Загальні принципи та методи визначення одиниці виміру активності та кіл-ті ферментів

Основними одиницями вимірювання активності є:

1) міжнародна одиниця активності (МО), або стандартна одиниця - юніт (U):

1 МО відповідає такій кількості ферменту, яка каталізує перетворення 1 мкмоля субстрату за 1 хвилину при оптимальних умовах роботи ферменту (температури, рН, відсутність інгібіторів або активаторів);

2) катал – нова одиниця; 1катал(кат) відповідає такій кількості каталізатора, який перетворює 1 моль субстрату за 1 секунду.Кількість каталів визначають за формулою

3) для визначення кількості активних молекул ферменту в білковій масі використовують питому активність, яка дорівнює кількості одиниць активності ферменту в перерахунку на 1 мг білка:

 

За результатами визначення питомої активності можна оцінити ступінь очищення ферменту від сторонніх білків – чим вища питома активність, тим менший вміст стороннього білка.

4) Молекулярна активність – кількість молекул субстрату, які перетворюються під дією однією молекули ферменту за 1 хвилину.

Молекулярна активність дорівнює відношенню числа одиниць ферменту у зразку до кількості ферменту у мікромолях.

Загальни принципивизначення активності ферментів:

1) активність ферменту вимірюють за швидкістю накопичення продукту реакції або зникнення субстрату в реакційному середовищі; саме ця швидкість є мірою активності ферменту;

2) для коректного визначення активності створюють оптимальні умови для роботи ферменту, які встановлюють для кожного ферменту:

– оптимальну температуру;

- оптимальну рН (використовують спеціальні буфери);

– концентрація субстрату не повинна лімітувати швидкість реакції, і тому середовище має бути насиченим молекулами субстрату (максимально можливо) для підтримки максимальної швидкості реакції;

– при визначенні активності складного ферменту слід враховувати необхідність кофактора, який слід додати також до насичення;

3) визначення проводять будь-яким зручним фізико-хімічним методом: колориметричним,спектрофотометричним, флюорометричним, хроматографічним тощо).

31. Регуляція активності ферментів. Активатори, інгібітори. Види інгібування активності ферментів

Активація ферментативної активності може відбу-ватися під дією кофакторів, субстратів або інших метаболітів. До кофакторів, що здатні активувати ферменти, належать як іони металу, похідні водорозчинних вітамінів (НАД, ФАД, ТГФК тощо). Молекули субстрату стабілізують структуру ферменту та індукують необхідні конформаційні зміни в активному центрі.

Інгібування ферментативної активності може відбуватися за різними механізмами, тому існує декілька видів інгібіторів і відповідно інгібування.

Види інгібування: зворотне, незворотне. Незворотні інгібітори є отрутами. Прикладом незворотного інгібування може бути дія отруйної речовини – диізопропілфторфосфату (ДФФ).

Зворотне інгібування наприклад, продукція енергії у мітохондріях залежить від енергетичного статусу клітини, молекулярним показником якого є концентрація АТФ, АДФ, АМФ та ін. сполуки. При зростанні кількості енергії, яка не використовується клітиною, молекула АТФ буде інгібітором деяких ферментів, які задіяні в генерації цієї енергії.

Зворотне інгібування буває двох видів: конкуренте та неконкурентне.

Конкурентне інгібування відбувається в разі, коли молекула інгібітора за структурою схожа на молекулу субстрату і конкурує з ним за активний центр ферменту. Для конкурентного інгібування характерні такі основні кінетичні характеристики ферменту: Km – збільшується, Vmax – залишається без змін.

Неконкурентне інгібування ферментативної активності є результатом зв’язування молекули інгібітора не з активним центром, а з іншою ділянкою молекули білка-ферменту. Механізм інгібування полягає в тому, що після такого зв’язування відбуваються конформаційні зміни в активному центрі, який у подальшому не може нормально функціонувати та перетворювати S у Р. При неконкурентному інгібуванні Km – не змінюється, Vmax – зменшується.

32. Шляхи та механізми регуляції ферментативних процесів: регуляція каталітичної активності ферментів; алостеричні ферменти, ковалентна модифікація ферментів

1. Алостерична регуляція характерна для особливих регуляторних (алостеричних) ферментів, які, крім активного, мають алостеричний ценр, що відповідає за зв’язування з модифікаторами (інгібіторами або активаторами).

