Фізико-хімічні властивості білків. Амфотерність. Ізоелектрична точка (pI).

Ф-ції:

1. Струк33турна (формують органи, тканини, клітини, субклітинні структури, у комплексі з ліпідами формують біомембрани)

2. Ферментативна (характ. для ферментів, які за хім. Будовою є білками або комплексами білків з низько молекул. небілковими сполуками)

3. Регуляторна (гормони, які продукуються залозами внутр. секреції, регулюють різні обмінні процеси в організмі людини)

4. Транспортна (забезпеч міжкліт і внутрішньокліт транспорт лігандів: альбуміни сироватки крові

переносять жирні кислоти, білірубін, лікарські препарати та токсичні сполуки; гемоглобін еритроцитів-кисень, ліпопротеїди- ліпіди, трансфери – Ферум)

5. Скоротлива (актин і міозин забезпечують скоротливу роботу м'язів)

6. Захисна (білки імунної сис-ми забезпечують захист організму від бактерій, токсинів, вірусів. Білки сис-ми гомеостазу протидіють кровотечі та тромбоутворенню)

7. Специфічні (білки у вигляді ДНК і РНК беруть участь у зберіганні й передаванні спадкової інформації)

Пептиди відрізняються від білків молекулярною масою та фізико-хімічними властивостями.

Як правило, класифікаціяпептидів за функцією не є ідеальною, оскількидеякіпептидиможутьвідноситься до різнихгруподночасно. Так, наприклад, вазопресин, крімсудинозвужувальної та анти-діуретичноїдії, покращуєпам'ять. А окситоцин можерозглядатися і як гормон (передача сигналу міжклітинами), і як нейропептид, тому щовиконуєфункції медіатора в мозку.

 

2. Молекули білків є лінійними полімерами, що складаються з α-L-амінокислот (які є мономерами цих полімерів) і, в деяких випадках, з модифікованих основних амінокислот (щоправда модифікації відбуваються вже після синтезу білка на рибосомі).При утворенні білка в результаті взаємодії α-аміногрупи (-NH₂) однієї амінокислоти з α-карбоксильною групою (-СООН) іншої амінокислоти утворюються пептидні зв'язки. Кінці білка називають С- і N- кінцями (-COOH чи -NH₂). При природному синтезі білка на рибосомі, нові амінокислоти приєднуються до C-кінця, тому назва пептиду або білка дається шляхом перерахування амінокислотних залишків починаючи з N-кінця.

Сучасна раціональнакласифікація, щобазується на полярності та заряді

радикалу R, передбачаєчотирикласиамінокислот (табл. 2.2):

I — амінокислоти з неполярними (гідрофобними) R-групами;

II — амінокислоти з полярними (гідрофільними) незарядженими R-групами;

III — амінокислоти з негативно зарядженими R-групами (кисліамінокислоти);

IV — амінокислоти з позитивно зарядженими R-групами (основніамінокислоти).

 

3. Фізичні. Одні білки розчинні, інші — ні. Багатобілківутворюютьколоїднірозчини. Білкимаютьрізний смак, колір і запах. Температури, за якихвідбуваєтьсяруйнуваннябілка, специфічні для кожного з них.
Хімічні. 1) Піддієюдеякихчинниківвідбуваєтьсяруйнуваннятривимірноїструктурибілка — денатурація, пов’язанезізміноючетвертинної, третинної та вторинної структур; денатураціяможе бути оборотною і необоротною.
Чинники, щовикликаютьденатураціюбілків: нагрівання; випромінювання, наприкладінфрачервонеабоультрафіолетове; сильнікислоти, сильнілуги, концентрованірозчини солей (уразітривалоїдіїрозриваютьсянавітьпептиднізв’язки); важкі метали; органічнірозчинники (використання спирту як дезінфікуючогозасобубазується на тому, щовінвикликаєденатураціюбілківбактерій). 2) Найважливіша хімічна властивість білків — здатність до гідроліз у, який може проходити при нагріванні з сильними кислотами або лугами(кислотно-основний гідролі з),а також під дією ферментів (ферментативний гідролі з). Гідроліз призводить до розриву пептидних зв’язків з утворенням вільних амінокислот 3) Якісні кольорові реакції білкі в: біуретова реакція на пептидні; ксантопротеїнова реакція на ароматичні та гетероядерні цикли.

 

4.для ізоляції білка або білків використовуються різні типихроматографії, що базуються на таких характеристиках білків, як молекулярна вага, питомий заряд (наприклад, високоефективна рідинна хроматографія) або спорідненість до зв'язування (адсорбційна хроматографія). Рівень очищення може контролюватися, використовуючи різні типи гелевого електрофорезу, якщо відомі молекулярна маса білка та його ізоелектрична точка, спектроскопічні методи, якщо білок має помітні спектроскопічні особливості, або випробування ферментативної активності, якщо білок має ферментативну активність. Додатково, білкиможуть бути ізольовані на основіїхньогоелектричного заряду за допомогою ізоелектричногофокусування. Хроматографічніметоди (наприклад, гелевийелектрофорез, високоефективнарідиннахроматографія) використовуються для розділенняпродуктівреакції, післячого вони можуть бути візуалізовані за допомогоюіншихметодів.

