Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Согласованный кислотно-основный катализ
В органической химии известно достаточно большое количество реакций, катализируемых кислотами и основаниями, но только ферменты могут в результате структурной перестройки молекулы последовательно менять окружение у промежуточного соединения, создавая в нанопространстве активного центра полярную и неполярную среду, кислую или щелочную среду. В качестве примера можно привести катализируемую лиазой реакцию гидратации фумаровой кислоты: Фермент фумараза присоединяет молекулу воды по двойной связи фумаровой кислоты с образованием L -яблочной кислоты. Это превращение быстро и избирательно протекает при температуре, не превышающей 40°С, благодаря тому, что в активном центре фермента на разные атомы углерода, соединенные двойной связью, одновременно действуют кислота и основание: Понятно, что у синтетика нет возможности для создания условий с одновременным присутствием в растворе кислоты и основания. Для гидратации двойных связей синтетическим путем приходится, например, нагревать вещество с концентрированной серной кислотой. Ингибирование ферментов Ингибирование ферментов представляется важным как с токсикологической, так и с фармакологической точек зрения. Особое место занимают процессы необратимого ингибирования ферментов. Чаще всего это связано с нарушением нативной структуры апофермента. В частности, такими ингибиторами являются ионы тяжелых металлов, образующих прочные связи с сульфгидрильными группами, алкилаторы, например иодуксусная кислота, которая реагирует по имидазольным фрагментам белка (из гистидина) и по другим нуклеофильным центрам. Необратимыми ингибиторами металлопротеиновых ферментов (каталаза, супероксиддисмутаза) являются сильные восстановители (арсин, фосфин), которые изменяют валентность ионов участвующих в катализе металлов (марганец, кобальт, железо), переводя их даже в металлическое состояние, а также некоторые кислоты (сероводород, синильная кислота), образующие прочные соли с этими металлами. Однако возможны необратимые блокировки ферментов и в результате превращения простетических групп и коферментов. Так, например, гидразиды кислот реагируют с формильными группами в активном центре пиридоксальфосфатзависимых трансаминаз и декарбоксилаз с образованием стабильных гидразонов и нарушают, в частности, биосинтез аминных нейромедиаторов, участвующих в передаче нервных импульсов.
С фармакологической точки зрения наиболее интересны обратимые ингибиторы ферментов. Причем здесь можно выделить три вида ингибирования – конкурентное, неконкурентное и бесконкурентное. В случае конкурентного ингибирования речь идет о включении в активный центр фермента вещества, строение которого подобно строению естественного субстрата (метаболита), поэтому такие вещества часто называют антиметаболитами. В качестве примера можно привести реакцию дегидрирования янтарной кислоты сукцинатдегидрогеназой, протекающую по схеме: Эта реакция блокируется многими соединениями, сходными по строению с янтарной кислотой, но не способными к реакции дегидрирования. Антиметаболитами янтарной кислоты являются малоновая, щавелевая, глутаровая, фенилпропионовая кислоты. В частности, сродство малоновой кислоты к активному центру фермента даже выше, чем у естественного субстрата: 50%-е ингибирование фермента происходит при концентрации малоната в 50 раз ниже концентрации сукцината. При конкурентном ингибировании пониженную ингибитором скорость реакции можно повысить до прежнего значения повышением концентрации субстрата. Еще один пример – антиметаболит фолиевой кислоты метотрексат: Тетрагидрофолиевая кислота переносит одноуглеродные фрагменты с образованием пятичленного цикла (см. стр. 106), а ее структурный аналог с третичной аминной группой, который может образовываться из метотрексата, по этой схеме не реагирует. Фолиевая кислота синтезируется бактериями с участием п -аминобензойной кислоты (обязательный фактор роста многих микроорганизмов). Близкий ей по структуре и по многим свойствам п -аминобензолсульфамид (стрептоцид, антиметаболит п -аминобензойной кислоты)
блокирует биосинтез фолата в бактериях, так как его сульфамидная группа не может вступать в реакцию ацилирования с глютаминовой кислотой. Этим определяются бактериостатические свойства стрептоцида и таких сульфамидных препаратов, как сульфодиметоксин и др. Животные получают фолат в готовом виде (это витамин Вс), поэтому их клетки не имеют транспортной системы для п -аминобензойной кислоты, а следовательно, и для стрептоцида. В отличие от этого метотрексат транспортируется в клетки животных вместе с фолатом и связывается с соответствующим апоферментом настолько прочно, что даже без образования ковалентной связи ингибирование им фолатзависимых ферментов носит необратимый характер. В клетки бактерий фолат не поступает, он в них синтезируется, поэтому метотрексат не является бактерицидом. В то же время, более простые антиметаболиты фолата на основе диаминопиримидина используются в качестве антибактериальных препаратов:
