I.Строение и свойства белков

I.Строение и свойства белков

 

Белки как особый класс биополимеров: их классификация, биологические функции белков. Аминокислотный состав белков.

Белки - высокомолекулярные азотосодержащие органические вещества молекулы которых построены из остатков аминокислот. Простые белки построены из аминокислот и при гидролизе распадаются соответственно только на аминокислоты. Сложные белки - это двухкомпонентные белки, которые состоят из какого-либо простого белка и небелкового компонента, называемого простетической группой. При гидролизе сложных белков, помимо свободных аминокислот, освобождаются небелковая часть или продукты ее распада. Простые белки в свою очередь делятся на основании некоторых условно выбранных критериев на ряд подгрупп: протамины, гистоны, альбумины, глобулины, проламины, глютелины и др.

Классификация сложных белков основана на химической природе входящего в их состав небелкового компонента. В соответствии с этим различают: фосфопротеины (содержат фосфорную кислоту), хромопротеины (в состав их входят пигменты), нуклеопротеины (содержат нуклеиновые кислоты), гликопротеины (содержат углеводы), липопротеины (содержат липиды) и металлопротеины (содержат металлы).

Уже первые химические анализы белков показали, что, независимо от источника получения, белковые вещества содержат, кроме С, О и Н, обязательно N и обычно некоторое количество S.

Все эти элементы содержатся в белках в определенных пропорциях Элементарный анализ различных

белков при пересчете на сухое вещество дает в среднем (в процентах) углерода 50,6—54,5 кислорода 21,5—23,5

водорода 6,5—7,3, азота 15,0—17,6, серы 0,3—2,5.

Ф-ции белков:1)ферментативная функция 2) Транспортная функция белков3) Рецепторная функция4) Защитная функция5) Структурная функция.

Незаменимые аминокислоты, их еще называют "эссенциальные". Они не могут синтезироваться в организме человека и должны обязательно поступать с пищей.Незаменимые: метионин, треонин, лизин, лейцин, изолейцин, валин, триптофан, фенилаланин.

Заменимые (могут синтезироваться в организме человека). Их 10: глутаминовая кислота, глутамин, пролин, аланин, аспарагиновая кислота, аспарагин, тирозин, цистеин, серин и глицин.

 

Современные представления о структурной организации белковых молекул. Первичная, вторичная, третичная, четвертичная структура белков. Виды связей и взаимодействий, стабилизирующих различные уровни структурной организации белков и надмолекулярных белковых комплексов.

Последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи белковой молекулы получила название первичной структуры белка. Многократно повторяющаяся пептидная связь (-СО-NH) является типичной ковалентной связью, которая определяет первичную структуру белка. Первичная структура белка, помимо большого числа пептидных связей, обычно содержит также небольшое число дисульфидных (-S-S-) связей. Пространственная конфигурация полипептидной цепи, точнее тип полипептидной спирали, определяет вторичную структуру белка, она представлена в основном α-спиралью, которая фиксирована водородными связями. Однако оказалось, что в растворах белка спирализованная полипептидная цепочка может принимать ту или иную конфигурацию. Эта конфигурация полипептидной спирали в пространстве определяет ее третичную структуру. Другими словами, третичная структура показывает, как полипептидная цепь, свернутая целиком или частично в спираль, расположена или упакована в пространстве (в глобуле).

Известная стабильность третичной структуры белка обеспечивается за счет водородных связей, межмолекулярных ван-дер-ваальсовых сил, электростатического взаимодействия заряженных групп и т д. Молекулы некоторых белков (например, гемоглобина) состоят из нескольких симметрично построенных частиц (одинаковых полипептидных цепей), обладающих одинаковой первичной, вторичной и третичной структурой. Совокупность таких одинаковых частиц (субъединиц), представляющая единое молекулярное образование в структурном и функциональном отношении, получила название четвертичной структуры белка.

Типы связей между аминокислотами в молекуле белка.

2 группы:

1. Ковалентные связи - обычные прочные химические связи.

а)пептидная связь (Формируется за счет COOH-группы одной аминокислоты и NH2-группы соседней аминокислоты).

