Строение ферментов и коферментов

Форма белковых молекул

В зависимости от третичной структуры белки могут иметь нитевидную (фибриллярную) и шарообразную (глобулярную) форму.

Фибриллярные белки являются структурным или сократительным ма­териалом организма. Например, коллаген входит в состав сухожилий, хря­щей, кожи и принимает участие в образовании скелета, а миозин являет­ся сократительным белком мышц. Эти белки не растворяются в воде.

Глобулярные белки способны легко передвигаться и проникать через стенки кровеносных капилляров. Они растворяются в воде и содержатся в жидких средах организма. Глобулярными являются белки иммунной системы (антитела), сократительный белок мышц актин, все ферменты, а также гемоглобин, миоглобин и многие другие белки.

Глобулярные белки могут превращаться в фибриллярные. Такое изме­нение формы белка влияет на его свойства (растворимость, специфичес­кую функцию). Глобулярные белки при переходе в фибриллярные стано­вятся нерастворимыми и плохо перевариваются, а ферменты теряют ката­литическую функцию.

Свойства белков

Проявление биологической активности белков зависит не только от стро­ения их молекул, но и от химических свойств. Основными физико-хими­ческими свойствами белков являются: молекулярная масса, раствори­мость в воде, способность образовывать гели, денатурация, амфотерность, буферное действие и др.

Молекулярная масса белков колеблется от 6000 до нескольких милли­онов дальтон. Так, молекулярная масса гормона инсулина составляет 5733, рибонуклеазы (фермента, расщепляющего РНК) — 12 640, миоглобина (белка мышц) — 17 000, гемоглобина — 64 500, глобулина сыворотки крови — 176 000, миозина (белка мышц) — 493 000. Масса белковых мо­лекул влияет на скорость их передвижения в биологических жидкостях.

Растворимость большинства белков в воде осуществляется благодаря способности связывать воду: она увеличивается при небольших концен­трациях нейтральных солей и уменьшается при их высоких концентрациях. Водные растворы белков представляют собой коллоиды.

Способность образовывать гели или сгустки имеет большое физиоло­гическое значение, поскольку придает им высокую упругость или элас­тичность (белки коллаген и эластин, актомиозиновый комплекс). Гели — это структурные объединения белков (сетки), в которых внутреннее про­странство заполнено большим количеством воды.

Коагуляция (от лат. coagulatio — свертывание, сгущение) — это укруп­нение частиц в коллоидных системах, которое может сопровождаться образованием коагулянта (плотного сгустка). Иногда это приводит к обра­зованию сплошных объемных структур (желатинирование).

Денатурация — это нарушение нативной структуры белков под воздей­ствием различных факторов, приводящее к потере его биологической ак­тивности. Денатурация наблюдается при нагревании, изменении рН среды, ультрафиолетовом и ионизирующем облучении, механическом воздействии солей тяжелых металлов, спирта, ацетона. При быстром уда­лении денатурирующих факторов белок может вернуться в нативное сос­тояние (ренатурировать) с восстановлением его биологической функции.

Амфотерные свойства белков проявляются благодаря наличию сво­бодных -NH₂ и
-СООН групп. В кислой среде белки могут диссоциировать как основания, а в щелочной — как кислоты. При взаимодействии с кисло­тами и основаниями белки образуют солеподобные соединения, способ­ные выпадать в осадок. На этом основан один из методов выделения бел­ков — осаждение путем высаливания. Амфотерность белков используют при разделении их на отдельные фракции (метод электрофореза) с целью диагностики различных заболеваний и контроля за изменениями функци­ональных состояний.

Нуклеиновые кислоты

 

Живые организмы обладают способностью вос­производить себе подобных. Явление передачи наследственной информации из поколения в поко­ление связано с нуклеиновыми кислотами.

О существовании нуклеиновых кислот известно уже свыше ста лет, однако только в последние де­сятилетия полностью определена огромная роль этих соединений. Впервые они были выделены швейцарским врачом Ф. Мишером (1868 г.) из ядер клеток и названы нуклеинами {от лат. nucleus — ядро). Позже было установлено, что нуклеины присутствуют также в митохондриях, рибосомах, цитоплазме. Ф. Мишер определил, что в состав нуклеина входят атомы углерода, водорода, кисло­рода, азота и фосфора. Только в 1889 г. Р. Альтман показал, что нуклеин имеет кислые свойства и предложил назвать эти соединения нуклеиновыми кислотами.

Нуклеиновые кислоты имеют более сложную структуру, чем белки. Это одни из наиболее круп­ных молекул, известных человеку, с молекуляр­ной массой в несколько десятков или сотен милли­онов. Именно в этих макромолекулах и содержит­ся информация, которая необходима клетке для образования всех белков, так как сходство и разли­чие организмов в конечном итоге определяются набором белков. Следовательно, нуклеиновые кис­лоты представляют генетический материал живых клеток, который передается из поколения в по­коление при их репродукции, благодаря чему по­томки способны синтезировать те же белки, что и их предки.

Выяснение структуры нуклеиновых кислот от­крыло новую эпоху в биологии, так как позволило понять, каким образом живые клетки, а следова­тельно, и организм точно воспроизводят себя и как в них кодируется информация, необходимая для ре­гулирования их жизнедеятельности.