Хлоридин Триметоприм Еще одни пример использования структурного подобия представлен противотуберкулезным средством – п -аминосалициловой кислотой (ПАСК), которая аналогична п -аминобензойной кислоте, но отличается от нее присутствием «лишней» гидроксильной группы:
В этом случае вероятнее всего реализуется иной механизм биологической активности, отличный от антиметаболитного, основанного на блокировке активного центра фермента. Транспортная система в мембране микробактерий туберкулеза плохо различает эти два вещества, и ПАСК попадает в цитоплазму патогенов, где проявляются цитотоксические свойства этого вещества, обусловленные присутствием в его структуре токсофорной фенольной группы. В мембранах клеток легочной ткани и других поражаемых палочками Коха тканей организма транспортная система для п ‑аминобензойной кислоты отсутствует, а пассивная диффузия через мембраны протекает очень медленно, поэтому ПАСК мало токсична. Правда, эффективность этого противотуберкулезного средства очень низка и принимать ПАСК приходится дозами до десятков граммов в день. Неконкуретное ингибирование имеет место в тех случаях, когда его эффективность зависит только от концентрации ингибитора и не зависит от концентрации субстрата. Это означает, что неконкуретные ингибиторы связываются белковой молекулой фермента не в активном центре, а в другом (от греч. allos – другой) месте, причем это может быть регуляторный центр аллостерического фермента или участвующий в перестройке структуры белка «гидрофобный карман». С кинетической точки зрения при неконкуретном ингибировании возможно образование двух заблокированных комплексов по схеме:
Поскольку место связывания неконкурентного ингибитора не совпадает с местом связывания субстрата, структуры неконкуретных ингибиторов чаще всего не имеют ничего общего со структурами субстратов, а их взаимодействие с ферментами носит обычно необратимый характер. При неконкуретном ингибировании снижение скорости реакции соответствует снижению концентрации катализатора, поэтому повышением концентрации субстрата компенсировать действие ингибитора не удается. По типу второй реакции протекает и так называемое бесконкуретное ингибирование
но в этом случае ингибитор вместе с субстратом занимает каталитический центр. ГЛАВА 6. МЕТАБОЛИЗМ Совокупность ферментативных реакций, протекающих в живых клетках, называется метаболизмом. Метаболические процессы решают четыре основных задачи:
· генерирование в клетках свободной химической энергии путем преобразования энергии солнечного света или превращения богатых энергией веществ; · превращение веществ в строительные блоки, используемые клетками для синтеза макромолекул и других биогенных веществ; · биосинтез белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот и других клеточных элементов из этих строительных блоков; · синтез новых веществ, разложение лишних веществ, поступающих в клетку, а также разложение выполнивших свою роль биомолекул. Метаболические процессы сопровождаются выделением теплоты, поддерживающей оптимальный температурный режим для протекания биохимических превращений, хотя у теплокровных есть еще специальный механизм окислительного превращения субстратов, предназначенный только для регуляции температуры тела. Таким образом, метаболические превращения включают обмен веществ и биоэнергетические процессы. Высокая скорость и избирательность ферментативных реакций согласуются с тем, что метаболизм основан на высокоорганизованной и согласованной работе взаимосвязанных мультиферментных систем. Простые, единичные превращения веществ в биохимии редки. Чаще всего речь идет о линейных или циклических путях превращений, протекающих при согласованном катализе многими ферментами (мультиферментными системами), и дирижерами при этом являются регуляторные ферменты, называемые также аллостерическими ферментами (см. стр. 121): Здесь символом А обозначен субстрат регуляторного фермента, В, С, D, F и G – продукты последовательных превращений – метаболиты, Е1–Е5 – ферменты (Е1 – регуляторный). Часто метаболические превращения организованы как циклические процессы, и они отличаются от этой схемы тем, что конечный и один из начальных продуктов в такой цепочке представляют собой одно и то же вещество, например: Метаболизм включает две основных составляющих – катаболизм и анаболизм. Катаболические превращения протекают с упрощением структур исходных молекул. Катаболизм – это основа биоэнергетики, так как превращение сложных молекул в более простые чаще всего сопровождается выигрышем в энергии. В живой природе эта энергия аккумулируется в определенных веществах, главным образом в аденозинтрифосфате (АТФ) и его аналоге гуанозинтрифосфате (ГТФ), а также в никотинамидадениндинуклеотиде (NADH) или никотинамидадениндинуклеотид фосфате в восстановленной форме (NADPH), которые образуются в ходе катаболических процессов. У аэробных организмов для биосинтеза АТФ может быть также использован энергетический выход реакции окисления NADH или NADPH. Богатые химической энергией вещества лежат в основе анаболических превращений, когда из простых веществ с затратой энергии получаются более сложные.
