Биологические активнқе вишества. Биологически активные вещества - StudentLib.com. "Биологически активные вещества"
 Скачать 398.55 Kb.
|
|
Окончательно вопрос о причинах возникновения и способов лечения цинги был разрешен эксперементально лишь в 1907-1912 гг. в опытах на морских свинках. Оказалось, что морские свинки, подобно людям, подвержены заболеванию цингой, которая развивается на почве недостатков в питании. Стало очевидным, что цинга возникает при отсутствии в пище особого фактора. Этот фактор, предохраняющий от цинги,получил название витамина С, антицинготного, или антискорбутного, витамина. Состав С6Н8О6; обладает окислительно-восстановительными свойствами. Во многих растениях участвует в дыхательном прцессе как промежуточный переносчик водорода; в животных тканях наличие этой функции у витамина не установлено. Имеет отношение к образованию межклеточного склеивающего вещества - коллагена. Витамин растворим в воде и спиртах. Весьма чувствителен к окислению, особенно при повышенной температуре и наличии следов тяжелых металлов ( особенно меди ). При обычной варке овощей разрушается примерно одна треть витамина С; при хранении готовых овощных блюд потери увеличиваются. Сохраняется при квашении продуктов (капуста). Животные продукты содержат очень мало витамина С . В сухих семенах он не содержится , но появляется, как только семена начинают прорастать. Почти единственном источником витамина являются свежие или консервированные должным образом плоды, овощи и ягоды. Более всего витамина в плодах шиповника, незрелого грецкого ореха и черной смородины, используемых для промышленного изготовления контентратов. В весеннее время концентраты и синтетические препараты имеют особенно большое значение, т.к. в лежалых плодах и овощах содержание витамина С снижается. Важно отметить, что большинство животных, за исключением морских свинок и обезьян, не нуждается в получении витамина С извне, так как аскорбиновая кислота синтезируется у них в печени из сахаров. Человек не обладает способностью к синтезу витамина С и должен обязательно получать его с пищей. Потребность взрослого человека в витамине С соответствует 50 -100мг аскорбиновой кислоты в день.В организме человека нет сколько нибудь значительных резервов витамина С, поэтому необходимо систематическое, ежедневное поступление этого витамина с пищей. Основными источниками витамина С являются растения. Особенно много аскорбиновой кислоты в перце, хрене, ягодах рябины, чёрной смородины, земляники, клубники, в апельсинах, лимонах, мандаринах, капусте (как свежей, так и квашенной), в шпинате. Картофель хотя и содержит значительно меньше витамина С,\чем вышеперечисленные продукты, но, принимая во внимание значение его в нашем питании, его следует признать наряду с капустой, основным источником снабжения витамином С. Здесь можно напомнить, что эпидемии цинги, свирепствовавшие в средние века в Европе в зимние и весенние месяцы года, исчезли после введения в сельское хозяйство европейских стран культуры картофеля. Необходимо обратить внимание на важнейшие источники витамина С непищевого характера - шиповник, хвою (сосны, ели и лиственницы) и листья черной смородины. Водные вытяжки из них представляют собой почти всегда доступное средство для предупреждения и лечения цинги. РОЛЬ В ОБМЕНЕ ВЕЩЕСТВ. По-видимому, физиологическое значение витамина С теснейшим образом связано с его окислительно-восстановительными свойствами. Возможно, что этим следует оъяснить и изменения в углеводном обмене при скорбуте, заключающиеся в постепенном исчезновении гликогена из печени и вначале повышенном, а затем пониженном содержании сахара в крови. По-видимому, в результате расстройства углеводного обмена при экспериментальном скорбуте наблюдается усиление процесса распада мышечного белка и появление креатина в моче (А.В.Палладин). Большое значение имеет витамин С для образования коллагенов и функции соединительной ткани. Витамин С играет роль в гидроксилировании и окисления гормонов коры надпочечников. Нарушение в превращениях тирозина, наблюдаемое при цинге, также указывает на важную роль витамина С в окислительных процессах. В мочечеловека обнаруживается аскорбиновая, дегидроаскорбиновая, дикетогулоновая и щавелевая кислоты, причём две последнии являются продуктами необратимого превращения витамина С в организме. б.) Витамины растворимые в жирах. Особые трудности представляет изучение так называемых жирорастворимых витаминов. Каталитический способ действия несомненен и для них, но сами реакции носят другой характер. Жирорастворимые витамины, прежде всего являются участниками конструктивных, анаболитических процессов, связанных с