Нуклеиновые кислоты — это высокомолекулярные соединения, состоящие из большого количества связанных между собой мононуклеотидов. Их можно рассматривать как полимеры нуклеотидов подобно полисахариду гликоге­ну — полимеру глюкозы.

Химический состав нуклеиновых кислот. При полном гидролизе нуклеиновых кислот образуется несколько простых низкомолекулярных ор­ганических веществ, таких как азотистые основания и углеводы, а также молекулы фосфорной кислоты.

Азотистые основания нуклеиновых кислот являются производными ге­тероциклического азотсодержащего соединения пурина (пуриновые осно­вания) или пиримидина (пиримидиновые основания). К пуриновым основани­ям относятся аденин (А) и гуанин (Г), а к пиримидиновым — цитозин (Ц), тимин (Т) и урацил (У). Их молекулы различаются наличием определенных функциональных групп: -NH₂, -ОН, -СН₃.

Из пяти азотистых оснований каждая нуклеиновая кислота включает только четыре — два пуриновых и два пиримидиновых.

 

 

 

Каждый мононуклеотид, кроме азотистого основания, включает остаток углевода (рибоза или дезоксирибоза) и фосфорную кислоту. В зависимости от углевода полинуклеотиды (нуклеиновые кислоты) называют рибонуклеиновыми - РНК или дезоксирибонуклеиновыми - ДНК.

 

Мононуклеотид РНК – аденозинмонофосфорная кислота имеет следующее строение:

 

 

 

 

[

Фосфорная кислота входит в состав всех нуклеиновых кислот в боль­шом количестве. Чаще всего она соединена с углеводным компонентом по гидроксильной группе при пятом углеродном атома рибозы или дезоксирибозы.

Нуклеозиды и нуклеотиды. При неполном гидролизе нуклеиновых кислот образуются нуклеозиды и молекулы фосфорной кислоты, а также нуклеотиды.

Нуклеозид — это соединение, в котором азотистое основание связано с углеводом — рибозой или дезоксирибозой. Их название образуется от названия азотистого основания (например, соединение аденина с рибозой — аденозин).

Структурной единицей нуклеиновых кислот является нуклеотид. Нук­леотиды состоят из трех компонентов: пуринового или пиримидинового основания, углевода рибозы или дезоксирибозы, которые соединены между собой и составляют нуклеозид, и остатка фосфорной кислоты, присоединенной к гидроксилу пятого атома углерода в молекуле углево­да. Примером нуклеотида может служить аденозинмонофосфорная кислота (аденозинмонофосфат), или адениловая кислота.

. Молекулы от­дельных нуклеиновых кислот могут включать от 70 до 5—50 тыс. нуклеотидов.

В зависимости от количества остатков фосфорной кислоты в нуклеотиде выделяют нуклеотидмонофосфаты, нуклеотиддифосфаты, нуклеотидтрифосфаты. Нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидмонофосфатов, но при их синтезе используются нуклеотидтрифосфаты.

2. Структура, свойства

и биологическая роль ДН К

Молекула ДНК имеет очень большую молекулярную массу — от нескольких миллионов до 2—5 миллиардов, так как состоит из 50 тысяч и более нуклеотидов.

В состав ДНК входят углевод дезоксирибоза и азотистые основания — аденин, гуанин, цитозин и тимин. Нуклеотиды соединяются между собой 3', 5'-фосфодиэфирными связями, образуя полинуклеотидную цепь. Моле­кулы ДНК — это двухцепочные структуры, которые несут в себе сразу два "текста", но заключенная в них информация одна и та же, поскольку каж­дому нуклеотиду в одной нити отвечает лишь один определенный нуклео-тид в другой, т.е. два текста однозначно соответствуют друг другу- В этом соответствии заключен принцип комплементарности. Это означает, что в строго упорядоченной двойной спирали пространственные возможности таковы, что против А может стоять только Т, а против Г — только Ц.

 Нуклеотидный текст ДНК — это две комплементарные друг другу строчки. Каждая из них может считываться копирующим ферментом толь­ко в одном направлении. Если одна строчка читается слева направо, то другая — справа налево.

Нуклеотидный состав ДНК разных видов организмов может варьиро­вать в зависимости от сумм комплементарных азотистых оснований:

Каждый орг-м имеет характерную только для него молекулу ДНК с определенным количественным составом и последовательностью нуклеотидов, кото.рые в любых физиологических состояниях сохраняются. Нарушение их приводит к мутациям, вызывающим паталогические изменения в организме.

Структура ДНК. Нуклеотиды в полимерной цепи молекулы ДНК рас­полагаются в строго определенной последовательности, характерной для каждого вида организмов. Такое расположение нуклеотидов называется первичной структурой.

Вторичная структура молекулы ДНК, согласно модели американских биохимиков Уотсона и Крика, представляет собой двойную спираль. Схе­матически она напоминает винтовую лестницу, перила которой образова­ны основной цепью из углеводных и фосфатных групп, в то время как азо­тистые основания между двумя цепями образуют "ступени". Азотистое ос­нование одной полинуклеотидной цепи связано с основанием другой с помощью водородных связей таким образом, что две половинки ступеней образуют довольно прочное соединение. Последовательность азотистых оснований А-Т и Г-Ц одной цепи полностью комплементарна последова­тельности другой цепи. В такой структуре каждая пара оснований удалена друг от друга на 3,4 нм, что соответствует одному витку спирали из деся­ти нуклеотидов.

