Учебно-методический комплекс ферганский филиал узбекского государственного университета физической культуры и спорта

Ключевые слова: Метаболизм, ассимиляция, диссимиляция, анаболизм, катаболизм, пластический и функциональный обмен, обмен с внешней средой, обмен энергии, окислительные реакции, биологическое окисление, дыхательная цепь, фосфорилирование.





ЛИТЕРАТУРА:




В живом организме постоянно происходит огромное число разнообразных химических реакций. Эти реакции протекают с огромной скоростью, в миллионы раз превышающей скорость подобных реакций в неживой природе. При этом в организме все это происходит при сравнительно низкой температуре и давлении, в ограниченном диапазоне рН среды. Например, распад белков пищи до аминокислот в пищеварительной системе происходит при 37^оС за 2-3 ч., в то же время в лаборатории ту же реакцию можно провести в 0,6 н HCI при 105^оС в течение 24-72 ч.
Огромная скорость реакции в живых организмах обусловлена присутствием в них ферментов.
Ферменты – это биокатализаторы, образующиеся в клетке и представляющие собой либо простые белки, либо – сложные, содержащие не аминокислотные компоненты. Ферменты, в отличие от обычных химических катализаторов, они строго специфичны, т.е. избирательно катализируют только одну свою реакцию. Ткая высокая специфичность определяется белковой природой их молекулы.
Учение о скорости химических реакции и факторах, влияющих на нее, называется химической кинетикой. В химической кинетике скорость реакции определяется как изменение концентрации реагирующих веществ, происходящие в единицу времени (моль/л.сек). Скорость реакции зависит от строения молекул реагирующих веществ, их концентрации, давления, температуры, наличия катализаторов и т.д., Например, с повышением температуры на каждые 10^оС скорость реакции возрастает в среднем в 2-3 раза. В реакции А + В → С + Д, скорость реакции (V) определяется V=К×(А)×(В). Катализаторы снижают энергии активации.
Вещества, реакции которых ускоряют ферменты, называются – субстратами и обозначаются символом (S).
Кинетика ферментативных реакций, однако, отличается от кинетики химических реакций. В ферментативных реакциях графически зависимость скорости от концентрации субстрата описывается гиперболой, при низких концентрациях субстрата реакция имеет первый порядок (с увеличением концентрации субстрата скорость реакции увеличивается), а при высоких – нулевой (не зависит от концентрации субстрата).
Этот факт был использован Михаэлисом и Ментен для создания в 1913 г. фундаментальной теории ферментативной кинетики. В основе теории лежит предположение о том, что в процессе ферментативной реакции образуется фермент-субстратный комплекс (ЕS), который подвергается химической реакции и разрушается затем до свободного фермента и продуктов реакции:
Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата описывается уравнением:
Константа Михаэлиса (Кm) служит мерой химического средства между ферментом и субстратом, мерой их способности образовывать фермент-субстратный комплекс. Она соответствует концентрации субстрата, при которой скорость реакции (V) равна половине максимальной.
Ферменты, как отмечено выше, являются простыми белками или сложными, содержащие неаминокислотные компоненты. Последние состоят из белка и небелковой части – простетической группы. Простетическая группа получила название – кофермента, а белковая часть – апофермента.
Одной из важных (характерных) черт коферментов является то, что высшие животные организмы не могут их синтезировать и потому коферменты должны поступать в организм с пищей. Витамины, поступающие в организм человека с пищей, в большинстве случаев идентичны коферментам или структурно близки им. А в отдельных случаях некоторые витамины являются коферментами ряда ферментов (пиридоксальфосфат-В₆, тиаминпирофосфат-В₁, кофермент-А-пантотеновая кислота, НАД и НАДФ-РР, ФМН и ФАД –В₂ и т.д.).
Ферменты, как и белки, имеют сложную пространственную структуру. Не все участки их молекул выполняют одинаковые функции. Некоторые функциональные группы непосредственно участвуют в связывании субстрата и его преобразовании. Их совокупность носит название активного центра. В ферментах, простых белках, активный центр представляет собой как пространственную организацию определенных аминокислот (чаще всего серина, гистидина, цистеина, аргинина, триптофана), а в сложных ферментах и простетическую группу – кофермента.
Ряд ферментов содержат два или более активных центра, т.е. обладают аллостерическими свойствами или содержат аллостерический (регуляторный) центр.Например, Nа, К –АТФаза, Са-АТФаза, фоосфолипазы и т.д.).
Пространственная структура активного центра фермента определяет специфичность его действия – способность ускорять реакции только одного субстрата или группы субстратов, сходных по строению. Различают относительную (групповую) и абсолютную специфичность. Ферменты, обладающие относительной специчностью, ускоряют реакции, характерные для определенных типов химических связей в молекулах различных веществ одного класса. Например, гидролазы – протеинкиназы, амилазы, липазы, нуклеазы и т.д. Ферменты, обладающие абсолютной специфичностью, ускоряют определенный тип реакции единственного субстрата. Так, аргиназа – катализирует только реакцию гидролиза аргинина на орнитин и мочевину.
Механизм действия ферментов состоит в том, что субстрат связывается с активным центром фермента в нескольких точках, образуя фермент-субстратный промежуточный комплекс, который после протекания химической реакции распадается с образованием продуктов и свободного фермента.