б)дисульфидная связь (Цистеин - аминокислота, которая в радикале имеет SH-группу, за счет которой и образуются дисульфидные связи. Дисульфидная связь может возникать между разными участками одной и той же полипептидной цепи, тогда она удерживает эту цепь в изогнутом состоянии. Если дисульфидная связь возникает между двумя полипептидами, то она объединяет их в одну молекулу).

 

2. Нековалентные (слабые) типы связей - физико-химические взаимодействия родственных структур. В десятки раз слабее обычной химической связи.

а) Водородная связь - это связь, возникающая между двумя электроотрицательными атомами за счет атома водорода, который соединен с одним из электроотрицательных атомов ковалентно.

б) Ионная связь - возникает между положительно и отрицательно заряженными группировками (дополнительные карбоксильные и аминогруппы), которые встречаются в радикалах лизина, аргинина, гистидина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.

в) Гидрофобное взаимодействие - неспецифическое притяжение, возникающее в молекуле белка между радикалами гидрофобных аминокислот - вызывается силами Ван-дер-Ваальса и дополняется выталкивающей силой воды.

 

Физико-химические свойства белков: растворимость, ионизация и гидратация. Денатурация и высаливание белков, практическое значение. Обнаружение белков в растворах.

Белки, как и аминокислоты, амфотерны благодаря наличию свободных NH2-и СООН-групп и характеризуются соответственно всеми св-вами кислот и оснований.

Белки обладают явно выраженными гидрофильными свойствами. Их растворы обладают очень низким осмотическим давлением, высокой вязкостью и незначительной способностью к диффузии. Белки способны к набуханию в очень больших пределах. С коллоидным состоянием белков связан рад характерных свойств, в частности явление светорассеяния, лежащее в основе количественного определения белков методом нефелометрии.

Гидратная оболочка - это слой молекул воды, определенным образом ориентированных на поверхности белковой молекулы. Поверхность большинства белковых молекул заряжена отрицательно, и диполи молекул воды притягиваются к ней своими положительно заряженными полюсами.

Поверхность большинства белковых молекул заряжена потому, что в каждой молекуле белка есть свободные заряженные СОО- и NH3+ группы. Изоэлектрическая точка (ИЭТ) большинства белков организма находится в слабокислой среде. Это означает, что у таких белков количество кислотных (СООН) групп больше количества основных групп (NH3).

Денатурация - это лишение белка его природных, нативных свойств, сопровождающееся разрушением четвертичной (если она была), третичной, а иногда и вторичной структуры белковой молекулы, которое возникает при разрушении дисульфидных и слабых типов связей, участвующих в образовании этих структур. Первичная структура при этом сохраняется, потому что она сформирована прочными ковалентными связями. Разрушение первичной структуры может произойти только в результате гидролиза белковой молекулы длительным кипячением в растворе кислоты или щелочи.

Высаливание - это осаждение белков высокими концентрациями нейтральных солей щелочных и щелочноземельных металлов, поскольку такие соли очень гидрофильны и обладают водоотнимающими свойствами.

Белки менее гидрофильные, которые плохо удерживают воду гидратной оболочки.с помощью высаливания можно разделить белки с разной степенью гидрофильности. Таким способом, например, можно разделить альбумины и глобулины плазмы крови.

 

II. Ферменты и витамины.

 

Механизм действия ферментов. Образование фермент-субстратных комплексов. Активные центры ферментов, их химическая структура. Роль конфармационных изменений фермента и субстрата при катализе.

 

Принято выделять сегодня две стороны проблемы. 1. Термодинамический аспект 2. Структурно – кинетический. Термодинамический аспект. Каждая молекула любого вещества обладает определенным уровнем внутренней энергии. Этой энергии недостаточно для того, чтобы вещество вступало в реакцию с другими веществами. В то же время достаточно поднять уровень внутренней энергии до определенного предела, как вещество начинает взаимодействовать со своим окружением, т.е. реагировать с ним. Минимальный уровень внутренней энергии необходимый для перехода молекулы вещества в реакционно-способное состояние явл.- энергетическим барьером реакции. По количеству энергии кот. необходимо сообщить молекуле для перехода ее в реакционное состояние получило назв. - энергии активации. Чем больше эн. актив., тем медленнее пройдет реакция. С увеличением энергии активации вероятность перехода молекул субстрата в реакционно-способное состояние резко снижается. Величину энергии активации можно уменьшить двумя приемами. 1. Увеличение среднего уровня внутренней энергии путем повышения температуры. 2. Попытка снизить энергетический барьер реакции. Снижение его возможно только путем снижения изменение структуры субстрата. Ферменты ускоряют ход химической реакции, снижая энергетический барьер реакции. Однако тем самым уменьшают энергию активации. Ферменты снижают энергию активации значительно больше, чем катализаторы небиологической природы. Например, реакция гидролиза сахарозы до глюкозы и фруктозы. Е актив. = 32 Ккал/молъ. В присутствии кислоты снижается до 25, а в присутствии сахоразы до 9. Реакции при кот. происходит выделения энергии получили названия экзоорганические. Эти реакции могут идти самопроизвольно. Ферменты катализируют только экзоораническне реакции. Реакции эндоорганические требуют использование энергии макроэргических соединений.