Метаболизм слагается из различных ферментативных реакций, но центральные пути превращений углеводов, аминокислот, жирных кислот и биогенных фосфатов немногочисленны и, что самое главное, едины для всего живого (рис. 6.1): Левая нисходящая ветвь на этой схеме представлена катаболическими процессами, правая – анаболическими. Катаболические пути сходятся: из всего разнообразия вовлеченных в них веществ образуется сравнительно немного одинаковых молекул. Так, например, все разнообразие белков при ферментативном гидролизе сводится к двадцати белковым аминокислотам, тогда как катаболические превращения сахаров, жирных кислот и некоторых аминокислот приводят к образованию одного вещества – ацетил-кофермента А (СоАS–СОСН3). Анаболические пути расходятся: небольшое число аминокислот, сахаров, жирных кислот, нуклеотидов, а также одно- и двухуглеродных блоков являются исходными продуктами для всего разнообразия структурных элементов живой природы. Все ферментативные процессы обратимы, но, несмотря на это, пути синтеза и деградации биомолекул в многостадийных превращениях различаются на одном или на нескольких этапах. Вторичной причиной тому служат термодинамические ограничения. Так, например, для более или менее разумной скорости протекания реакций при полной обратимости в цепи превращений потребовались бы достаточно высокие значения стационарных концентраций метаболитов, а рост концентрации конечного продукта привел бы и к росту концентрации исходного продукта (аналогия с кладкой стены: если нет подвоза кирпичей, то Вы же не прекращаете работу, оставив часть кирпичей). Более существенна необходимость раздельной регуляции катаболических и анаболических процессов, поскольку иначе блокировка одного из этапов катаболического превращения привела бы к остановке и соответствующего анаболического процесса. Различие может состоять во включении обходных путей, иных промежуточных стадий, а также в появлении новых ферментов на одной или на нескольких стадиях прямых и обратных превращений. Важно также, что катаболические и анаболические пути должны быть разделены по месту их протекания (локализации), то есть разделены пространственно. Это необходимо для того, чтобы исключить холостые циклы. Так, например, в процессе катаболизма глюкозы с участием АТФ образуется 6‑фосфоглюкоза, а при глюконеогенезе (при биосинтезе глюкозы) это вещество гидролизуется, но АТФ при этом не образуется. При совмещении этих путей в одном месте происходило бы непроизводительное расходование АТФ – важнейшего участника биоэнергетических процессов. В качестве примера пространственного разделения можно привести окислительные превращения с выигрышем энергии, которые идут в клеточных органеллах митохондриях, тогда как восстановительные энергозатратные анаболические процессы образования тех же самых веществ локализованы в жидкой среде клетки – цитозоле.