Третичная структура молекул ДНК на некоторых участках может под­вергаться дальнейшей пространственной укладке в суперспираль, приоб­ретая структуру в виде кольца. Третичная структура образуется благодаря белкам, которые входят в нуклеопротеидный комплекс хромосом. Супер­спиральная структура обеспечивает экономную упаковку огромной моле­кулы ДНК. Так, в хромосоме человека молекула ДНК настолько уплотнена, что ее длина укладывается в 5 нм, хотя истинная ее длина достигает при­мерно 8 см.

Свойства ДНК. Структура молекулы ДНК такова, что может раскручи­ваться за счет разрыва водородных связей и самоудваиваться. Процесс самовоспроизведения молекулы ДНК называется репликацией (рис. 82). Он обеспечивает точное воспроизведение генетической информации в виде синтезирующейся комплементарной цепи ДНК и передачу этой ин­формации следующему поколению в процессе деления клетки. При этом отдельные нуклеотидные цепи ДНК расходятся полностью или только на отдельных ее участках, а на них, как на матрице, происходит синтез ком­плементарной цепи новой молекулы ДНК.

Для процесса репликации ДНК в клетках, кроме наличия ДНК-матри­цы, необходимы структурные ее компоненты: дезоксинуклеотидтрифосфа-ты (АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ и др.), а также специфические ферменты репли-кационной системы, которые называются ДНК-полимеразами.

Биологические свойства ДНК зависят не только от нуклеотидного состава, но и от специфической последовательности нуклеотидов в по­линуклеотидной цепи ДНК, что определяет структуру генома, т. е. все количество ДНК в клетке, несущее генетическую информацию об орга­низме.

Биологическая роль ДНК. Все признаки организма проявляются че­рез свойства синтезирующихся в нем белков. Состав и структура каждого белка закодированы в отдельных участках молекулы ДНК, которые называ­ются генами. Таким образом, основная функция ДНК — хранение и пере­дача наследственной или генетической информации.

Ген — это участок ДНК, на котором закодирована аминокислотная пос­ледовательность, характерная для каждого конкретного белка. Ген являет­ся функциональной единицей наследственности и определяет тот или иной признак организма, поэтому информация, содержащаяся в ДНК, на­зывается генетической. Установлено, что не все количество ДНК связано с хранением генетической информации. У высших организмов только не­значительная часть ДНК (около 2 %) является носителем генетической информации, а большая ее часть выполняет различные регуляторные функ­ции. Количество ДНК, которое несет генетическую информацию данного организма, называют геномом.

Передача генетической информации в ходе синтеза белка осущес­твляется генетическим кодом. Место включения каждой аминокислоты в молекуле синтезирующегося белка закодировано в виде определенной последовательности нуклеотидов в ДНК.

Генетический код — это определенная последовательность азотистых ос­нований нуклеотидов данного гена, соответствующая последовательности аминокислот в белке. Каждая аминокислота кодируется тремя азотистыми основаниями, расположенными в определенной последовательности — трип­летом, который называется кодовом. Большинство аминокислот, кроме ме-тионина и триптофана, может кодироваться несколькими кодонами. Кодоны 20 аминокислот представлены в табл. 17. Указанные кодоны различаются только третьим азотистым основанием. Например, кодирование аминокис­лоты аланина осуществляется четырьмя триплетами нуклеотидов — ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ. Главную роль при узнавании аминокислоты играют первые два основания. Не все кодоны кодируют аминокислоты. Некоторые из них служат "стартовыми" сигналами, запускающими синтез полипептидной цепи белка, как, например, АУГ — кодон метионина. Другие кодоны, например УАА, УАГ и УГА, выполняют функцию прекращения синтеза белка (кодоны терминации).

В молекуле ДНК присутствуют также коды, участвующие в запуске процесса репликации ДНК, синтеза РНК, связывания с молекулами — ре­гуляторами этих процессов. Генетический код универсален для всех живых организмов, так как каждая из 20 аминокислот у них кодируется одним и тем же триплетом нуклеотидов.

При нарушении последовательности нуклеотидов в структуре гена по­являются ошибки в синтезе соответствующего белка, что ведет к наруше­нию его функции в организме (мутационные изменения). Так, мутационные изменения в молекуле гемоглобина, вызванные заменой всего двух из почти шестисот аминокислот, приводят к заболеванию - серповидной анемии. Такая молекула гемоглобина теряет растворимость, в результате чего образуется волокнистый осадок, который деформирует эритроцит и придает ему форму серпа. Серповидные эритроциты быстро разрушают­ся, что приводит к хронической гемолитической анемии.

Количественное содержание и локализация ДНК в клетке зависят от ее функций. Наибольшее ее количество сосредоточено в сперматозоидах — до 60 % сухой массы, в других клетках организма — около 1—10 %, в мыш­цах — до 0,2 %.