Сруктурно-кинетическая сторона проблемы механизма. Снижение энергетического барьера говорит о том, что при взаимодействии фермента с субстратом происходит изменение структуры реагирующих молекул, причем это такие изменения которые способствуют протеканию определенных реакций. Химическая реакция - это перестройка, иногда разрыв, одной - двух редко трех связей. Реакции, протекающие в организме человека многоступенчатые. Тогда становится ясно, что ослабление прочности перестраиваемой связи будет способствовать протеканию реакции. Ферменты, взаимодействующие с субстратом так перестраивают структуру этого субстрата, что определенные связи в субстрате становятся менее прочными, а значит более уязвимыми к действию реагентов. Ослабление прочности связи может достигаться двумя путями. 1 Путь это изменение электронной плотности путем перераспределения конкретной связи. 2 Путь это изменение пространственной структуры молекулы субстрата. С этих позиций можно выделить несколько эффектов которые в той или иной мере объясняет ускорение хода реакция ферментами. 1- й эффект. Сам факт связывания фермента с субстратом в активном центре приводит к изменению электронной структуры субстрата и поэтому уже сам факт связывания есть начало катализа. 2-ой эффект. Связанная молекула субстрата оказывается в активном центре в сфере действия каталитических групп. Эти функциональные группы еще более деформируют электронную структуру субстрата, а перераспределение электронной плотности в молекуле субстрата ослабляет, перестраивая связь. 3-й эффект. В активном центре ферментов присутствуют функциональные группировки радикалов аминокислот, которые обладают кислотными и основными свойствами. От их действия к одной части молекулы субстрата будут присоединяться протоны, а от другой ее части протоны будут отщепляться. 4-й эффект. Определяет перестройку субстрата после соединения его к активному центру. 5-й эффект. Молекула субстрата находясь в водной фазе обычно окружена гидратной оболочкой. Связываясь с активным центром, как правило субстрат теряет данную гидратную оболочку. Молекула субстрата, связываясь с группировками активного центра может подвергаться пространственным искажениям. И, наконец, к ускорению реакции в присутствии фермента имеют отношение 2 кинетически структурных момента. 1-Скорость реакции по закону действующих масс растет с увеличением концентрации принудительно в результате их связывания

2- Для того чтобы молекулы прореагировали, они должны столкнуться друг с другом, причем в определенном пространственном соотношении. Эти два кинетических эффекта известны под названием эффектов сближения (1) и пространственной ориентации.

 

11. Структура ферментов. Функциональные центры ферментов. Кофакторы ферментов, их классификация и роль в катализе. Связь с витаминами, примеры.

Функциональные центры - участки поверхности молекулы фермента ответственное за взаимодействие с др белками, причем белками или обладающими каталитической активностью (ферментами) или белками, не обладающими каталитической активностью

Подобного рода взаимодействия встречаются при формировании надмолекулярных мультиферментных комплексах. Те комплексы о которых мы говорили (пируватдегдрогеназные, альфакетоглюторатгидрогеназные) синтетазы высших жирных кислот) включают несколько ферментов. Дело в том, что включение нескольких ферментов в этом комплексе достаточно в заметной степени сказывается на каталитической активности других ферментов этого комплекса.