построением структур организма, например, образование костей (витамин D ) , развитие покровных тканей ( витамин А ), нормальным развитием эмбриона ( витамин Е ) и др. Витамин D ( противорахитический). При отсудствии этого витамина нарушается отложение солей кальция, а следоватильно костеобразование , и развивается заболевание - рахит. Витамин D - высокомолекулярное соединение спиртового характера. Имеются два основных витамина - D2 и D 3 ; D2 ( С28Н44О) образуется из провитамина эргостерона, распространенного в растениях. D3 - (С27Н44О) - из провитамина животных тканей - 7 дегидрохолестерина. Витамины D2 и D3 одинаково хорошо используются человеком и млекопитающими; птицы усваивают витамин D 2 в 30-60 раз хуже, чем D3. Переход провитаминов в витамины происходит в коже человека и животных под воздействием ультрафиолетовых лучей - при ярком солнечном освещении или при облучении кварцевой лампой. Образовавшейся в коже витамин разносится затем по всему телу. Свойством провитаминов превращаться в витамины под действием лучистой энергии широко пользуются при промышленном изготовлении препаратов витаминов. Оба витамина медленно окисляются на воздухе, быстро на свету; при нагоевании до 130-160 гр. Они инактивируются даже в отсудствии кислорода. Из естественных продуктов значительные количества витаминов ( в форме D3 ) содержит лишь рыбий жир ; небольшие количества витаминов находятся в яичном желтке и летнем сливочном масле; остальные животные продукты бедны витамином; в растительных продуктах готового витамина, как правило, совсем нет. При промышленном производстве витамин D2 получают путем облучения эргостерина, извлекаемого из дрожжей или мицелия грибов пенициллиума. D3 - главным образом для нужд птицеводства- изготовляют из морский мидий. Ввиду ограниченного распространения витамина D и недостаточности инсоляции в осенне-зимний сезон необходимо широко применять вето время промышленные препараты витамина, особенно для детей. Витамин Е (токоферол, или противостирильный витамин) предохраняет самок от рассасывания развивающегося зародыша, а самцов - от нарушения сперматогенеза и дегенерации семенников. При недостатке витамина возникает также резкая мускульная дистрофия. Все эти явления наблюдались, однако, на лабораторных животных - при кормлении высокоочищенными продуктами. По химическому составу витамин Е - высокомолекулярный спирт - С29 Н50 О2. Устойчив по отношению к температуре и кислотам, но сравнительно чувствителен к освещению и щелочам. В растительных тканях встречается в свободной форме и в эфирных соединениях. Широко распространен в растительных продуктах, особенно в зародышах семян и растительных маслах. Витамин Е обладает антиокислительными свойствами и в значительной мере может предохранять от разрушения витамин А; поэтому витамин А лучше усваивается и лучше действует в присутствии витамина Е. II. Ферменты . История открытия В основе всех жизненных процессов лежат тысячи химических реакций. Они идут в организме без применения высокой температуры и давления, т.е. в мягких условиях. Вещества, которые окисляются в клетках человека и животных, сгорают быстро и эффективно, обогащая организм энергией и строительным материалом. Но те же вещества могут годами храниться как в консервированном [изолированном от воздуха] виде, так и на воздухе в присутствии кислорода. Возможность быстрого переваривания продуктов в живом организме осуществляется благодаря присутствию в клетках особых биологических катализаторов - ферментов. Термин "фермент" (fermentum по-латыни означает "бродило", "закваска" ) был предложен голландским ученым Ван-Гельмонтом в начале XYII века. Так он назвал неизвестный агент , принимающий активное участие в процессе спиртового брожения. Экспериментальное изучение ферментативных процессов началось в XYIII столетии, когда французский естествоиспытатель Р. Реомюр поставил опыты, чтобы выяснить механизм переваривания пищи в желудке хищных птиц. Он давал хищным птицам глотать кусочки мяса, заключенные в просверленную металлическую трубочку, которая была прикреплена к тонкой цепочке. Через несколько часов трубочку вытягивали из желудка птицы и выяснилось, что мясо частично растворилось. Поскольку оно находилось в трубочке и не могло подвергаться механическому измельчению, естественно было предположить, что на него воздействовал желудочный сок. Это предположение подтвердил итальянский естествоиспытатель Л. Спалланцани. В металлическую трубочку, которую заглатывали хищные птицы, Л.