [Мал. формули НОСН2-С((СН3)2)-СН(ОН)-СО-NH-СН2-СН2-СООН] Складається з масляної кислоти з b-аланіном.

Гідроксилювання ксенобіотиків за участю мікросомальної монооксигеназної системи
1. Бензол: [рис. бензол + О2 + НАДФН2 ® (гідроксилаза, цитохром Р450) фенол + НАДФ + Н2О] 2. індолу: [рис. індол+О2+Н

Роль печінки у пігментному обміні
Пігментний обмін є сукупністю складних взаємоперетворень забарвлених речовин тканин і рідин організму людини. До пігментів належать 4 групи речовин: 1. гем

Біосинтез гему
Біосинтез гему йде у більшості тканин, за винятком еритроцитів, які не мають мітохондрій. В організмі людини гем синтезується з гліцину та сукциніл-КоА, утвореного в результаті мета

Розпад гему
Більшість гемхромагенних пігментів в організмі людини утворюється при розпаді гема. Головним джерелом гему є гемоглобін. В еритроцитах вміст гемоглобіну становить 80%, час життя

Патологія пігментного обміну
Як правило, пов'язана з порушенням процесів катаболізму гему і виражається гіпербілірубінемією і проявляється у жовтяничності шкіри та видимих ​​слизових оболонок. Нагромаджуючись у ЦНС, білірубін викликає

Типи зміни біохімічного складу крові
I. Абсолютні та відносні. Абсолютні зумовлені порушенням синтезу, розпаду, виведення тієї чи іншої сполуки. Відносні обумовлені зміною обсягу ц

Білковий склад крові
Функції білків крові: 1. підтримують онкотичний тиск (переважно за рахунок альбумінів); 2. визначають в'язкість плазми крові (в основному за рахунок альбумінів);

Загальний білок
У нормі загальний білок крові 65-85 г/л. Загальний білок це сума всіх білкових речовин крові. Гіпопротеїнемія – зниження альбумінів. Причини:

Глобуліни в нормі 20-30 г/л
I. α1 -глобуліни α-антитрипсин – інгібує трипсин, пепсин, еластазу, деякі інші протеази крові. Виконує антизапальник

Залишковий азот
Залишковий азот – це сума азоту всіх небілкових азотовмісних речовин крові. У нормі 14-28 ммоль/л. 1. Метаболіти: 1.1. амінокислоти (25%); 1.2. креат

Вуглеводний обмін
Глюкоза в капілярній крові натще 3,3-5,5 ммоль/л. 1. Гіперглікемія (підвищення глюкози): 1.1. панкреатична гіперглікемія – за відсутності інсул

Ліпідний обмін
Холестерин у нормі 3-5,2 ммоль/л. У плазмі знаходиться у складі ЛПНЩ, ЛПДНЩ (атерогенні фракції) та ЛПВЩ (антиатерогенна фракція). Ймовірність розвитку атеросклерозу

Мінеральний обмін
Натрій – це основний позаклітинний іон. На рівень Na+ у крові впливають мінералокортикоїди (альдостерон затримує натрій у нирках). Рівень натрію збільшується за рахунок гем

Ферменти плазми
Класифікуються: 1. Функціонуючі ферменти (власне плазмові). Напр., ренін (підвищує артеріальний тиск через ангіотензин II), холінестераза (розщеплює ацетилхолін). Їх активність вища

Фізичні властивості сечі здорової людини, їх зміни при патології
I. Кількість сечі гаразд 1,2-1,5 л. Поліурія - збільшення кількості сечі через: 1) збільшення фільтрації (під дією адреналіну збільшується фі

Показники хімічного складу сечі
Загальний азот - це сукупність азоту всіх азотовмісних речовин у сечі. У нормі – 10-16 г/добу. При патологіях загальний азот може: збільшуватися – гіперазотурія

Особливості обміну речовин у нервовій тканині
Енергетичний обмін. У тканині головного мозку збільшено клітинне дихання (переважають аеробні процеси). Мозок споживає більшу кількість кисню, ніж сірка

Хімічна передача нервового збудження
Передача збудження з однієї клітини в іншу відбувається за допомогою нейромедіаторів: - нейропептидів; - АК; - ацетилхоліну; - Біогенних амінів (адреналін,

І активатори, що підвищують ферментативну активність. Інгібітори здатні взаємодіяти з ферментами з різним ступенем міцності. На підставі цього розрізняють оборотне та необоротне інгібування. Оборотні інгібітори зв'язуються з ферментами слабкими нековалентними зв'язками і за певних умов легко відокремлюються від ферменту, діють короткочасно. Оборотні інгібітори діляться на конкурентні та неконкурентні.

Конкурентні інгібітори мають структурну подібність до субстрату, внаслідок чого виникає конкуренція молекул субстрату та інгібітора за зв'язування з активним центром ферменту. У цьому випадку з активним центром взаємодіє субстрат, або інгібітор, утворюючи комплекси фермент-субстрат (ЕS) або фермент-інгібітор (ЕI). p align="justify"> При формуванні ЕI комплексу продукт реакції не утворюється. Активність ферменту може бути відновлена ​​у разі підвищення концентрації субстрату. Багато лікарських препаратів діють як конкурентні інгібітори. Наприклад, сульфаніламіди, що мають бактеріостатичну дію, є аналогами пара-амінобензойної кислоти, яку бактерії використовують для синтезу фолієвої кислоти (необхідної для синтезу нуклеотидів і поділу клітин).

Неконкурентні інгібітори не схожі на субстрат, тому взаємодіють із ферментом у ділянці, відмінному від активного центру.