Почему? Дело в том, что пространственная структура свободного фермента и фермента включенного в комплекс меняется, а значит, меняется и каталитическая активность. Субстраты в превращении которых участвуют ферменты по сравнению с самим ферментом очень часто очень мелкие молекулы, понятно, что в образовании энз-субс. комплекса участвует не вся мол-ла фермента, а только какой-то ее участок, какая-то часть ее поверхности. Этот участок пов-ти фермента ответственный за связывание и превращение субстрата и получил название активного центра

В структуру актив, центра входят: в его образование принимают участие не более 10-15 ам.к. остатков определенных образом ориентированных в пространстве по отношению друг к другу. Эти остатки могут далеко располагаться в полипептидной цепи, могут сближаться при формировании третичной структуры.

Хемотрипсин принимают участие 4 ам.к. остатка: 2 остатка гистидина (57,40), серин (195), аспартат (102). Составн. элем, актив, центра часто относится участок остова полипептидной цепи удержив. ам.к. радик. в определенном положении друг к др.

В активный центр фермента входят кофакторы (исключ. некот. ионов металлов). В активном центре условно выделяют 2 участка: а) субстратный - отвечает за связывание субстрата

б) каталитический центр - участок осуществляющий катализ связав. субстрата. Сюда входит кофактор. Кофактору и функ гр. присуща большая роль.

В составе многих ферментов так же кроме активных центров имеются регуляторные центры.

а) Аллостерический центр б) Центр ковалентной модификации в) Центр связывания с белками и регуляторами

Аллостер. центр - центр, находящийся в другом месте от активного центра - участок на пов-ти фермента образованный определенным образом ориентированных ам.к. радикалов. Его 3 мерная структура комплементарна низкомолекулярным лнгандам - кот. выступают в качестве регуляторов. цАМФ, АТФ. Присоединение аллост. модуляторов к аллост. центру приводит к изменению конформации белка, что сопровождается изменением пространственной структуры ферм, и изменен, к катализу. 1. Если присоединение модулятора повышает активность - аллостерич. активатор 2. Если понижает - аллостер ингибитор. Связыв. модул, с актив, центром - обратима. Никогда не возникает ковалентная связь. Активность определяется концентрацией модуляторов. Аллостер ферм, имеют как правило 4 структуру. Один и тот же фермент имеет 2 и более актив, центра кот комплемент, разный модуляторам.

 

Регуляция активности ферментов, ее физиологическое значение. Основные механизмы регуляции: аллостерическое модулирование, ковалентная модификация и белок-белковые взаимодействия. Примеры метаболических путей, регулируемые с помощью этих механизмов.

Активация ферментов это один из механизмов, с помощью которого клетки меняют свой метаболизм. Существует 2 типа регуляции работы ферментов

1) СРОЧНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ. Изменение активности имеющихся в клетках ферментов. Реализуется быстро.

2) ЗАМЕДЛЕННАЯ РЕГУЛЯЦИЯ. Реализуется за счет изменения концентрации самих ферментов в клетках. Изменение концентрации ферментов в клетках достигается 2 путями: за счет усиления синтеза или за счет изменения распада.

Механизмы срочной регуляции. Регуляция с изменением активности имеющихся в клетках ферментов. В процессах срочного регулирования важнейшая роль, принадлежит следующим 5 механизмам.

1.Образование ферментов из предшественников(проферментов). В случае необходимости под действием специфических ферментов, а иногда других агентов, путем ограниченного протиолиза от профермента отщепляется различной длины полипептидные цепи и формируется активный фермент. В виде проферментов в крови циркулирует целый ряд факторов свертывания крови.

2. Обратимое ингибирование конкурентного типа. Конкурентные ингибиторы конкурируют с субстратом за обладание активным центром фермента. По структуре они похожи на субстрат. Присоединяются к адсорбционному центру фермента: действуют на стадии I-го этапа ферментативного катализа. конкурентные ингибиторы уменьшают сродство фермента к субстрату. Они не изменяют Vmax ферментативной реакции: при повышении концентрации субстрата действие конкурентных ингибиторов можно преодолеть - молекулы конкурентного ингибитора постепенно вытесняются субстратом с активного центра фермента.