 

5. Типи зв’язків у білкових молекулах

Ковалентнізв’язки.

1.1. Пептиднізв’язки — виникаютьвнаслідоквзаємодії α -карбоксильних таα -аміногрупамінокислот, щоутворюютьпептиднийланцюг.

1.2. Дисульфіднізв’язки (–S–S–) — утворюютьсяміжзалишками молекулцистеїну, щовходять до одного аборізнихпептиднихланцюгів.

Нековалентнізв’язки

2.1. Водневізв’язки — виникаютьміждвомаелектронегативними атомамиза рахунок атома водню, ковалентнозв’язаного з одним ізелектронегативнихатомів.

2.2. Іонні зв’язки — зв’язують між собою іонізовані амінні та карбоксильнігрупи (головним чином, бічнихрадикалівдіаміно- та дикарбоновихамінокислот).

2.3. Дипольнізв’язки — електростатичнівзаємодіїпостійнихчиіндукованих диполей, якіможутьутворюватисяміж радикалами полярнихамінокислот (серину, треоніну, цистеїну, тирозину тощо), щовходятьдоскладубілкових молекул.

2.4. Гідрофобні взаємодії — слабкі взаємодії, що виникають між бічними радикалами таких амінокислот, як валін, лейцин, ізолейцин, фенілаланін тощо за рахунок їх “виштовхування” з полярної (звичайно, водної) фази.

Первинна структура білків -пептидний (поліпептидний) ланцюг, побудованийіззалишків L-амінокислот.Крімпептиднихзв’язків, первинну структуру білківстворюютьтакождисульфідні зв’язки, щоз’єднуютьпевніділянкиполіпептидноголанцюгаабоокреміпептиди.

Вторинна структура білків -це ряд конформацій, утворення яких зумовлено, головним чином, водневими зв’язками між окремими ділянками (переважно, пептидними групами) пептидного ланцюга або різними пептидними ланцюгами. Розрізняють два основних типи впорядкованої вторинної структури білкових молекул: α-спіраль та β-структуру. α-Спіраль — конформація, яка утворюється при просторовому скручуванні поліпептидного ланцюга за рахунок водневих зв’язків, що виникають між С=О- та NH-групами поліпептидного ланцюга, що віддалені одна від одної на чотири амінокислотних залишки. β -Структура — структура типу складчастого шару, складається із зигзагоподібно розгорнутих поліпептидних ланцюгів, що розташовані поряд (двох або більшої кількості). β-Структури утворюються за рахунок міжланцюгових водневих зв’язків, що з’єднують групи С=О та NH сусідніх поліпептидів Крім упорядкованих типів (α -спіралі та β -структури), вторинна структура може являти собою нерегулярну, невпорядковану (хаотичну) конформацію.

Третинна структура білків. В утворенні та стабілізації третинної структури беруть участь водневі, іонні, гідрофобні зв’язки та взаємодії. Залежновідформи та особливостейтримірноїпросторовоїорганізації, виділяютьглобулярні та фібрилярнібілки. Глобулярні білки — білки, що мають округлу (кулеподібну, або еліпсоїдну) форму.Цеальбумінсироватки крові, міоглобінм’язів, гемоглобін, більшістьферментнихбілків. Глобулярні білки побудовані з одного або декількох зв’язаних дисульфідними місточками поліпептидних ланцюгів, що згорнуті в щільні кулеподібні форми. Фібрилярні білки – структурною особливістю таких білків є витягнута форма молекул, утворюють ниткоподібні комплекси, що склад з кількох паралельних поліпептидних ланцюгів.

Білки, якімають четвертинну структуру, називаютьсяолігомерамиабомультимерами, а ланцюги, з яких вони утворені, - протомерамиабосубодиницями.

 

Класифікація

За функціями:

-ферменти

-транспортні

-захисні

-скоротливі

-структурні

-білки-гормони

За формою молекул:

-глобулярні

-фібрилярні

За фізико-хімічними властивостями:

- кислі

-основні

-нейтральні

-полярні

-неполярні

За хімічною будовою:

- прості

-складні

До простих білків відносять гістони, протаміни, альбуміни,глобуліни,проламіни,глютеліни,протеноїди. До складу простих білків входять лише залишки амінокислот, об’єднаних поліпептидні ланцюги.

Роль:

-глобуліни плазми крові: транспорт мінеральних речовин, гормонів, жирні кислоти; є антипротеазами, беруть участь у згортанні крові.

-гістони: структурна і регуляторна функція

-колаген: основний білок сполучної тканини.