В клетке ДНК сосредоточена преимущественно в ядре (до 30 % сухой массы), где связана с белками и хромосомами. Незначительное количес­тво ДНК (до 1—3 %) локализовано в митохондриях. Эти ДНК отличаются от ядерной ДНК составом и молекулярной массой. Митохондриальная ДНК не связана с белками, содержит до 15 генов, обусловливающих цитоплазматическую наследственность. В ней кодируются некоторые типы митохондриальных РНК и полипептидов.

Структура, свойства и биологическая роль РНК

Рибонуклеиновые кислоты представляют собой полинуклеотидные цепи, в которые входит около 6 тысяч нуклеотидов. Они имеют небольшую мо­лекулярную массу (до двух миллионов). Углеводным компонентом РНК является рибоза. Из азотистых оснований в состав РНК входят аденин, гуанин, цитозин, урацил. РНК человека, в отличие от ДНК, состоит из од­ной полинуклеотидной цепи с отдельными спирализованными участками. Двухцепочечные молекулы РНК встречаются только у некото­рых вирусов.

Первичную структуру РНК, как и ДНК, составляет определенная после­довательность чередования нуклеотидов в полинуклеотидной цепи. Связь между ними осуществляется через остаток фосфорной кислоты. Разные виды РНК отличаются составом нуклеотидов, их количеством и последовательностью расположения.

Вторичная структура РНК зависит от вида РНК и функционального сос­тояния клетки. Молекулы РНК могут располагаться более компактно, по­скольку взаимодействие между основаниями приводит к образованию до­полнительных складок, что определяет третичную структуру РНК. Согласно модели, предложенной Холли, вторичная структура транспортной РНК напо­минает клеверный лист.

В клетке всегда присутствуют три вида РНК, которые различаются ло­кализацией, молекулярной массой, нуклеотидным составом, структурой и биологическими функциями. К ним относятся транспортная, информаци­онная и рибосомальная РНК.

Транспортная РНК (тРНК) составляет 10—20% всей РНК клетки, сос­тоит из 75—90 нуклеотидов и имеет молекулярную массу от 23 до 30 ты­сяч. Находится она в цитоплазме клеток и осуществляет перенос амино­кислот к рибосомам, где происходит синтез белка. В клетке обнаружено около 60 различных тРНК. Каждой из 20 аминокислот соответствует нес­колько разных тРНК.

Молекула тРНК благодаря уникальному строению (в виде клеверного листка) взаимодействует не только с аминокислотами, но и с белками-ферментами, а также с иРНК на рибосомах. На одном конце молекулы тРНК находится одинаковый для всей тРНК триплет ЦЦА-ОН, по ко­торому присоединяются аминокислоты, а на противоположном конце рас­положен участок антикодон, комплементарный триплету (кодону) в моле­куле иРНК. С помощью антикодона тРНК "узнает" свое место присоедине­ния аминокислоты к синтезирующемуся белку.

Информационная, или матричная РНК (иРНК или мРНК) составляет 3— 5 % всей клеточной РНК. Молекула иРНК содержит до 6000 остатков нуклеотидов и имеет молекулярную массу от 500 тысяч до 2 миллионов. Она очень быстро синтезируется (1 молекула за 25 с) и распадается (в тече­ние 3—5 мин).

Синтезируется иРНК на участке молекулы ДНК — гене как на матри­це и переносит генетическую информацию о последовательности аминокислот в белках от молекул ДНК из ядра к местам их синтеза — в ри­босомы.

В клетке находятся разнообразные формы иРНК, которые осущест­вляют синтез тысяч различных белков, строение которых закодировано в специфической структуре иРНК.

Рибосомальная, или структурная РНК (рРНК, сРНК) составляет до 80 % всей клеточной РНК и имеет молекулярную массу 0,5—2 миллиона. Она на­ходится в рибосомах, где происходит синтез белка, и в соединении с со­ответствующими белками образует структуру рибосом, а также активиру­ет процесс синтеза белка.

В клетке РНК содержится в 5—10 раз больше, чем ДНК. Обнаружены РНК почти во всех клеточных структурах. Наибольшее их количество (60— 80 %) сосредоточено в рибосомах, наименьшее — в цитоплазме.

 

ФЕРМЕНТЫ

Ферменты, или энзимы – это высокоактивные биологические катализаторы. Они изменяют скорость хи­мической реакции, но сами после реакции возвращаются к исходно­му состоянию. С участием ферментов осуществляются практически все биохимические процессы в живых организмах, в которых постоянно происходит огромное число раз­нообразных химических реакций. Все клеточные структуры непрерывно обновляются. Благодаря ферментам, эти изменения протекают с огромной скоростью, в миллионы раз превышающей скорость подобных реакций в неживой природе. В то же время превращения в организ­ме осуществляются при сравнительно низких температурах и дав­лении, в ограниченном диапазоне колебаний концентрации водо­родных и гидроксильных ионов. Например, распад белков пищи до аминокислот в пищеварительной системе человека происходит при температуре 37° за 2—3 ч, в то время как в лаборатории ту же реакцию можно провести лишь при температуре 100°, в присутст­вии крепких растворов кислот за несколько десятков часов.