Генерируемая в катаболических превращениях энергия представляет собой свободную энергию (или энергию Гиббса Δ G °), за счет которой система может совершать работу при постоянных температуре и давлении. В пределах клетки температура мало различается, и энергия химических превращений реализуется через образование макроэргических соединений, главным из которых является аденозинтрифосфат (АТФ, АТР). АТФ содержит две ангидридные связи, гидролиз которых сопровождается выделением энергии, равной ~7,3 ккал/моль (30,5 кДж/моль): где ADP – аденозиндифосфат; AMP – аденозинмонофосфат; Pi и PР i –принятые в биохимии обозначения анионов фосфорной и пирофосфорной кислот (i – inorganic), в общем случае для фосфорной кислоты в клетке это смесь кислых фосфатов. Энергетический выход гидролиза аденозинмонофосфата на аденозин и фосфат Δ G °¢) составляет 3,4 ккал/моль (14,2 кДж/моль), а макроэргическими являются связи, у которых Δ G °¢ превышает 30 кДж/моль. Вещества с пирофосфатными связями – важнейшие, но не единственные макроэргические фосфаты в биохимии. Кроме них можно назвать еще смешанные ангидриды карбоновых кислот и фосфорной кислоты (около –49 кДж/моль), гуанидинофосфаты (около –43 кДж/моль) и енолфосфаты (около –62 кДж/моль). Заложенная в АТФ химическая энергия используется для: · метаболических превращений (при этом молекулы-предшественники фосфорилируются аденозинтрифосфатом в присутствии соответствующих ферментов с образованием активных фосфатов, которые и включаются в обменные процессы); · передвижения молекул; · переноса веществ через клеточные мембраны против градиента концентраций; · осуществления процессов, связанных с передачей наследственной (генетической) информации. Легче всего роль пирофосфатной связи демонстрируется на реакциях конденсации. Предположим, что в клетке должна пройти эндотермическая реакция для которой свободная энергия Гиббса Δ G °¢ равна 12,5 кДж/моль. С участием АТФ (сопряженная реакция) эта схема приобретает следующий вид: или в сумме: где А означает остаток аденина, R – остаток рибозы, Р – фосфатный фрагмент. В суммарной схеме (III) на реакцию образования XY накладывается реакция гидролиза АТФ с образованием АДФ и фосфорной кислоты (Pi) с экзотермическим эффектом –30,5 кДж/моль. Тогда по свободной энергии в сумме получается экзотермический эффект: 12,5 – 30,5 = –18 кДж/моль. Помимо АТФ важнейшим источником химической энергии является восстановительный потенциал, универсальным носителем которого в живой природе стали NADH и NADPH, образующиеся в результате переноса гидрид-иона (Н–) или двух электронов и одного протона на NAD+ или, соответственно, на NADP+, например: где SH2 представляет собой субстрат реакции дегидрирования. Химически этот процесс сопровождается переходом пиридиниевого фрагмента молекулы NAD+ или NADP+ в дигидропиридиновый путем присоединения гидрид-иона или протона и двух электронов, например: Восстановленные формы NADH и NADPH включаются в другие окислительно-восстановительные процессы, в том числе и в биосинтез АТФ, и снова превращаются в NAD+ и NADP+. Химические свойства и окислительно-восстановительные потенциалы NADН и NADPН почти неразличимы (–0,32 В), но лишняя фосфатная группа в последнем делает его несовместимым с апоферментами для пары NAD+/NADH, что позволяет, например, разделять метаболические пути за счет участия этих двух коферментов (косубстратов). Метаболические пути регулируются по трем механизмам. В соответствии с первым механизмом реализуется принцип обратной связи за счет участия в цепи превращений аллостерического (регуляторного) фермента, который практически всегда катализирует необратимую, лимитирующую скорость всего процесса стадию в цепи метаболических превращений. В роли положительных эффекторов аллостерических ферментов чаще всего выступают исходные продукты метаболических превращений или вещества из других метаболических реакций. В соответствии с этим, отрицательными эффекторами всегда являются конечные продукты метаболических превращений или также метаболиты из других реакций. Так, например, в процессах, связанных с образованием АТФ, положительными эффекторами являются АДФ и фосфат, а отрицательным сам АТФ. При этом надо понимать, что речь здесь идет отнюдь не о законе действующих масс, то есть скорость реакции повышается из-за увеличения активности катализатора в результате его взаимодействия с положительным эффектором. По второму механизму регуляция метаболических превращений осуществляется гормонами. Эти вещества вырабатываются железами внутренней секреции (эндокринными железами). Выделяясь