З. Аллостерическое ингибирование или активация с участием механизма положительной или отрицательной обратной связи. Наиболее частый механизм регуляции. Причем в клетках встречаются механизмы и активации и ингибирования. Это механизм, с помощью которого клетка узнает, когда данного вещества произведено достаточно. Перекрест метаболических путей достаточно сбалансирован и одно и то же соединение может использоваться во многих ферментативных реакциях. Так регулируется синтез холестерина, пуриновых и пиримидиновых метаболитов и др. метаболические пути. Механизм аллостерической активации очень часто встречается как активация предшественникам. Типичным примером может быть эффект который наблюдается у бактерий синтезирующих изолейцин из треонина. Аллостер. активация широко используется и при активировании различных процессов которые обеспечивают клетки энергии. Например, АДФ, АМФ, фосфорная кислота и пирофосфат увеличивают активность целого ряда ферментов, работа которых обеспечивает клетки в виде энергии АТФ. 4. Ковалентная модификация ферментов с помощью ковалентной связи присоединяется модулятор. Присоединение сопровождается изменением конформации фермента-изменение катализа.

5. Белок-белковое взаимодействие. Участок пов-ти фермента комплиментарен поверхности белка модулятора. Связывание сопровождается изменением структуры акт центра- изм эффективности катализа.

 

Незаменимые компоненты пищи. Суточная потребность в основных компонентах пищи: белках жирах, углеводах, воде и микроэлементах. Основные конечные продукты обмена, выделяемые из организма, их суточное количество.

Полноценное питание должно содержать:

1. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ (УГЛЕВОДЫ, ЖИРЫ, БЕЛКИ).

2. НЕЗАМЕНИМЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ.

3. НЕЗАМЕНИМЫЕ ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ.

4. ВИТАМИНЫ.

5. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ (МИНЕРАЛЬНЫЕ) КИСЛОТЫ.

6. КЛЕТЧАТКУ

7. Н₂О

Углеводы, жиры и белки являются макропитательными веществами. Их потребление зависит от роста, возраста и пола человека и определяется в граммах.

Углеводы составляют основной источник энергии в питании человека. За счет углеводов образуется основная часть энергии в организме человека.

Жиры - это один из основных источников энергии. Перевариваются в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) гораздо медленнее, чем углеводы, поэтому лучше способствуют возникновению чувства сытости. Триглицериды растительного происхождения являются не только источником энергии, но и незаменимымых жирных кислот: линолевой и линоленовой.

Белки - энергетическая функция не является для них основной. Белки - это исочники незаменимых и заменимых аминокислот, а также предшественники биологически активных веществ в организме. Однако при окислении аминокислот образуется энергия. Хотя она и невелика, но составляет некоторую часть энергетического рациона.

Для врослого человека при средней утомляемости требуется суточный рацион в 300 ккал. С увеличением энергозатрат возрастает и потребность в пищевых продуктах. Соостношение белков, жиров и углеводов должно быть 1:1:4. Белки обеспечивают15% суточной энергетической потребности, жиры 30% и углеводы 55%, причем белки животного происхождения долны составлять не менее половины от все белков.

75% всего количества жира должно приходиться на животные жиры и 20-25% на растительные масла.

23. Взаимосвязь обмена веществ и обмена энергии. Экзэргонические и эндэргонические реакции. Макроэргические соединения, их классификация и биологическая роль. Основные пути образования АТФ в клетке и пути ее использования.

Химические реакции, протекающие в клетках, могут иметь различные значения ∆Go: положительные или отрицательные. Большинство катаболических реакций имеет отрицательные значения ∆Gо, т.е. являются экзэргоническими и могут идти самопроизвольно. В то же время реакции клеточного анаболизма часто являются эндэргоническими и самопроизвольно идти не могут для их осуществления необходима энергия, поступающая извне. Необходимо использовать свободную энергию, выделяющуюся в экзэргонических реакциях катаболизма. Это использование свободной энергии экзэргонических реакция для осуществления эндэргонических реакций есть энергетическое сопряжение реакций.