Спалланцани помещал кусочек губки. После извлечения трубки из губки выжимали желудочный сок. Затем нагревали мясо в этом соке, и оно полностью в нем " растворялось". Значительно позже ( 1836г) Т. Шванн открыл в желудочном соке фермент пепсин (от греческого слова pepto - "варю") под влиянием которого и происходит переваривания мяса в желудке. Эти работы послужили началом изучения так называемых протеолитических ферментов. Важным событием в развитии науки о ферментах явились работы К.С. Киргоффа. В 1814 г. действительный член Петербургской Академии наук К.С.Киргофф выяснил, что проросший ячмень способен превращать полисахарид крахмал в дисахарид мальтозу, а экстракт дрожжей расщеплял свекловичный сахар на моносахариды - глюкозу и фруктозу. Это были первые исследования в ферментологии. Хотя на практике применение ферментативных процессов было известно с незапамятных времен (сбраживание винограда, сыроварение и др.) В разных изданиях применяются два понятия : "ферменты" и " энзимы". Эти названия идентичны. Они обозначают одно и тоже - биологические катализаторы. Первое слово переводится как "закваска" , второе - "в дрожжах". Долгое время не представляли,что происходит в дрожжах, какая сила, присутствующая в них, заставляет вещества разрушаться и превращаться в более простые. Только после изобретения микроскопа было установлено, что дрожжи - это скопление большого количества микроорганизмов, которые используют сахар в качестве своего основного питательного вещества. Иными словами, каждая дрожжевая клетка "начинена" ферментами способными разлагать сахар. Но в то же время были известны и другие биологические катализаторы, не заключенные в живую клетку, а свободно "обитающие" вне ее. Например, они были найдены в составе желудочных соков, клеточных экстрактов. В связи с этим в прошлом различали два типа катализаторов: считалось, что собственно ферменты неотделимы от клетки и вне ее не могут функционировать, т.е. они "организованы". А "неорганизованные" катализаторы, которые могут работать вне клетки, называли энзимами. Такое противопоставление "живых" ферментов и "неживых" энзимов объяснялось влиянием виталистов, борьбой идеализма и материализма в естествознании. Точки зрения ученых разделились. Основоположник микробиологии Л. Пастер утверждал, что деятельность ферментов определяется жизнью клетки. Если клетку разрушить, то прекратиться и действие фермента. Химики во главе с Ю. Либихом развивали чисто химическую теорию брожения, доказывая, что активность ферментов не зависит от существования клетки. . Свойства ферментов Будучи белками, ферменты обладают всеми их свойствами. Вместе с тем биокатализаторы характеризуются рядом специфических качеств, тоже вытекающих из их белковой природы. Эти качества отличают ферменты от катализаторов обычного типа. Сюда относятся термолабильность ферментов, зависимость их действия от значения рН среды, специфичность и, наконец, подверженность влиянию активаторов и ингибиторов. Термолабильность ферментов объясняется тем, что температура, с одной стороны, воздействует на белковую часть фермента, приводя при слишком высоких значениях к денатурации белка и снижению каталитической функции, а с другой стороны, оказывает влияние на скорость реакции образования фермент-субстратного комплекса и на все последующие этапы преобразования субстрата, что ведет к усилению катализа. Зависимость каталитической активности фермента от температуры выражается типичной кривой. До некоторого значения температуры (в среднем до 5О°С) каталитическая активность растет, причем на каждые 10°С примерно в 2 раза повышается скорость преобразования субстрата. В то же время постепенно возрастает количество инактивированного фермента за счет денатурации его белковой части. При температуре выше 50°С денатурация ферментного белка резко усиливается и, хотя скорость реакций преобразования субстрата продолжает расти, активность фермента, выражающаяся количеством превращенного субстрата, падает. Детальные исследования роста активности ферментов с повышением температуры, проведенные в последнее время, показали более сложный характер этой зависимости, чем указано выше: во многих случаях она не отвечает правилу удвоения активности на каждые 10°С в основном из-за постепенно нарастающих конформационных изменений в молекуле фермента. Температура, при которой каталитическая активность фермента максимальна, называется его температурным оптимумом. Температурный оптимум для различных ферментов неодинаков. В общем для ферментов животного происхождения он лежит между 40 и 50°С, а растительного - между 50 и 60°С. Однако есть ферменты с более высоким температурным оптимумом, например, у папаина (фермент растительного происхождения, ускоряющий гидролиз белка) оптимум находится при 8О°С. В то же время у каталазы (фермент, ускоряющий распад