Ферменты могут находиться в жидкой части клет­ки (цитозоле) и отдельных клеточных органеллах (яд­ре, митохондриях, рибосомах, лизосомах и др.), а также входить в состав клеточных мембран.

Ферменты широко используются в различных сферах деятельности че­ловека. С незапамятных времен их применяли при изготовлении сыра, по­лучении спирта, а также в хлебопечении, пивоварении, производстве ан­тибиотиков, витаминов и т. д. Современная промышленность выпускает более 200 ферментативных препаратов, которые применяются в медицин­ской практике для профилактики и лечения различных заболеваний. Так, при заболеваниях желудочно-кишечного тракта применяются трипсин, химотрипсин, липаза и амилаза в виде ферментативных препаратов (бетацид, обомин, панзинорм и др.). Фермент гиалуронидазу в виде препара­тов лидазы и ронидазы применяют при поражении суставов, отеках, ране­ниях, кровоподтеках. Лизоцим применяют при лечении конъюнктивитов, цитохромоксидазу — при кислородной недостаточности, коллагеназу — для рассасывания рубцовых образований, эластазу — для профилактики атеросклероза.

При лечении различных заболеваний, в том числе опорно-двигатель­ного аппарата, посттравматических изменений и др., используется метод системной энзимотерапии. Он основан на комплексном действии ряда по­лиферментных препаратов (вобэнзим, флогэнзим и др.) на многие биохи­мические процессы в организме.

Ферменты используются также при диагностике функционального состояния организма в медицине и современном спорте.

. По химической природе ферменты являются белками. Они об­разуют коллоидные растворы, имеют молекулярную массу от десятков тысяч до нескольких миллионов углеродных единиц, в растворах ведут себя как амфотерные электролиты и при измене­нии рН меняют величину электрического заряда молекул. Фермен­ты способны кристаллизоваться из растворов. Кристаллы ферментов содержат значительное количество воды, обладают высокой каталитической активностью. При обезвоживании кристаллы раз­рушаются, и ферменты утрачивают активность.

Различают ферменты внутриклеточные и внеклеточные. Внут­риклеточные ферменты проявляют свое действие в тех клетках тела, где они образуются. Они входят в состав сложных клеточных структур и могут создавать комплексы с другими ферментами, ус­коряя таким образом протекание не единичной реакции, а биохи­мического процесса, включающего множество реакций. Внеклеточ­ные ферменты выделяются из клеток в кровь, пищеварительные соки и другие биологические жидкости, где и ускоряют разнооб­разные превращения веществ.

В настоящее время подробно изучено около 2000 ферментов. Как и бел­ки, ферменты имеют сложную пространственную третичную и четвертич­ную структуру. Нативная (природная) структурная организация ферментов обеспечивает их каталитическую функцию. Нарушение ее под воздействи­ем различных факторов приводит к потере активности ферментов.

Ферменты подразделяют на простые и сложные. Простые ферменты состоят только из белка. Это многие фер­менты пищеварительного тракта — амилаза, пепсин, трипсин. Сложные ферменты состоят из белковой части, которая называется апоферментом, и небелковой, которая называется кофактором. Молекулу сложного фер­мента часто называют холоферментом. Кофакторы, которые слабо связа­ны с белковой частью фермента, называются коферментами (коэнзимами). Кофермент может легко переходить от одного фермента к другому. Кофакторы, прочно связанные с белковой частью фермента, называются простетической группой. Кофакторами могут быть различные органичес­кие вещества и их комплексы, а также минеральные вещества. Многие из них термостабильны, но могут окисляться атмосферным кислородом. В организме человека ряд кофакторов не синтезируется, а поступает с про­дуктами питания. Их строение и участие в биологических процессах рас­смотрено далее.

В проявлении каталитической активности фермента принимает участие не вся его молекула, а только незначительная часть, которая называется ак­тивным центром. Активный центр — это часть молекулы фермен­та, которая взаимодействует с коферментом и субстратом и участвует в преобразовании вещества. Активный центр ферментов может быть образо­ван несколькими функциональными группами отдельных аминокислот, рас­положенными в различных участках полипептидной цепи белка. Поэтому для проявления каталитической активности фермента важна его нативная структурная организация. При нарушении этой структуры изменя­ется активный центр, а значит, и активность фермента. Существуют фер­менты, которые состоят из нескольких белковых молекул, т. е. имеют субъ­единичное строение. Они могут иметь несколько активных центров или единый центр, образованный при взаимодействии этих субъединиц.

Кофакторы. Каталитическая активность сложных ферментов проявля­ется только в присутствии коферментов:

Кофермент участвует в формировании активного центра фермента. Многие коферменты имеют сложное строение и включают витамины. Та­ким образом, регуляторное влияние витаминов на обмен веществ опосре­довано через ферменты.

Исходя из особенностей строения коферменты разделяют на две большие группы — витаминосодержащие и невитаминные Отдельные коферменты входят в состав продуктов повышенной био­логической ценности, которые используются в практике спорта для улуч­шения механизмов энергообразования, ускорения процессов восстанов­ления, специфического построения конституции тела, поэтому остановим­ся более подробно на их характеристике.