 

Мінорні нуклеотиди

Крім зазначених вище основних п’яти азотистих основ (двох пуринових та трьох

піримідинових), до складу деяких нуклеїнових кислот входять у відносно незначних

кількостях додаткові (мінорні) азотисті основи та відповідні їм мінорні нуклеотиди.

Найбільша кількість мінорних нуклеотидів зустрічається в молекулах транспортних

РНК (тРНК) — до 5 % загального нуклеотидного складу. До мінорних нуклеотидів

належать метильовані похідні звичайних азотистих основ, зокрема, 1-метиладенін,

2-метиладенін, 6-диметиладенін, 1-метилгуанін, 7-метилгуанін, 1-метилурацил,

5-оксиметилурацил, 3-метилцитозин тощо. ДНК людини містять значну кількість

5-метилцитозину, інформаційні РНК — N-метильовані похідні аденіну та гуаніну.

Нуклеотидом незвичайної структури, що входить до складу тРНК, є псевдоуридин

() — нуклеотид, в якому рибоза приєднана до урацилу в 5-му положенні, тобто не

азот-вуглецевим, а вуглець-вуглецевим зв’язком.

Біологічні функції мінорних нуклеотидів до кінця не з’ясовані.

Біохімічні функції вільних нуклеотидів:

1. Участь в енергетичному обміні (реакціях окисного фосфорилювання) — функ-

цію виконують нуклеотиди аденілової системи (АТФ, АДФ). Ці ж нуклеотиди та

АМФ можуть бути алостеричними модуляторами певних регуляторних ферментів,

зокрема ферментів гліколізу, біосинтезу пуринових нуклеотидів.

2. Участь у метаболічних реакціях у ролі коферментів, зокрема:

– НАД, НАДФ, ФАД, ФМН — у реакціях біологічного окислення;

– УТФ, УДФ — у реакціях біосинтезу глікогену;

– ЦТФ, ЦДФ — у біосинтезі гліцерофосфоліпідів.

34.

Зміна кількості ферменту – шлях регуляції ферментативних процесів, для реалізації якого потрібен більш тривалий час, ніж для зміни каталітичної активності. Це пов’язано з тим, що запуск або гальмування механізмів цього шляху відбувається на рівні генів.

Ферменти, які наявні в клітині завжди і мають постійну швидкість синтезу – це конститутивні ферменти. Деякі ферменти синтезуються у відповідь на надходження субстрату у клітину, їх синтез гальмується в разі відсутності цього субстрату – це індуцибельні (адаптивні) ферменти. До індуцибельних ферментів належать ферменти катаболічних шляхів. Репресія. Репресія синтезу ферментів характерна для анаболічних процесів і реалізується в разі, коли продукт синтетичного шляху наявний в клітині вже у достатній кількості.

35.

У медичній ензимології виділять три напрямки:

- ензимопатологія вивчає молекулярні хвороби, причина виникнення яких пов’язана з дефіцитом або повною відсутністю ферментів (ензимопатії).

- ензимодіагностика дає змогу використовувати визна-чення активності ферментів у біологічних рідинах людини для встановлення діагнозу.(діагностика крові)

- ензимотерапія вивчає і використовує можливості використання ферментів для лікування захворювань. Цей розділ медичної ензимології розвивається у двох напрямках:

1) замісна,яка пов’язана із введенням ферменту при його дефіциті в організмі;

2) у комплексній терапії захворювань разом з іншими лікарськими засобами або заходами.

 

Замісна терапія найчастіше використовується для лікування розладів ШКТ. Для поліпшення процесів травлення використовують лікарські препарати, які містять ферменти травлення (пепсин, панкреатин, фестал та ін.).

Імобілізовані ферменти – це нерозчинні ферменти, які штучно створені шляхом приєднання молекул ензиму до нерозчинного у воді носія (марлеві серветки, тампони, біополімери, ліпосоми тощо.).

використання імобілізованих ферментів у медицині:

1) використовують при протезуванні стінки шлунка або кишечника;

2) для очищення ран використовують протеолітичні ферменти, які імобілізовані на марлевих серветках;

3) імобілізовану глюкозооксидозу використовують для визначення концентрації глюкози у біологічних рідинах;

4) ліпосоми (везикули, що утворені фосфоліпідами) можуть бути використані для направленого транспорту лікарських препаратів до тканин;

 

35.ВОКОРИСТАННЯ ФЕРМЕНТІВ У МЕДИЦИНІ

В останні роки ферменти набули широкого застосування в

практичній і експериментальній медицині. Розрізняють три напрямки

використання ферментів у медицині: ензимопатологія, ензимодіагностика

й ензимотерапія.

Ензимопатологія вивчає стан ферментативної активності в нормі й

патології. Встановлено, що багато спадкових захворювань є наслідком

дефекту якогось ферменту. Дефектними можуть бути ферменти, що

каталізують обмін вуглеводів, ліпідів, амінокислот тощо. Так, галак-

тоземія– спадкове захворювання, що проявляється підвищенням

концентрації галактози в крові, розвивається внаслідок спадкового

дефекту синтезу ключового ферменту – галактозофосфат-уридил-

трансферази, який каталізує перетворення галактози в глюкозу.