Единственным условием эффективности энергетического сопряжения:суммарное изменение ∆G в двух сопряженных реакциях должно быть отрицательным. живые объекты эффективно используют энергию, заключенную в химических связях тех или иных соединений. Именно в виде химической энергии и передается энергия в системе сопряженных химических реакций.Соединения, выступающие в качестве переносчиков энергии, содержат в одной из своих связей большой запас химической энергии, которая высвобождается при их разрыве. Эти соединения называют «макроэргическими соединениями» или «макроэргами», а химические связи, при разрыве которых выделяется большое количество свободной энергии, получили название «макроэргических связей». Химическая связь в том или ином соединении считается макроэргической, если при её разрыве выделяется не менее 5 ккал (20 кДж) в расчете на 1 моль связи. Свободная энергия, выделяющаяся в ходе катаболической экзэргонической реакции первоначально накапливается (аккумулируется) в виде энергии макроэргической связи соединения переносчика энергии, а затем эта аккумулированная энергия высвобождается при разрыве макроэргической связи и используется в ходе анаболической эндэргонической реакции.

4 класса макроэргов:

1. Полифосфаты нуклеотидов (АТФ, ЦТФ, УТФ и др.) Макроэргическими связями в их составе являются фосфоангидридные пирофосфатные связи:

2. Ацилфосфата или карбонилфосфаты (ацетилфосфат, 1,3ди фосфоглицерат). Макроэргической связью является ангидридная связь между карбоксильной группой кислотного остатка и остатком фосфорной кислоты:

3. Тиоэфиры (ацетилКоА, сукцинилКоА). Макроэргической связью является ангидридная связь между карбоксильной группой кислоты и HSгруппой тиоспирта, входящего в состав КоА):

4. Гуанидинфосфаты (креатинфосфат, аргининфосфат). Макроэргической связью является ангидридная связь между гуанидиновой группой и остатком фосфорной кислоты

Несмотря на высокие значения ∆Go для процессов разрыва макроэргических связей богатые энергией соединения представляют собой достаточно стабильные в условиях живых систем вещества. Кроме того, это низкомолекулярные соединения, поэтому они могут сравнительно легко перемещаться в клетке. Совокупность их свойств: способность аккумулировать энергию и способность диффундировать в клетке и позволяет им выполнять функцию переносчиков энергии.

Центральное место в системе клеточных макроэргов принадлежит АТФ, поскольку она, во-первых, выступает первичным аккумулятором большей части энергии, выделяющейся при распаде питательных веществ; во-вторых, АТФ выступает в качестве источника свободной энергии для большинства внутриклеточных эндэргонических реакций и процессов, тогда как остальные макроэрги принимают участие в узком круге реакций; в третьих, большинство других макроэргов или сами образуются за счет энергии АТФ (креатинфосфат, ЦТФ и др.) или сами служат промежуточными продуктами при синтезе АТФ. Выделяющаяся в ходе окислительных процессов свободная энергия должна быть аккумулирована в виде энергии макроэргических связей АТФ или родственных ей соединений, поскольку в противном случае она превратиться в теплоту и будет рассеяна в окружающей среде. Синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата с использованием энергии, выделяющейся в ходе окислительных процессов, получил название «окислительное фосфорилирование».Принято выделять два варианта окислительного фосфорилирования: субстратное окислительное фосфорилирование и окислительное фосфорилирование в цепи дыхательных ферментов. Механизмы этих процессов существенно отличаются друг от друга. Принято считать, что за счет окислительного фосфорилирования в цепи дыхательных ферментов в клетке образуется до 90% необходимой ей АТФ и лишь около 10% АТФ синтезируется в ходе субстратного окислительного фосфорилирования

Биологическое окисление как главный путь расщепления питательных веществ в организме, его функции в клетке. Способы окисления веществ в биологических системах. Ферменты, катализирующие окислительные реакции в организме.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ - это совокупность окислительных процессов в живом организме, протекающих с обязательным участием кислорода. Синоним - ТКАНЕВОЕ ДЫХАНИЕ. Окисление одного вещества невозможно без восстановления другого вещества. Окислительно-восстановительных процессов в живой природе очень много. Часть окислительно-восстановительных процессов, протекающих с участием кислорода, относится к биологическому окислению.

Важнейшей функцией биологического окисления, безусловно, является высвобождение энергии, заключенной в химических связях питательных веществ. Выделяющееся энергия используется для осуществления энергозависимых процессов, протекающих в клетках, а также для поержания температуры тела.

Второй функцией биоокисления является пластическая: в ходе расщепления питательных веществ образуются низкомолекулярные промежуточные продукты, используемые в дальнейшем для биосинтезов. Например, при окислительном распаде глюкозы образуется ацетилКоА, который далее может пойти на синтез холестерола или высших жирных кислот.