Витаминосодержащие коферменты — никотинамидные, флавиновые, кофермент ацетилирования, тиаминпирофосфат, пиридоксалевые, кобаламидные и др. — различаются строением и выполняемыми функ­циями.

Никотинамидные коферменты (НАД и НАДФ) в своем составе содер­жат витамин РР (никотинамид), флавиновые (ФМН и ФАД) — витамин В₂ (рибофлавин). Это кофакторы ферментов дегидрогеназ, катализирующих процессы биологического окисления питательных веществ. Они играют роль акцепторов и переносчиков водорода:

Кофермент ацетилирования (KoA-SH) содержит витамин В₃ (пантотеновую кислоту), а также нуклеотид (АДФ) и р-меркаптоэтанол, содержа­щий SH-rpynny. Этот кофермент играет важную роль в обмене углеводов, липидов и белков. Он входит в состав ферментов, катализирующих пере-нос ацетильных остатков (СН3-СО-) в процессе распада углеводов и жир-ных кислот, а также синтеза жирных кислот, стероидов, ацетилхолина, превращения аминокислот.

Тиаминпирофосфатный кофермент (ТПФ) содержит витамин В, (тиа-мин). Он является коферментом ферментов, которые катализируют декарбоксилирование (-СО2) пировиноградной и других кетокислот, регулируют распад и окисление углеводов.

Пиридоксалевые и кобаламидные коферменты являются производны­ми витамина В6 (пиридоксальфосфата) и витамина В₁₂ (цианкобаламина) соответственно. Они входят в состав ферментов, которые катализируют превращение аминокислот и азотистых оснований, ускоряют процесс син­теза нуклеиновых кислот и белков.

Биотин (витамин Н) является простетической группой фермента ацетил-КоА-карбоксилазы, которая участвует в биосинтезе жирных кислот. Белок авидин, который находится в куриных яйцах, способен связываться с биотином и ингибировать этот фермент.

Убихиноновые коферменты (коферменты Q) являются производными жирорастворимых витаминов К и Е. Они участвуют в процессах тканевого дыхания и энергообразования.

Невитаминными кофакторами могут быть нуклеотиды (АТФ, ГТФ, ИТф, УДФ, ЦДФ), гемсодержащие соединения, пептиды и многие металлы. Нук­леотиды и ионы металлов помогают ферменту или субстрату принять фор­му, необходимую для их взаимодействия. Гем является простетической группой цитохромов (компонентов дыхательной цепи), каталазы и других ферментов.

Свойства ферментов

Для ферментов характерны высокая каталитическая активность, специфич­ность действия и регулируемость их активности.

Благодаря высокой каталитической активности ферментов скорость некоторых химических реакций увеличивается в миллионы раз. Примером может служить обратимая реакция синтеза и распада угольной кислоты, которую катализирует фермент карбоангидраза: СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃. Од­на молекула карбоангидразы эритроцитов способна связывать до 105 мо­лекул СО₂ в секунду, при этом скорость реакции в присутствии фермента увеличивается в 107 раз. Реакция синтеза Н₂СО₃ постоянно протекает в тканях организма при связывании метаболического СО₂, а реакция распа­да Н₂СО₃ интенсивно протекает в капиллярах легких, где происходит вы­ведение СО₂ из организма при выдохе.

Очень высокую активность проявляет каталаза, которая катализирует расщепление токсичного для организма вещества — перекиси водорода: 2Н₂О₂ -> 2Н₂О + О₂. При температуре 0° С одна молекула каталазы разла­гает 40 000 молекул Н₂О₂ в секунду.

Специфичность действия ферментов состоит в том, что фермент может катализировать превращение определенного субстрата или действо­вать на один из типов химических связей в нем. Благодаря этому в клетке множество химических реакций протекает одновременно в строго опреде­ленном порядке. Различают ферменты с абсолютной, относительной и групповой специфичностью. Абсолютная специфичность фермента проявляется в том, что он катализирует превращение молекул только одного субстрата. Например, фермент аргиназа способен катализи­ровать распад только аргинина на мочевину и орнитин, а ферменты сахараза, мальтаза, лактаза способны расщеплять только соответствующие дисахариды. Относительной специфичностью действия обладают ферменты, которые катализируют разрыв определенного типа химической связи в мо­лекулах разных веществ. Для них строение молекулы субстрата не имеет решающего значения. Относительная специфичность характерна для пептидаз пищеварительного тракта (пепсина, трипсина, химотрипсина), кото­рые расщепляют пептидную связь в различных белках и пептидах, а также фосфатаз, липаз, которые расщепляют эфирные связи в молекулах различ­ных веществ. Ферменты действуют только на один из нескольких изомеров субстрата. Групповая специфичность характерна для ферментов, которые действуют на субстраты с одинаковым типом связи и подобным строением молекул. Так, например, холинэстеразы расщепляют эфирную вязь во многих субстратах, которые содержат остаток холина.

Регуляция процессов синтеза ферментов осуществляется на уровне генов и на уровне транскрипции (синтеза иРНК). Такие изменения наблю­даются при долговременном воздействии различных факторов среды, фи­зических нагрузок и стероидных гормонов.