Ензимодіагностика широко застосовується в практичній медицині з

метою уточнення діагнозу, встановлення ефективності лікування та

прогнозу перебігу патологічного стану. В клініці найчастіше вивчають

активність ферментів крові, рідше – сечі та інших біологічних рідин. За

умов ураження тканин і органів внаслідок порушення проникності

клітинних мембран ферменти надходять у кров, що проявляється

підвищенням їх активності, яку можна зафіксувати за допомогою

специфічних способів. Із метою діагностики захворювань найчастіше

вивчають зміни в крові (в основному підвищення) так званих органо-

специфічних ферментів або ізоферментів. Для печінки такими фермен-

тами є аланінамінотрансфераза, гістидаза, орнітинкарбамоїлтрансфераза,

лужна фосфатаза та інші; для діагностики захворювань серця вивчають

ферменти аспартатамінотрансферазу, креатинфосфокіназу, лактатде-

гідрогеназу; для діагностики уражень підшлункової залози застосовують

дослідження активності альфа-амілази, трансамідинази тощо.

Ензимотерапія проводиться переважно в тих випадках, коли в

організмі не вистачає якогось ферменту чи коферменту або як

допоміжний засіб при деяких захворюваннях. Так, нестача ферментів

у шлунково-кишковому тракті через зниження секреції травних соків

може бути компенсована призначенням хворим препаратів пепсину із

соляною кислотою за умов ахілії або препаратів трипсину в капсулах

за умов нестачі ферментів підшлункової залози.

Препарати цитохрому с застосовують для лікування хворих, отруєних

окисом вуглецю і деякими іншими сполуками, що порушують процеси

тканинного дихання. Різні протеолітичні препарати використовують для

первинної обробки некротичних ран, опіків, гангренозних уражень з метою

розщеплення білків загиблих клітин.

 

36 Ензимопатологія вивчаємолекулярніхвороби, причина виникненняякихпов’язана з дефіцитомабоповноювідсутністюферментів (ензимопатії). На сьогоднівідомобільшніж 1000 ензимопатійрізнихвидівобміну (фенілкетонурія, альбінізм, гомоцистинурія, глікогенозитощо).Ензимопатологіявивчає стан ферментативноїактивностівнормі й патології. Встановлено, щобагатоспадковихзахворювань є наслідком дефекту якогось ферменту. Дефектнимиможуть бути ферменти, щокаталізуютьобмінвуглеводів, ліпідів, амінокислоттощо. Так, галактоземія — спадковезахворювання, щопроявляєтьсяпідвищеннямконцентраціїгалактози в крові, розвиваєтьсявнаслідокспадкового дефекту синтезу ключового ферменту — галактозофосфат-уридил- трансферази, якийкаталізуєперетвореннягалактози в глюкозу. Причиною іншоїспадковоїхвороби (фенілкетонурії), яка супроводжуєтьсярозладомпсихічноїдіяльності, є втратаклітинамиздатностісинтезувати фермент, щокаталізуєперетворенняфенілаланіну в тирозин. Зараз виявленобагато форм різнихферментопатій..

37Ензимодіагностика даєзмогувикористовувативизначенняактивностіферментів у біологічнихрідинахлюдини для встановленнядіагнозу. Найчастішевикористовуєтьсявизначенняактивностіферментівкрові. Ферментикровіумовноподіляють на три групи:

1) індикаторні (клітинні, маркерні) ферменти – локалізовані в клітинах тканин, потрапляють у кров у результаті фізіологічного старіння та руйнації клітин або в результаті підвищення проникності клітинних мембран. У кровізнаходитьсядекількадесятківіндикаторнихферментів. У норміклітинніферменти в кровімаютьневеликуактивність та не виконуютьспецифічнихфункцій. При надходженні в кров вониінактивуються протеазами сироватки та тканин. Активністьцихферментівзростає при ураженніорганів, коли спостерігаєтьсяпотужнаруйнаціяклітинних мембран. Ферментицієїгрупиподіляються на неспецифічні та органоспецифічні. Неспецифічнііндикаторніферментикаталізуютьуніверсальніреакціїметаболізму та локалізовані в більшостіорганів та тканин. Органоспецифічніферментизнаходятьсялише в тих органах і тканинах, де відбуваютьсяспецифічніреакції, властивілише для клітинцього органу. Саме тому підвищенняактивностіцихферментів у кровісвідчить про органнулокалізаціюпатологічногопроцесу;

2) секреторн і (плазмоспецифічні) ферменти – синтезуються в печінці, виділяються в кров, де виконують певні фізіологічні функції (ферменти системи згортання крові, фібринолізу, холінестераза, церулоплазмін, протеазиренін-ангіотензинової та калекреїнової систем тощо);

3) екскреторні ферменти – синтезуються в печінці, підшлунковій залозі, слизовій оболонці кишечника. Поява цих ферментів у крові пов’язана з природною руйнацією клітинних структур, в яких вони утворюються (лужна фосфатаза, лейцинамінопептидаза, ентерокіназа, ГГТП, трипсин, ліпаза та ін.).