Н2О2 до Н2О и О2) оптимальная температура действия находится между 0 и -10°С, а при более высоких температурах происходит энергичное окисление фермента и его инактивация. Зависимость активности фермента от значения рН среды была установлена свыше 50 лет назад. Для каждого фермента существует оптимальное значение рН среды, при котором он проявляет максимальную активность. Большинство ферментов имеет максимальную активность в зоне рН поблизости от нейтральной точки. В резко кислой или резко щелочной среде хорошо работают лишь некоторые ферменты. Переход к большей или меньшей (по сравнению с оптимальной) концентрации водородных ионов сопровождается более или менее равномерным падением активности фермента. Влияние концентрации водородных ионов на каталитическую активность ферментов состоит в воздействии ее на активный центр. При разных значениях рН в реакционной среде активный центр может быть слабее или сильнее ионизирован, больше или меньше экранирован соседними с ним фрагментами полипептидной цепи белковой части фермента и т.п. Кроме того, рН среды влияет на степень ионизации субстрата, фермент-субстратного комплекса и продуктов реакции, оказывает большое влияние на состояние фермента, определяя соотношение в нем катионных и анионных центров, что сказывается на третичной структуре белковой молекулы. Последнее обстоятельство заслуживает особого внимания, так как определенная третичная структура белка-фермента необходима для образования фермент-субстратного комплекса. Специфичность - одно из наиболее выдающихся качеств ферментов. Эго свойство их было открыто еще в прошлом столетии, когда было сделано наблюдение, что очень близкие по структуре вещества - пространственные изомеры (?- и ?-метилглюкозиды) расщепляются по эфирной связи двумя совершенно разными ферментами. Таким образом, ферменты могут различать химические соединения, отличающиеся друг от друга очень незначительными деталями строения, такими, например, как пространственное расположение метоксильного радикала и атома водорода при 1-м углеродном атоме молекулы метилглюкозида. По образному выражению, нередко употребляемому в биохимической литературе, фермент подходит к субстрату, как ключ к замку. Это знаменитое правило было сформулировано Э. Фишером в 1894 г. исходя из того, что специфичность действия фермента предопределяется строгим соответствием геометрической структуры субстрата и активного центра фермента. В 50-е годы это статическое представление было заменено гипотезой Д. Кошланда об индуцированном соответствии субстрата и фермента. Сущность ее сводится к тому, что пространственное соответствие структуры субстрата и активного центра фермента создается в момент их взаимодействия друг с другом, что может быть выряжено формулой "перчатка - рука". При этом в субстрате уже деформируются некоторые валентные связи и он, таким образом, подготавливается к дальнейшему каталитическому видоизменению, а в молекуле фермента происходят конформационные перестройки. Гипотеза Кошланда, основанная на допущении гибкости активного центра фермента, удовлетворительно объясняла активирование и ингибирование действия ферментов и регуляцию их активности при воздействии различных факторов. В частности, конформационные перестройки в ферменте в процессе изменения его активности Кошланд сравнивал с колебаниями паутины, когда в нее попала добыча (субстрат), подчеркивая этим крайнюю лабильность структуры фермента в процессе каталитического акта. В настоящее время гипотеза Кошланда постепенно вытесняется гипотезой топохимического соответствия. Сохраняя основные положения гипотезы взаимоиндуцированной настройки субстрата и фермента, она фиксирует внимание на том, что специфичность действия ферментов объясняется в первую очередь узнаванием той части субстрата, которая не изменяется при катализе. Между этой частью субстрата и субстратным центром фермента возникают многочисленные точечные гидрофобные взаимодействия и водородные связи. . Классификация ферментов и характеристика некоторых групп По первой в истории изучения ферментов классификации их делили на две группы: гидролазы, ускоряющие гидролитические реакции, и десмолазы, ускоряющие реакции не гидролитического распада. Затем была сделана попытка разбить ферменты на классы по числу субстратов, участвующих в реакции. В соответствии с этим ферменты классифицировали на три группы. 1. Катализирующие превращения двух субстратов одновременно в обоих направлениях: А+В)С+D. 2. Ускоряющие превращения двух субстратов в прямой реакции и одного в обратной: А+В)С. 3. Обеспечивающие каталитическое видоизменение одного субстрата как в прямой, так и в обратной реакции: А)В. |