Процессы адаптации организма к физическим нагрузкам взаимосвяза­ны с совершенствованием различных механизмов регуляции активности ферментов. При срочной адаптации к физическим нагрузкам изменяется активность уже существующих ферментов. При долговременной адаптации в организме усиливаются процессы синтеза белка, что приводит к увели­чению количества ферментов. Такие изменения повышают адаптационные возможности обмена веществ. Благодаря регулируемости активности фер­ментов можно осуществлять коррекцию отдельных звеньев обмена веществ в организме, что является актуальной проблемой медицины и спорта.

Большинство химических составных частей живого организма способно к множеству различных превращений. Фермент, ускоряя только одну какую-либо реакцию, препятствует всем побочным ре­акциям и тем самым определяет направление основного биохимиче­ского процесса.

Скорость реакции зависит от строения молекул реагирующих веществ (реагентов), их концентрации, температуры, давления, наличия катализатора и некоторых других факторов.

Реакция становится возможной только при столкновениях мо­лекул. Чем больше молекул в единице объема, тем чаще они сталкиваются, т.е. скорость реакции повышается.

Не каждое столкновение реагирующих молекул приводит к химической реакции. Чтобы реакция началась, молекулы должны обладать определенным запасом энергии, достаточным для преодоления энергетического барьера, который создается межмолекулярными силами отталкивания и внутримолекулярными силами сцепления (прочностью химических связей).

Особенно большое ко­личество энергии нужно для разрыва ковалентных связей,

преобладающих в молекулах органических веществ. Когда энерге­тический барьер преодолен и реакция началась, в ходе ее может выделиться значительно больше энергии, чем затрачено на начало процесса. Изменения энергии, происходящие в ходе химических реакций, можно изобразить графически. Количество энер­гии, необходимое молю реагирующего вещества для вступления в реакцию, называется энергией активации и рассчи­тывается в кДж/моль.

 

 

Чем больше в веществе активных (возбужденных) молекул, способных преодолеть энергетический барьер, тем выше скорость его химических превращений. Запас энергии зависит от особенно­стей химического строения молекул и тех внешних воздействий, которым они подвергаются. В обычных условиях только незначи­тельная часть молекул вещества находится в активном состоянии. Активация их происходит при нагревании вещества, передаче ему лучистой энергии (например, в фотохимических реакциях), столк­новениях с другими, уже возбужденными молекулами или ато­мами.

С повышением температуры на каждые 10° скорость реакции возрастает в среднем в 2—3 раза. Скорость реакции мож­но увеличить, повышая давление (если реагенты являются газами): активные молекулы сближаются, и частота столкновений между ними увеличивается.

В живых организмах большие колебания температуры и дав­ления невозможны. В них создаются условия, в которых для взаи­модействия веществ требуется меньшая энергия активации. Это достигается снижением энергетического барьера реакции за счет уменьшения сил отталкивания между молекулами и ослабления химических связей.

Основная функция ферментов – снижение величины энергетического барьера. Каталитическая реакция идет по иному пути, чем некаталитическая, — через ста­дию образования промежуточного соединения реагентов с катали­затором. При адсорбции реагирующих молекул на поверхности катализатора силы взаимного отталкивания между ними ослабе­вают. Влияние электрического поля катализатора приводит к де­формации молекул реагентов, смещению электронов в них и силь­ному ослаблению связей, в результате чего энергия активации понижается. Изменение энергии при каталитической реакции пока­зано на рис.

 

 

Согласно современным представлениям, механизм вза­имодействия ферментов с субстратами связан с образованием нестойких ферментсубстратных комплексов

В процессе образования фермент-субстратного комплекса в субстрате происходит перераспределение энергии, что приводит к разрыву или образованию химических связей. Так, например, энергия активации сахарозы при гидролитическом расщеплении без фермента составляет 134 кДж / моль"1 (25,6 ккал / моль"1), а в присут­ствии фермента (сахаразы) — только 39,3 кДж/моль"1 (8 ккал/ моль^-1).

Процесс взаимодействия фермента с субстратом протекает в несколь­ко стадий, представленных на рис:

• взаимодействие субстрата с активным центром фермента и образование ферментсубстратного комплекса;

• преобразование первичного ферментсубстратного комплекса в дру­гие ферментсубстратные комплексы, в ходе которых вещес­тва переходят в активное состояние и далее распадаются на фермент и продукты реакции;

• отделение продуктов реакции от активного центра фермента и диффузия их в окружающую среду.

Сам фермент в ходе реакции не изменяется и может взаимодействовать с новыми молекулами субстрата.

 

 

 

 

        а- фермент б- субстрат в- фермент-субстрат-                                      е- продукты реакции

                                                         ный комплекс

 

Факторы, влияющие на действие ферментов

Скорость биохимических реакций, которая определяется по изменению концентрации реагирующих или образовавшихся веществ в единицу вре­мени, зависит от активности ферментов и условий протекания реакции. Каждый фермент имеет свои оптимальные условия проявления активнос­ти. Оптимальными считаются условия, при которых ферментативная ре­акция протекает с максимальной скоростью. На скорость ферментатив­ных реакций влияют: количество фермента; концентрация субстрата; ак­тивная реакция среды (рН); температура; присутствие активаторов и ин­гибиторов.