Для діагностики захворювань внутрішніх органів найчастіше визначають активність таких ферментів сироватки крові, як амінотрансфераз (АСАТ та АЛАТ), лактатдегідрогенази, креатинфосфокінази (КФК, креатинкіназа), альдолази, лужної фосфатази, амілази та деяких інших, а також ізоферментів (ЛДГ, КФК, лужної фосфатази, амілази та ін.).

. Для визначення актив-ностіізоферментів, наприклад, ЛДГ та КФК, використовуютьімунологічні, хроматографічні та електрофоретичніметоди.

38 Ензимотерапія проводиться переважно в тих випадках, коли в організмі не вистачаєякогось ферменту чи коферменту або як допоміжнийзасіб при деякихзахворюваннях. Так, нестачаферментів у шлунково-кишковомутракті через зниженнясекреціїтравнихсоківможе бути компенсованапризначеннямхворимпрепаратів пепсину із соляною кислотою за умов ахіліїабопрепаратів трипсину в капсулах за умов нестачіферментівпідшлунковоїзалози.

Препаратицитохрому с застосовують для лікуванняхворих, отруєнихокисомвуглецю і деякимиіншимисполуками, щопорушуютьпроцеситканинногодихання. Різніпротеолітичніпрепаративикористовують для первинноїобробкинекротичних ран, опіків, гангренознихуражень з метою розщепленнябілківзагиблихклітин. Цесприяєочищенню ран і зменшеннюзапальнихявищ. Нуклеазизастосовують для лікуваннядеякихвіруснихзахворювань. Наприклад, для лікуваннявірусногокон'юнктивітувикористовуютьочнікраплі, щомістятьДНКазу: фермент руйнує ДНК вірусу і цимвиліковуєзахворювання.

Широко застосовуютьсяпротеолітичніферменти в лікуванні й попередженнітромбозів, тобтозакупореньсудинзгусткамикрові. Фер-мент аспарагіназувикористовують для лікуваннядеяких форм лейкозів. Вонополягає в тому, щоамінокислотааспарагін у лейкознихклітинах не синтезується і вони їходержуютьізплазмикрові. Тому введенняхворимаспарагіназипризводить до руйнування в кровіаспарагіну, пригнічення синтезу білків у лейкознихклітинах, щовикликаєїхзагибель. Із метою знешкодженнязбудниківзапальнихпроцесівпід час лікування ран як зовнішнійзасібвикористовуютьглюкозооксидазу.

Крімферментів, у лікувальнійпрактицізастосовуютьтакож ко- ферменти. Наприклад, тіамінпірофосфат (кокарбоксилазу) вводятьхворим на серцевізахворювання, нервовірозладитощо. Хворим на серцевізахворювання, м'язовідистрофії, променеву хворобу призначають АТФ, НАД та інші.

Широко застосовують у лікувальнійсправіінгібіториферментів. Так, для пригніченняактивностіпротеолітичнихферментів у підшлунковійзалозі за умов гострого панкреатиту використовуютьінгібітор протеаз — трасилол. Природніінгібітори протеаз застосовуютьтакож у лікуванніалергічнихзахворювань, гострихартритів, при якихспостерігаєтьсяактиваціяпротеолізу і фібринолізу, щосупроводжуєтьсяутвореннямвазоактивнихкінінів. Використовуються й інгібіториамінооксидаз, які, інгібуючимоноамінооксидази, сприяютьзбереженнюпотрібноїкількостімоноамінів

 

39 Метаболізм (обмінречовин) - сукупністьбіохімічнихперетворень в організмі, якізабезпечуютьнеобхіднимиречовинами та енергією, щонеобхідні для йогожиттєдіяльності. метаболізмпередбачаєтакіпослідовністадії:

1) надходженнябілків, ліпідів, вуглеводів, неорганічнихречовин з продуктами харчування;

2) перетравлюванняорганічнихречовиндобільшпростих та їхусмоктування в ШКТ;

3) транспорт сполуккров'ювід ШКТ до клітинорпіпічму;

4) біохімічніперетворення в клітинахрізнихорганів та систем, у тому числі з утвореннямкніциніЧпродуктів;

5) екскреціякінцевихпродуктіIIобміну(сечовини, сечовоїкислоти, кон'юпп ІII гощо).

Протенайчастішепідцимпоняттямрозуміютьпроміжнийобмін (внутрішньоклітинний), щовідбуваєтьсябезпосередньо в клітинах, тобтосукупністьусіххімічнихперетвореньклітинорганізму. Так, наприклад, виділяютьметаболізмбілків, метаболізмвуглеводів, метаболізмнуклеотидівтощо. Метаболічний шлях -послідовністьбіохімічнихперетворень, пов'язанихзіспецифічнимперетво-реннямсполук у не обхід-ніпродукти.