Необоротні інгібітори утворюють міцні ковалентні зв'язки з ферментом, причому частіше модифікації піддається активний центр ферменту. Внаслідок цього фермент не може виконувати свою каталітичну функцію. Наприклад, фосфорорганічні сполуки ковалентно пов'язують ОН-групу серину , що знаходиться в активному центрі і ключову роль, що грає в процесі каталізу . Такі інгібітори, якщо використовуються як ліки, діють довго (добу, тижні). Відновлення ферментативної активності може бути пов'язане із синтезом нових молекул ферменту.

Більшість ферментативних процесів у клітині протікають над одну стадію, а є сукупність ферментативних реакцій, об'єднаних у ферментативні ланцюга (метаболічні шляхи), які можуть бути лінійними (гліколіз), розгалуженими, циклічними (цикл Кребса). Щоб впливати на швидкість метаболічного шляху достатньо регулювати кількість або активність ферментів. У метаболічних шляхах немає потреби регулювати активність всіх ферментів, зазвичай регулюється активність ключових ферментів, які визначають швидкість метаболічного процесу загалом.

Ключовими ферментами є:

· Ферменти початку метаболічного шляху (перший фермент),

· ферменти, що каталізують швидкість-лімітуючі (найповільніші) реакції,

· Ферменти, що знаходяться в місці розгалуження метаболічних шляхів.

Регуляція швидкості ферментативних реакцій може здійснюватися шляхом:

· Зміни кількості молекул ферменту,

· Доступністю молекул субстрату і коферменту ,

· Регулювання каталітичної активності молекул окремих ферментів.

Регуляція кількості молекул ферменту в клітині може здійснюватися шляхом зміни швидкості синтезу (індукція - збільшення швидкості синтезу, репресія - гальмування) або шляхом зміни швидкості його розпаду.

Важливий параметр, який контролює протікання метаболічного шляху, - наявність субстратів, головним чином - першого, чим більша його концентрація, тим вища швидкість метаболічного шляху.

Регуляція каталітичної активності окремих ферментів. Основними способами регуляції є: алостеричний та ізостеричний механізми, регуляція за допомогою білок-білкових взаємодій, шляхом хімічної модифікації, обмеженого (часткового) протеолізу.

Ізостеричний механізм. У цьому випадку регулятор впливає безпосередньо на активний центр ферменту. За таким механізмом діють конкурентні інгібітори, деякі метали.

Алостеричний механізм.Багато ферментів, крім активного центру, мають ще й алостеричний центр, просторово віддалений від активного центру. Алостеричні ферменти зазвичай є олігомерними білками, що складаються з кількох субодиниць. До алостеричного центру нековалентно приєднуються ефектори. У ролі можуть виступати субстрати, кінцеві продукти метаболічного шляху, коферменти, макроэрги (причому АТФ і АДФ діють як антагоністи: АТФ активує процеси анаболізму і інгібує катаболізм, АДФ - навпаки).

Алостеричних центрів у ферменту може бути кілька. Алостеричні ферменти мають властивість позитивної та негативної кооперативності. Взаємодія ефектора з алостеричним центром викликає послідовну кооперативну зміну конформації всіх субодиниць, що призводить до зміни форми активного центру, що знижує або збільшує спорідненість до субстрату, а, відповідно, зменшує або збільшує каталітичну активність ферменту.

Внутрішньомолекулярна взаємодія білок - білок(тільки для олігомерних ферментів) із зміною олігомерності. ПротеїнкіназаА - фермент, який фосфорилює білки за рахунок АТФ, складається з 4 субодиниць двох типів: двох субодиниць регуляторних та двох каталітичних. Такий тетрамер не має каталітичної активності. При дисоціації тетрамерного комплексу звільняються дві каталітичні субодиниці та фермент стає активним. Такий механізм регулювання звернемо. Асоціація регуляторних та каталітичних субодиниць протенкінази А знову призводить до утворення неактивного комплексу.

хімічної модифікаціїЦе найбільш часто зустрічається механізм регуляції активності ферментів шляхом ковалентної модифікації амінокислотних залишків. При цьому модифікації піддаються ОН-групи ферменту. Фосфорилювання здійснюється ферментами протеїнкіназами за рахунок АТФ. Приєднання залишку фосфорної кислоти призводить до зміни каталітичної активності, при цьому результат може бути двояким: одні ферменти при фосфорилювання активуються, інші стають менш активними. Зміна активності шляхом фосфорилювання оборотна. Відщеплення залишку фосфорної кислоти здійснюється протенфосфатаз.

Регуляція активності ферментів шляхом обмеженого протеолізу. Деякі ферменти синтезуються як неактивних попередників - проферментів і активуються в результаті гідролізу однієї чи кількох певних пептидних зв'язків, що зумовлює відщепленню частини білкової молекули проферменту. В результаті в частині білкової молекули, що залишилася, відбувається конформаційна перебудова і формується активний центр і фермент стає активним. Відщеплення пептиду від білків-попередників каталізують ферменти пептидази.

У цьому активність ферменту змінюється незворотно. Обмежений протеоліз лежить в основі активації протеолітичних ферментів ШКТ, білків системи згортання крові і системи фібринолізу, а також білково-пептидних гормонів. Наприклад, трипсиноген, що синтезується в підшлунковій залозі, надходить у кишечник, де на нього діє фермент ентеропептидазу. В результаті відбувається обмежений протеоліз із відщепленням гексапептиду. При цьому в частині молекули формується активний центр і утворюється активний трипсин.