Третьей функцией биоокисления является генерация восстановительных потенциалов, которые в дальнейшем используются в восстановительных биосинтезах. Главным источником восстановительных потенциалов в биосинтетических реакциях клеточного метаболизма является НАДФН+Н+, образующийся из НАДФ+ за счет атомов водорода, переносимых на него в ходе некоторых реакций дегидрирования.

Четвертая функция биоокисления участие в процессах детоксикации,т.е. обезвреживания ядовитых соединений или поступающих из внешней среды, или образующихся в организме.

Различные соединения в клетках могут окисляться тремя способами:

1. путем дегидрирования. Принято различать два вида дегидрирования: аэробное и анаэробное. если первичным акцептором отщепляемых атомов водорода служит кислород, дегидрирование является аэробным; если же первичным акцептором отщепляемых атомов водорода служит какоелибо другое соединение, дегидрирование является анаэробным. Примерами таких соединений акцепторов водорода могут служить НАД, НАДФ, ФМН, ФАД, окисленный глутатион (ГSSГ), дегидроаскорбиновая кислота и др.

2. Путем присоединения к молекулам окисляемого вещества кислорода, т.е. путем оксигенирования.

3. Путем отдачи электронов.

Все живые организмы принято делить на организмы аэробные и организмы анаэробные. Аэробные организмы нуждаются в кислороде, который,вопервых, используется в реакциях оксигенирования, вовторых, служит конечным акцептором атомов водорода, отщепленных от окисляемого субстрата. Причем, около 95% всего поглощаемого кислорода служит конечным акцептором атомов водорода, отщепленных в ходе окисления от различных субстратов, и лишь 5% поглощаемого кислорода участвует в реакциях оксигенации.

Все ферменты, участвующие в катализе окислительновосстановительных реакции в организме относятся к классу ОКСИДОРЕДУКТАЗ. В свою очередь, все ферменты этого класса могут быть разделены на 4 группы:

1. Ферменты, катализирующие реакции дегидрирования или дегидрогеназы. В зависимости от характера акцептора отщепляемых от окисляемого субстрата (SH2) атомов водорода различают:

а). Аэробные дегидрогеназы или оксидазы

б). Анаэробные дегидрогеназы с типовой реакцией:

2. Ферменты, катализирующие реакции оксигенирования или оксигеназы.

а). Монооксигеназы

б). Диоксигеназы

3. Ферменты, катализирующие отщепление электронов от окисляемых субстратов. называются цитохромы.

4. К оксидоредуктазам относится также группа вспомогательных ферментов, таких как каталаза или пероксидаза. Они играют защитную роль в клетке, разрушая перекись водорода или органические гидроперекиси, образующиеся в ходе окислительных процессов и представляющие собой достаточно агрессивные соединения, способные повреждать клеточные структуры.

Окислительное фосфорилирование в цепи дыхательных ферментов, его механизм по Митчелу. Коэффициент Р/О. Разобщение окисления и фосфорилирования. Окислительное фосфорилирование на уровне субстрата, его значение для клетки.

при переносе пары электронов с НАДН+Н+ на атом кислорода синтезируется максимум 3 молекулы АТФ. Приняв во внимание, что для образования 1 моля пирофосфатных связей АТФ в реакции ее синтеза из АДФ и неорганического фосфата необходимо 7,3 ккал энергии, мы можем рассчитать что из 53 ккал свободной энергии, выделяющейся при окислении 1 моля НАДН+Н+, в клетке аккумулируется примерно 22 ккал.т.е. около 40%. Мерой эффективности процесса окислительного фосфорилирования в цепи дыхательных ферментов служит коэффициент Р/О; количество атомов фосфора, включенных из неорганического фосфата в состав АТФ, в расчете на 1 связанный атом кислорода, пошедший на образование воды в ходе работы дыхательной цепи. При окислении НАДН+Н+ он равен 3, при окислении ФАДН2(КоQН2) он составляет 2 и при окислении восстановленного цитохрома С он равен 1.