Метаболіти - проміжніпродуктиметаболічного шляху. Головні метаболічні шляхи - біохімічніперетворення, щопов'язані з розпадом та синтезом найбільшважливихсполук і є загальнимидля більшостіживихорганізмів. Специфічні метаболічні шляхи - біохімічніперетворенняокремихіндивідуальнихсполук, які є специфічними для певного виду обміну.Доголовнихметаболічнихшляхів, наприклад, належать синтез ДНК, РНК, білків, цикл Кребсу, синтез жирних кислот, тощо. До специфічнихметаболічнихшляхівпотрібновіднестиметаболізмглюкуроновоїкислоти, сорбітолу, карнозину, анзеринувметаболізмівиділяють:

Анаболізм сукупністьбіохімічнихпроцесів синтезу складнихбіомолекул з більшпростих.

Катаболізм сукупністьбіохімічнихпроцесіврозщепленняскладних молекул добільшпростих, у тому числі до кінцевихпродуктівобміну.

Відповідновсіметаболічні шляхи в організміподіляютьна:

1) анаболічні — біохімічніперетвореним, якіспрямовані на синтез білків, ліпідів, вуглеводівтощо.

2) катаболічні - біохімічніперетворення, якіміститьреакціїрозщепленнясполук (гідроліз, окисленняПерша стадія

Перша стадіяКатаболізм біомолекул починається з того, що відбувається розщеплення більш складних молекул до простих їхскладовихбілків до амінокислот

Вуглеводів(полісахаридів) до моносахаридів,

Ліпідів до гліцеролу та жирних кислот.

Реакції цієї стадії відбуваються в цитозолі клітин і не супроводжуються виділенням енергії

Друга стадія Далі структурні компоненти біополімерів, що утворилися на першій стадії (амінокислоти, моносахариди, жирні кислоти, гліцерил), поступово розщеплюються до спільного ключового метаболіту для всіх видів обміну - ацетил-КоА (активна форма оцтової кислоти).

Реакції другої стадії до утворення піровиноградної кислоти (ІІВК, або піруват) відбуваються в цитозолі, переворенняпірувату в ацетил-КоА - у мітохондріях.

До процесів катаболізму цієї стадії належать: для моносахаридів (основним є глюкоза) - це реакції гліколізу до пірувату і далі до ацетил-КоА; - для амінокислот - це реакції дезамінування, які для деякихз них супроводжуються утворенням пірувату, а потімацетил-КоА; для інших - одразу утворюється ацетил-КоА;

- для жирних кислот - реакції (3-окиснення, кінцевимпродуктом яких є ацетил-КоА;

- для гліцеролу - реакції розщеплення з утворенням піруватуйацетил-КоА. __ АДФ + Ф ►АТФ

.Друга стадія супроводжується виділенням енергії, кількість якої значно поступається кількості енергії третьої стадії.

Третя стадія На цій стадії відбувається окиснення ацетил-КоА до кінцевих продуктів Н20 та С02, що супроводжується генерацією значної кількості енергії (70-80% енергії).

Третя стадія відбувається в мітохондріях і складається з таких процесів, як ЦЛК (цикл лимонної кислоти) та функціонуванняелектронтранспортногомітохондріального ланцюга (дихальний ланцюг мітохондрій), робота якого пов'язана з окисним фосфорилюванням - основним процесом синтезу АТФ у клітинах.

Перша та друга стадії належать до специфічних шляхів катаболізму розпад паливних молекул до ацети-КоА відбувається власними шляхами, які для білків, вуглеводів та піиідіи не збігаються, тобто є специфічними. Третя стадія - ми пін,ні шляхи катаболізму, оскільки відбувається подальший І н мі під п це і и їм юі о залишку, - загального проміжного метабо- ііі і\ до міщених продуктів. Тобто загальні шляхи катаболізму цс І № ІК їй окисне фосфорилкжаиия. ЦЛК - це циклічний процес, 8 реакцій якого локалізовані у мітохондріях еукаріот. Практично всіферментизнаходяться в матриксімітохондрій у вільномустані, лише один зв'язаний з внутрішньою мембраною, тобтовбудований у біліпідний шар - цесукцинатдегідрогеназа. У прокаріотреакції ІДЛК відбуваються у цитозолі.ЦЛК - цециклічнийпроцес, 8 реакційякоголокалізовані у мітохондріяхеукаріот. Практично всіферментизнаходяться в матриксімітохондрій у вільномустані, лише один зв'язаний з внутрішньою мембраною, тобтовбудований у біліпідний шар - цесукцинатдегідрогеназа. У прокаріотреакції ІДЛК відбуваються у цитозолі.