непосредственно в кровь, гормоны переносятся к другим клеткам и тормозят или стимулируют определенные виды метаболизма по различным механизмам. Один из таких механизмов демонстрируется на адреналине – гормоне, который продуцируется мозговой (внутренней) частью надпочечников (отсюда англоязычное название адреналина – эпинефрин). Этот гормон вызывает широкий спектр биохимических и физиологических откликов, но здесь речь идет о мобилизации гликогена для покрытия энергетических потребностей организма. Гликоген представляет собой полисахарид, состоящий из соединенных 1,4‑a-гликозидными связями молекул a‑глюкопиранозы. Сама глюкоза не может присутствовать в клетках в значительных количествах из-за осмотических ограничений. Для обеспечения энергетических потребностей гликоген с участием фосфорной кислоты последовательно отщепляет молекулы фосфоглюкозы, которая далее подвергается катаболическому превращению с образованием АТФ. В состоянии опасности по команде ЦНС клетки мозгового вещества надпочечников выбрасывают в кровь адреналин. Циркулирующий с кровью адреналин связывается с рецепторным белком на внешней стороне мембран клеток мышечной ткани и других клеток, что приводит к активации фермента аденилатциклазы (посредниками между адренорецетором и аденилатциклазой служат G-белки). Аденилатциклаза – это фермент, превращающий АТФ в циклический аденозинмонофосфат (цАМФ, сАМР). Этот внутриклеточный посредник («мессенджер») активирует другой фермент – протеинкиназу (Р); в неактивном виде она соединена с регуляторным белком (P–R). цАМФ связывается с этим регуляторным белком и освобождает активную протеинкиназу: Протеинкиназа в свою очередь катализирует реакцию фосфорилирования фосфорилазы с участием АТФ, а фосфорилированная фосфорилаза в виде тетрамера уже катализирует реакцию гликогена с фосфорной кислотой, протекающую с образованием 1‑фосфоглюкозы, используемой клетками для получения АТФ. Далее представлена схема отщепления фосфорной кислотой (фосфоролиза) концевого глюкозидного фрагмента молекулы гликогена: Более выгодно запасать энергию в виде жиров, которые в окислительных превращениях дают больше энергии, чем углеводы. К тому же возможности организма человека по депонированию гликогена ограничены. В жировой же ткани находится в 50 раз больше энергии, чем в гликогене. При избыточном поступлении в организм углеводов они через двухуглеродные продукты катаболических превращений переводятся в жирные кислоты, образующие с глицерином триэфиры – это и есть жиры, откладывающиеся в специальных клетках (адипоцитах). Однако обратного пути из жирных кислот в сахара не существует. При диете, основанной на ограничении энергетической ценности пищи, или при голодании начинают расходоваться не жиры, а белки, поскольку, например, ткани мозга покрывают свои энергетические потребности только за счет глюкозы и некоторых кетопроизводных («кетоновых тел»), которые образуются из многих белковых аминокислот. Запасные белки существуют только в семенах растений или, например, в яйцах птиц. Если в диете отсутствуют углеводы и мало белков, то организму для обеспечения потребности в аминокислотах, из которых может синтезироваться глюкоза (их называют глюкогенными), приходится расходовать мышечную ткань. Третий механизм регуляции метаболизма основан на изменении концентрации ферментов в зависимости от потребности в обеспечиваемых ими превращениях. Это означает, что ферменты, для которых отсутствует субстрат, перестают синтезироваться рибосомами, но при росте потребности в этих ферментах снова активируется соответствующий генный участок ДНК (вообще-то и этот процесс основан на гормональной регуляции), снова образуется мРНК, и синтез фермента по этой матрице возобновляется. В качестве примера здесь можно привести изменение в балансе питания. При недостаточном поступлении углеводов с пищей интенсифицируется глюконеогенез – длинная цепь превращений образующихся из аминокислот трехуглеродных и четырехуглеродных кетокислот, которые завершаются образованием глюкозы. При нормальном балансе веществ в пище нет необходимости в этом процессе, но при недостатке глюкозы начинается биосинтез комплекса ферментов, отвечающих за глюконеогенез, и потребности организма в глюкозе начинают покрываться за счет образования ее из глюкогенных аминокислот, поступающих с пищей, или при недостатке их в пище – из гидролизующихся белков мышечной ткани.
|
|||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2021-05-12; просмотров: 69; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.138.175.180 (0.032 с.) |