властивості алостеричних ферментів:

1) алостеричні ферменти – це олігомерні білки;

2) активний та алостеричний центри знаходяться на різних субодиницях.

3) для алостеричних ферментів властивий кооперативний ефект

Алостеричні взаємодії можуть бути гомотропні (лі-ганди ідентичні) і гетеротропні (ліганди різні).

2. Зворотна ковалентна модифікація ферментів відбувається шляхом фосфорилювання або дефосфорилювання, метилування, АДФ-рибозилювання, аденілування. Приклад регуляції активності за рахунок фосфори-лювання / дефосфорилювання - зміна активності ферментів метаболізму глікогену печінки.

 

33. Шляхи та механізми регуляції ферментативних процесів: протеолітична активація, дія регуляторних білків – ефекторів, компартментація ферментативних процесів

1. Частковий протеоліз є незворотним процесом, тому що відбувається відщеплення фрагменту білкової молекули. Цей механізм реалізується в разі, коли фермент синтезується у вигляді неактивного попередника – проферменту (або зимогену).

Пепсин, трипсин, хімотрипсин – протеолітичні ферменти шлунково-кишкового тракту, які спочатку синтезуються у вигляді неактивних зимогенів: пепсиногену, трипсиногену, хімотрипсиногену. Їх активація відбувається саме завдяки частковому протеолізу.

2. компартментація Внутрішньоклітинні мембрани поділяють весь об’єм клітини на окремі компартменти – органели. Таким чином, відбуваються просторове розділення метаболічних процесів і функціональна спеціалізація органел: ядро – синтез ДНК та РНК, мітохондрії – продукція енергії, рибосоми – синтез білка тощо. Чітке функціонування цих метаболічних систем можливо завдяки тому, що мембрани регулюють потік субстратів і продуктів, розподіл метаболітів в окремих компартментах. У разі, наприклад, збільшення надходження кисню і субстратів окиснення в мітохондрії відбувається збільшення активності відповідних ферментів і зростання продукції енергії. Саме завдяки компартментації всі метаболічні процеси в клітинах чітко упорядковані і мають оптимальну швидкість.

3. білок-білкових взаємодія. Існують два основних види такої регуляції:

1) приєднання спеціальних регуляторних білків до молекули ферменту;

2) асоціація або дисоціація протомерів молекули ферменту.

Найбільш поширеними регуляторними білками є кальмодулін, протеїназні інгібітори (α1-антитрипсин, α2- макроглобулін), антигемофільний глобулін А, убіквітин та інші.

Убіквітин. приєднання убіквітину інактивує білки-ферменти. Класичними цитозольними ферментами, з якими реагує убіквітин, є кінази та фосфатази. Поширення в клітинах убіквітування білків-ферментів приблизно таке саме, як і фосфорилювання, що підтверджує факт важливості цього білка в регуляції активності ферментів.

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. Шляхи та механізми регуляції ферментативних процесів: зміна кількості ферментів у клітині. Циклічні нуклеотиди в регуляції ферментативних процесів

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. Використання ферментів у медицині. Імобілізовані ферменти

В останні роки ферменти набули широкого застосування в

практичній і експериментальній медицині. Розрізняють три напрямки

використання ферментіву 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 вивчає молекулярні хвороби, причина виникнення яких пов’язана з дефіцитом або повною відсутністю ферментів (ензимопатії). На сьогодні відомо більш ніж 1000 ензимопатій різних видів обміну (фенілкетонурія, альбінізм, гомоцистинурія, глікогенози тощо).Ензимопатологіяв ивчає стан ферментативної активності в нормі й патології. Встановлено, що багато спадкових захворювань є наслідком дефекту якогось ферменту. Дефектними можуть бути ферменти, що каналізують обмін вуглеводів, ліпідів, амінокислот тощо. Так, галактоземія — спадкове захворювання, щопроявляєтьсяпідвищеннямконцентраціїгалактози в крові, розвиваєтьсявнаслідокспадкового дефекту синтезу ключового ферменту — галактозофосфат-уридил- трансферази, який каталізує перетворення галактози в глюкозу. Причиною іншої спадкової хвороби (фенілкетонурії), яка супроводжується розладом психічної діяльності, є втрата клітинами здатності синтезувати фермент, що каталізує перетворення фенілаланіну в тирозин. Зараз виявлено багато форм різних ферментопатій.