Амфіболізм - процескатаболізму, проміжні

метаболітиякогоможуть бути використанідлясинтезу (для анаболізму) іншихсполукАмфіболічні шляхи надаютьметаболізмупевноїгнучкості, щодозволяєздійснюватибільшточнурегуляціюпроцесів.Для підсиленняметаболічнихшляхів, щонеобхідно, наприклад, для утвореннябільшоїкількостіенергії, в клітинахіснуютьанаплеротичніреакції (поповнювальні). Послідовністьтаких реакційпродукуєметаболіт, якийпотімможенадходити в певнийметаболічнийпроцес, робота якого стане більшефективною, тобтопроцес буде підсилений

 

40ЦЛК - це циклічний процес, 8 реакцій якого локалізовані у мітохондріях еукаріот. Практично всіферментизнаходяться в матриксімітохондрій у вільномустані, лише один зв'язаний з внутрішньою мембраною, тобтовбудований у біліпідний шар - цесукцинатдегідрогеназа. Упрокаріотреакції ІДЛК відбуваються у цитозолі. Біологічна роль процесу Цикл Кребса є основою метаболізму, тому що виконує функції, життєво необхідні для організму. На важливістьцьогопроцесувказує той факт, що не існуєспадковихзахворювань, причиною яких є дефіцитферментів ІДЛК. Будь-якіпроблемивроботіцього циклу не сумісні з життям.

Цикл виконує такі функції:

1) інтегративну - ІДЛК поєднує шляхи метаболічних перетворень ліпідів, вуглеводів, білків: вказані паливні молекули можуть розщеплюватися до інтермедіатів циклу і синтезуватися з них;

2) енергетичну - в ЦЛК є одна реакція субстратного фосфорилювання, в якійутворюється 1 молекула ГТФ; потім ГТФ бере участь в утворенні 1 молекули АТФ (тобтоенергетичний баланс самого циклу, без подальшихперетвореньвідновнихеквівалентів, становить 1 АТФ);

3) воденъгенеруючу - цикл є головним генератором Н+ для робота дихальноголанцюга, тому що в ЦЛК відбуваєтьсявідновлення НАД+ до НАДНН+ та ФАД до ФАДН2; далі НАДН Н+ та ФАДН2 окиснюються Вдихальномуланцюзі, роботаякого приводить до синтезу АТФ (тому сумарнийенергетичний баланс одного циклу більшеніж 1 АТФ і становить 12 молекул АТФ - розрахунок буде наведений нижче);

4) амфіболічну - інтермедіатицьогокатаболічногопроцесуможуть бути використанідля синтезу іншихсполук. Виведенняпроміжнихметаболітів з циклу повинно бути пов'язане з високоюкатаболічноюактивністю ЦЛК для продукції АТФ. Прикладивикористанняпроміжнихметаболітів ЦЛК для синтезу інших сполук

41. ФЕРМЕНТАТИВНІ РЕАКЦІЇ ЦИКЛУ ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ

1. Утворення лимонної кислоти (цитрату) за рахунок конденсації ацетил-КоА з шавлевооцтовою кислотою (оксалоацетатом). Реакція каталізується ферментом цитратсинтазою. Вона є регуляторним фер-
ментом

2. Перетворення цитрату на ізоцитрат. Реакція каталізується

ферментом аконітазою і складається з двох етапів:

2.1. Дегідратація лимонної кислоти з утворенням цис-аконітату

2.2. Приєднання до цис-аконітату молекули води. з

утворенням ізоцитрату

3. Дегідрування та декарбоксилювання ізоцитрату. Реакція каталізується НАД-

залежною ізоцитратдегідрогеназою і призводить до утворення а-кетоглутарату.

4. Окислювальне декарбоксилювання а-кетоглутарату з утворенням сукциніл-КоА — стадія, що каталізується

мультиензимним а-кетоглутарат- дегідрогеназним комплексом. Кінцевий продукт — високоенергетичний тіоефір сукциніл-КоА, в макроергічному зв'язку якого акумульовано хімічну енергію окислювально-відновлювальною реакцією

 

5 Деацилювання сукциніл-КоА (перетворення на (сукцинат).

Реакція каталізується ферментом сукцинілтіокіназою. У результаті розщеплюється макроергічний зв'язок у молекулі сукциніл-КоА, та за рахунок цієї енергії утворюється нова макроергічна сполука нуклеозидтрифосфат ГТФ:

6 Окислення янтарної кислоти фумарової кислоти (фумарату^ каталізується ФАД-залежним ферментом сукцинат дегідрогеназою

7 Перетворення фумарової кислоти на малат) внаслідок приєднання до фумарату молекули води.Реакція каталізується ферментом фумаразою

8 Окислення малату до оксалоацетату

Реакція каталізується НАД-залежним ферментом — малатдегідрогеназою мітохондрій:

 

Амфіболічні реакції - інтермедіати цих катаболічних процесів можуть бути використані для синтезу інших сполук. Виведення проміжних метаболітів з циклу повинно бути пов'язане з високою катаболічною активністю ЦЛК для продукції АТФ. Приклади використання проміжних метаболітів ЦЛК для синтезу інших сполук:

Оксалоацетат —► Аспартат —> Аспарагін

 

Синтез глюкози Синтез білків

 

а-Кетоглутарат —> Глутамат —> Глутамін

 

Синтез білка, нуклеотидів

Сукциніл-КоА ~> Синтез гему

 

Під час виведення інтермедіатів ЦЛК для синтетичних процесів їх концентрація не повинна суттєво знижуватися, тому що це може нашкодити процесу генерації енергії. Тому в клітині існують «запобіжні клапани», які допомагають підтримувати концентрацію проміжних метаболітів циклу на необхідному рівні - це анаплеротичні реакції:.