Концентрация фермента и субстрата. Скорость ферментативной реакции увеличивается с увеличением количества фермента при высокой концентрации субстрата. В организме в состоянии относи­тельного покоя многие ферменты не проявляют максимальную актив­ность из-за низкой концентрации их субстратов. При мышечной деятель­ности усиливается энергетический обмен и накапливаются субстраты многих реакций, что способствует повышению активности многих фер­ментов.

Активная реакция среды. Каждый фермент имеет узкий диапазон значений рН, при котором активность его максимальна. Большинство ферментов проявляют максимальную активность в организме при значениях рН, близких к 7,0, т. е. в нейтральной среде (рис. 39). Однако отдельные .ферменты проявляют высокую активность в сильно кислой среде, напри­мер пепсин (рН 2,0), сахараза (рН 4,5), или щелочной среде, например трипсин (рН 8,0), липаза (рН 9,0), аргиназа (рН 9,7).

Влияние рН среды на активность ферментов связано с изменением степени ионизации их белковой молекулы под воздействием протонов Н или гидроксилов (ОН"), что в первую очередь влияет на структуру актив­ного центра фермента.

В организме человека в состоянии относительного покоя диапазон ко­лебаний рН незначителен и ферменты «работают» в своих оптимальных режимах. При интенсивных физических нагрузках в мышцах накапливзетмолочная кислота, способная закислять среду и снижать активность многих ферментов.

Температура. При повышении температуры от 0 до 40 °С активность Ферментов, как правило, повышается (рис. 40). Температурный коэффи­циент Q10 = 2, что указывает на повышение скорости ферментативной ре­акции в два раза при изменении температуры на 10 °С. Дальнейшее повы­шение температуры до 45—55 °С приводит к резкому снижению активнос­ти ферментов вследствие тепловой денатурации белка. Все ферменты имеют свою оптимальную температуру, при которой активность их макси­мальная (для многих ферментов оптимальной является температура 37— 40 °С). Однако имеются и термостабильные ферменты, например миокиназа, активность которой сохраняется при нагревании до 100 °С. При по­нижении температуры активность ферментов снижается. Тем не менее не­обратимая денатурация их не происходит, так как в условиях оптимальных температур их активность восстанавливается (примером может служить зимняя спячка животных). Это свойство ферментов используется при за­мораживании продуктов, а также органов и генетического материала, ис­пользуемых для трансплантации.

Активаторы и ингибиторы. Для ферментов характерна регуляция их активности специфическими низкомолекулярными веществами и ионами металлов, которые называют эффекторами, модуляторами или регулято­рами ферментов. Одни из них способны снижать активность фермента (ингибиторы), другие — повышать ее (активаторы). Такой механизм кон­троля активности ферментов широко изучается, поскольку имеет большое практическое значение.

В качестве активаторов могут выступать самые разнообразные вещес­тва. Это прежде всего ионы двухвалентных металлов, таких как Mg²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Ca²⁺. Они вызывают обратимое изменение структу­ры активного центра. Так, карбоангидраза активируется ионами Zn²⁺, креатинкиназа — ионами Мg²⁺; АТФ-аза миозина мышц активируется ионами Са²⁺, для каталитической активности ферментов дыхательной це­пи необходимы ионы Си²⁺ и Fe²⁺.

Активация некоторых ферментов может осуществляться путем моди­фикации их молекулы и не затрагивать активный центр фермента. Так, HCI активирует пепсиноген желудочного сока, переводя его из неактивной формы в активную (пепсин). Панкреатическая липаза активируется желч­ными кислотами.

В качестве ингибиторов часто выступают вещества, близкие по стро­ению к субстратам, которые связываются с активным центром фермента. Ингибирование бывает обратимое и необратимое. При обратимом ингибировании ингибитор легко отделяется от фермента и активность фер­мента восстанавливается. При необратимом ингибировании ингибитор прочно связывается с ферментом и закрывает доступ субстрата к актив­ному центру.

Процесс ингибирования широко используется для коррекции обмен­ных процессов в медицине и других областях деятельности человека. Ле­чебный эффект ряда лекарственных препаратов обусловлен их ингибиторным действием на отдельные ферменты. Среди ингибиторов, которые обратимо ингибируют ферменты, выделяют конкурентные и неконкурент­ные ингибиторы.

Конкурентные ингибиторы имеют структуру, подобную субстрату, и конкурируют с ним за место связывания в активном центре фермента. В случае конкурентного торможения ингибитор присоединяется к ферменту в том же участке, что и субстрат, в резуль­тате чего субстрат уже не может соединиться с ферментом. Конкурент­ное ингибирование обратимо и зависит от концентрации ингибитора и субстрата. При высокой концентрации субстрата такие ингибиторы не­эффективны.

Неконкурентные ингибиторы реагируют не с активным центром фер­мента, а с другой частью его молекулы. Это вызывает изменение структу­ры активного центра, что нарушает процесс катализа. Действие таких ин­гибиторов можно устранить только химическим изменением структуры их молекулы. К неконкурентным ингибиторам относятся ионы тяжелых метал­лов и их органические соединения (ртуть, свинец, мышьяк и многие яды), способные блокировать SH-группы в ферменте и нарушать или полностью подавлять обменные процессы в организме.