Реакции, катализируемые ферментами, протекают с различными скоростями, зависящими от:

• 
  Количества и активности фермента;
  
• 
  Концентрации субстрата;
  
• 
  РН и состава среды;
  
• 
  Температуры;
  
• 
  Присутствия активаторов или ингибиторов.
  

Так как концентрацию ферментов в живой клетке трудно измерить, часто судят об активности ферментов, которая выражается в международных единицах (МЕ), соответствующих активности, превращающей 1 Мкмоль субстрата в мин.
При низких концентрациях субстрата ферментативная реакция протекает в соответствии с кинетикой реакции первого порядка, т.е. ее скорость пропорциональна концентрации субстрата. При высоких концентрациях субстрата реакция имеет нулевой порядок, т.е. фермент насыщен своим субстратом.
Для каждой ферментативной реакции существует оптимальное значение рН среды. Для большинства ферментов рН-оптимум лежит в пределах нейтральных значений рН среды, хотя существуют ферменты, максимальная активность которых проявляются в крайне кислых (пепсин, рН=1) или щелочных (аргиназа печени, рН=10 или некоторые фосфолипазы А₂).
Каждая ферментативная реакция протекает наиболее быстро при определенной температуре, т.е. для каждой ферментативной реакции имеется свой температурный оптимум. Для многих ферментов это значение варьирует в пределах 35-40^оС, хотя существуют ферменты, оптимальная температура для которых более 60^оС. Некоторые кислые фосфолипазы А₂ выдерживают кипячение в кислой среде в течение 10-15 мин.
Активаторы и ингибиторы ферментативных реакций – это соединения, ускоряющие и замедляющие ее, соответственно.
Активаторы увеличивают скорость ферментативных реакций, способствуя образования активного центра или фермент-субстратных комплексов. Часто эту роль выполняют ионы металлов: Са²⁺, Мg²⁺, Со²⁺, Мо²⁺, Fе²⁺ и др. Активация аллостерических ферментов достигается за счет их взаимодействия с различными органическими соединениями. Чаще всего аллостерический эффектор представляет собой низкомолекулярное вещество, являющееся промежуточным или конечным продуктом биохимического процесса, в котором участвует регуляторный фермент.
Ингибиторы ферментов бывают нескольких типов, среди них наиболее важными являются конкурентные и неконкурентные. Структура конкуренных ингибиторов сходна со структурой субстрата и поэтому они конкурируют с субстратом за место связывания с активным центром фермента. Такие ингибиторы вытесняются избытком субстрата. Неконкурентные ингибиторы реагируют не с активным центром, а с другой, также важной частью молекулы фермента (например, SН-группой), ответственной за поддержание нативной конформации белковой молекулы.
Название ферментов складывается из названия катализируемой реакции или субстрата с добавлением суффикса – аза. Все ферменты, в зависимости от типа катализируемых реакций, разделяются на 6 главных классов. Обычно используются как систематические, так и тривиальные названия ферментов.
1. Оксидоредуктазы – ускоряют окислительно-восстановительные реакции. В зависимости от способа протекания реакции различают следующие подклассы: дегидрогеназы, оксидазы, гидроксилазы и оксигеназы.
Алкогольде-
СН₃СН₂ОН СН₃СНО + 2Н
гидрогеназа
Этанол ацетальдегид
2. Трансферазы – ускоряют перенос различных атомных групп с одной молекулы на другую. В зависимости от переносимой атомной группы разделяются на подклассы: метилтрансферазы (-СН₃), ацилтрансферазы (-СООН), фосфотрансферазы (-Н₂РО₄), аминотрансферазы (-NН₂) и т.д.
Амино-
R СНО + Н₂NСН₂R¹RСООН + NН₂СН₂P¹
трансфераза
3. Гидролазы – катализируют гидролитическое расщепление (белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот) и называются в соответствии с типом разрываемой связи – пептидазы, амилазы, липазы, нуклеазы, фосфолипазы и т.д.

СН₂ – О – Р₁ СН₂ – О – Р₁

Фосфолипаза А
СН – О – Р₂ СН – О – Р₂
+ Н₂О
СН₂ – О – Р – Х СН₂ – О – Р - Х
4. Лиазы – катализируют негидролитический распад органических соединений по связям С – С, С – О, С- и т.д. Они могут отщеплять СО₂, Н₂О, Н₃ и более сложные группы.
Декарбок-
R – С – СООН R – СНО + СО₂
силаза
О
5. Изомеразы – ускоряют процессы внутримолекулярных перестроек, превращений одних изомеров в другие.
Фосфоглицерат-
НОСН₂СН- СООН СН₂-СН-СООН
Фосфомутаза
Р – О Р – О ОН

6. Лигазы или синтетазы – катализируют реакции синтеза высокомолекулярных полимеров (белков, НК, полисахаридов, липидов и т.д.) из мономеров, активированных при участии АТФ или других макроэргических связей. К ним относятся: аминоацил –тРНК-синтетазы, ацетил –КоА – карбоксилазы, ДНК-полимераза, РНК-полимераза, глутаминситетаза и т.п.

R - CН – СООН + тРНК + АТФ R – CH – COO – тPHK + АМФ + РР

NН₂ NН₂

В живых организмах (клетках) протекают множество ферментативных реакций. Всю совокупность этих реакций мы объединяем общим понятием обменом веществ или метаболизмом. Метаболизм представляет собой высококоординированную и целенаправленную клеточную активность, обеспечиваемую участием многих взаимосвязанных мультиферментных систем.