Существует множество теорий аккумуляции энергии. Наиболее обоснованной на настоящий момент является химиоосмотическая концепция сопряжения, выдвинутая Митчелом. Суть химиоосмотической концепции сопряжения в следующем: свободная энергия, выделяющаяся при движении электронов по цепи дыхательных ферментов, используется для откачки протонов «Н+» из внутреннего пространства, т.е. матрикса митохондрий через внутреннюю мембрану митохондрий в межмембранное пространство. В результате в межмембранном пространстве митохондрий накапливаются протоны, а в матриксе митохондрий накапливаются гидроксилы, т.е. «ОН». Перемещение «Н+» из внутреннего пространства митохондрий в окружающую среду осуществляется за счет анизотропного расположения в мембране митохондрий ферментных комплексов, причем на уровне каждого из 3 комплексов главной дыхательной цепи при прохождении через него пары электронов из внутреннего пространства митохондрий в межмембранное пространство выбрасывается два протона. Сама же внутренняя мембранна непроницаема для протонов.В результате откачки протонов из матрикса митохондрий в мемжмебранное пространство создается разность электрохимических потенциалов относительно внутренней мембраны митохондрий. Она складывается из градиента концентрации протонов относительно внутренней митохондриальной мембраны;снаружи концентрация протонов выше, чем изнутри, и разности электрического заряда относительно этой мембраны с наружной стороны мембраны заряд положительный, тогда как изнутри отрицательный.

Система, имеющая в своей структуре градиент электрохимического потенциала, является системой, имеющей запас химической энергии. Эта химическая энергия используется в дальнейшем для синтеза АТФ. Трансформация энергии электрохимического градиента в энергию макроэргических связей АТФ осуществляется в ходе работы надмолекулярного белкового комплекса, являющегося структурным компонентом внутренней митохондриальной мембранны. Этот комплекс состоит из двух субъединиц: F0 и F1. Субъединица FО пронизывает внутреннюю митохондриальную мембрану, образуя туннель, через который протоны могут двигаться по градиенту концентрации из межмембранного пространства в матрикс митохондрии. Субъединица F1, состоящая из нескольких полипептидных цепей, прикреплена к субъединице Fo c внутренней стороны мембранны и представляет собой фермент АТФсинтетазу, способную использовать свободную энергию, выделяющуюся при движении протонов по градиенту электрохимического потенциала, для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата.

Таким образом, по Митчелу аккумулирование свободной энергии, выделяющейся в ходе работы цепи дыхательных ферментов, состоит из двух этапов: на первом этапе энергия, выделяющаяся при движении электронов по дыхательной цепи, трансформируется в энергию электрохимического градиента, а на втором этапе энергия электрохимического градиента трансформируется в энергию макроэргических связей АТФ. Примерами окислительного фосфорилирования на уровне субстрата могут служить два далее приведенных превращения:

При окислительном декарбоксилировании 2оксоглутарата в цикле Кребса на первом этапе энергия окисления накапливается, во-первых, в виде энергии восстановленного НАДН+Н+, во-вторых, в виде энергии макроэргической связи продукта окисления сукцинила~КоА. На следующем этапе энергия макроэргической связи сукцинил~КоА трансформируется в энергию макроэргической пирофосфатной связи ГТФ.

Часть процесса окислительного расщепления глюкозы. Промежуточный продукт этого метаболического пути 3фосфоглицериновый альдегид подвергается окислению с образованием 1,3 дифосфоглицериновой кислоты, причем энергия окисления накапливается в виде энергии восстановленного НАДН+Н+ и энергии макроэргической связи окисленного субстрата реакции с остатком фосфорной кислоты. На следующем этапе энергия макроэргической связи 1,3дифосфоглицериновой кислоты опять же трансформируется в энергию макроэргической пирофосфатной связи АТФ.

Разобщение окисления и фосфорилирования.

Нарушение целостности внутренней мембраны митохондрий будет сопровождаться нарушением синтеза АТФ, поскольку разрядка электрохимического градиента будет идти в обход системы синтеза АТФ; в то же время работа ферментных комплексов дыхательной цепи будет продолжаться, другими словами, окисление будет идти, тогда как фосфорилирование будет нарушено, частично или полностью. Такое состояние известно под название разобщения окисления и фосфорилирования. Коэффициент Р/О при этом при окислении НАДН+Н+ становит<