37Ензимодіагностика дає змогу використовувати визначення активності ферментів у біологічних рідинах людини для встановлення діагнозу. Найчастіше використовується визначення активності ферментів крові. Ферменти крові умовно поділяють 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 Загальні закономірності обміну речовин: катаболічні, анаболічні та амфіболічні шляхи метаболізму. Анаплеротичні реакції. Стадії катаболізму біомолекул в організмі

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

 

40 Загальна характеристика циклу лимонної кислоти: внутрішньоклітинна локалізація, біологічна роль, схема функціонування

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. 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 Регуляція ЦЛК. Енергетичний баланс ЦЛК

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.

 

43ендергонічн 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».

44 Біологічне окиснення: типи реакцій (дегідрогеназні, оксидазні, оксигеназні) та їх біологічне значення. Тканинне дихання

Біологічне окиснення - процес окиснення

біосубстратів з виділенням енергії. Основними субстратами біологічного окиснення є вуглеводи та ліпіди

Окисно-відновні реакції, що відбуваються в процесі

біологічного окиснення, каталізують ферменти класу оксидоредуктаз

1. Реакції дегідрування.

У результаті цих реакцій відбувається перенесення водню з субстрату на акцептор

Ферменти, що каталізують рекції цього класу, мають назву дегідрогенази. Коферментами дегідрогеназ можуть бути НАД, НАДФ, ФАД, ФМН.

Залежно від типу акцептора водню реакції дегідрування поділяють на два підкласи:

- реакції, які каталізують анаеробні дегідрогенази. Акцептором є сполука, яка відмінна від кисню

- реакції, які каталізують оксидази

Акцептором в цих реакціях є кисень

2. Реакції з перенесенням електрона/електронів:

Такі реакції каталізують

3. Оксигеназні реакції.

Реакції цього класу каталізують ферменти оксигенази, які приєднують до субстрату окиснення один або два атоми кисню. Тому залежно від кількості атомів кисню, що приєднуються, ферменти поділяють на:

- монооксигенази -цитохром Р450

- диокисгенази

До диоксигеназних реакцій належать реакції перекисного окиснення ненасичених жирних кислот, що входять до складу ліпідів біомембран

Тканинне дихання - процес поглинання тканинами

кисню, який іде на окиснення субстратів, та виділення

С02 І Н2О з утворенням енергії

У тканинному диханні виділяють три стадії:

1) окиснення субстратів до ацетил-КоА;

2) розпад ацетильного залишку в ЩІК;

3) транспорт електронів по дихальному ланцюгу міто- хондрій та сполучення цього процесу із синтезом АТФ

45 Ферменти біологічного окиснення залежно від будови поділяють на три класи:

1.Піридинзалежні дегідрогенази - дегідрогенази, які містять нікотинамідні коферменте (НАД+ або НАДФ+)

Піридинзалежні дегідрогенази - це виключно анаеробні дегідрогенази, що каталізують різноманітні реакції в нашому організмі.

НАД-залежні дегідрогенази - це ферменти окисно- відновних реакцій процесів катаболізму, таких як гліколіз, цикл Кребса, р-окиснення жирних кислот, дихальний ланцюг мітохондрій тощо.

НАДФ-залежні дегідрогенази - це ферменти процесів відновного синтезу: синтезу жирних кислот, холестеролу.

2.Флавінзалежні дегідрогенази - дегідрогенази, які містять похідні вітаміну В2 - ФАД, ФМН.Флавінзалежні дегідрогенази можуть бути як анаеробними, так і аеробними дегідрогеназами.

До анаеробних флавін залежних дегідрогеназ належать: сукцинатдегідрогеназа, НАДН- дегідрогеназа, гліцерол-3- фосфатдегідрогеназа.ацил-КоА- дегідрогеназа.

До аеробних флавін залежних дегідрогеназ належать: оксидази L- та D-амінокислот, ксантиноксидаза, глюкозоксидаза