- піруваткарбоксилазна реакція, яка каталізує утворення оксалоацетату з пірувату

- аспартат-амінотрансферазна реакція, яка каталізує утворення оксалоацетату з аспартату;

- глутаматдегідрогеназна реакція, яка каталізує утворення а-кетоглутарату з глутамату;

- утворення сукциніл-КоА з пропіоніл-КоА

- утворення фумарату при катаболізмі ароматичних амінокислот (Фен, Тир);

- у-амінобутиратний шунт - процес, який відбувається в мозку і пов'язаний з утворенням ГАМК та її катаболізмом до сукциніл-КоА:

 

 

42 Енергетичний баланс ЦЛК з урахуванням окисного фосфорилювання

Робота циклу Кребса спряжена з функціонуванням дихального ланцюга мітохондрій. Вивільнення енергії, яка акумульована у відновних еквівалентах НАДНН та ФАДН2, відбувається завдяки роботі дихального ланцюга. По цьому ланцюгу білків-переносників транспортуються електрони з субстратів на кисень, вивільняється енергія, якої достатньо для синтезу АТФ. Перенесення електронів супроводжується окисненням НАДН'Н та ФАДН2, але кількість АТФ, що синтезується в результаті цього, різна. За рахунок окиснення НАДНН завжди утворюється З АТФ, окиснення ФАДН2 супроводжується синтезом лише 2 АТФ

 

В одному циклі відбувається відновлення З НАД, 1 ФАД та утворення 1 ГТФ, тому енергетичний баланс циклу з урахуванням окисного фосфорилювання має такий вигляд:

З НАДН Н = 3 * ЗАТФ = 9 АТФ

1 ФАДН2 = 2 АТФ

1 ГТФ = 1 АТФ

Загальна кількість 12 АТФ

 

Сумарне рівняння циклу Кребса з урахуванням лише

субстратів та продуктів таке:

Ацетил-КоА + 2Н20 + АДФ + Фн + ЗНАД + ФАД

КоА + 2С02 + АТФ + НАДН'Н + ФАДН2.

3.4. Регуляція циклу лимонної кислоти

Активність циклу залежить від надходження окисних форм коферхментів дегідрогеназ (насамперед НАД) та швидкості використання АТФ у клітині (тобто від співвідношення АТФ/АДФ). Робота циклу цілком залежить від енергетичного статусу клітини - при зростанні потреб клітини в енергії цикл активується, при зниженні використання енергетичних субстратів відбувається інгібування цього процесу.

 

У ЦЛК є регуляторні ферменти, активність яких регулюється алостерично за допомогою активаторів та

інгібіторів.

Регуляторні ферменти циклу:

1) цитратсинтаза - це основний регуляторний фермент всього циклу; інгібітори - АТФ, жирні кислоти, цитрат, сукциніл-КоА, НАДН'Н; активність цього ферменту також залежить від концентрації субстратів - ацетил-КоА та оксалоацетату;

2) ізоцитратдегідрогеназа — відомо, що з трьох ізоферментів цього ферменту в мітохондріях зустрічається НАД-залежна ізоцитратдегідрогеназа, активність якої залежить від концентрації іонів Мп24 або активатори - Са2+, АДФ та АМФ, інгібітори — АТФ, НАДН'Н, сукциніл-КоА;

3) а-кетоглутаратдегідрогеназний комплекс - цей мультиферменгний комплекс регулюється продуктами реакції: інгібітори - НАДН'Н та сукциніл-КоА, активатор -

Са2+.

Крім того, на швидкість процесу впливає активність сукцинатдегідрогенази та малатдегідрогенази:

-сукцинатдегідрогеназа інгібується оксалоацетатом,

- активність малатдегідрогенази залежить від співвідношення НАДН Н/ НАД.

 

43 ендергонічн і відбуваються з поглинанням енергії (реакції синтезу та відновлення). Екзергонічні, супроводжуються виділенням енергії, яка акумулюється у високоенергетичних (макроер- гічних) сполуках (наприклад, АТФ, креатин-фосфат тощо); ці сполуки в подальшому використовуються для анаболічних перетворень.

Енергія може бути акумульована в різних субстратах окиснення, проте лише енергія у формі АТФ може бути використана клітинами організму. Саме тому АТФ називають «універсальним джерелом енергії».