Биохимия в таблицах, схемах и графиках. С. Д. Жамсаранова Ю. А. Капустина на. Тыхеева
 Скачать 6.61 Mb.
|
|
+ Б В результате атаки аниона пептидная связь разрывается и одна часть пептида покидает активный центр серинового фермента, а другая переносится на остаток серина с образованием ацилфермента. NH CH C O NH CH C O R'' R' O CH 2 C O O CH 2 NH HN CH 2 Asp 102 His 57 Ser А - этап I - этап 20 NH CH C O R' O C O O CH 2 NH HN CH 2 O CH 2 + В КИНЕТИКАФЕРМЕНТАТИВНЫХРЕАКЦИЙ МОДЕЛЬМИХАЭЛИСА-МЕНТОН Химическое уравнение простейшей односубстратной реакции S E ES P Здесь S — субстрат, E — фермент, ES — фермент-субстратный комплекс и P — продукт. 0.0 0.0 [S] o v o V макс Зависимость начальной скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата. Чем выше [S], тем выше скорость реакции. Эта зависимость гиперболическая. Предельное значение, к которому стремится гипербола - V max данной реакции, характеризует максимальную работоспособность фермента V max - это предел, к которому стремится скорость реакции при бесконечном повышении концентрации субстрата. III - этап 21 К – это такая концентрация субстрата, которая необходима для связывания половины имеющегося фермента и достижения половины максимальной скорости. Км - КОНСТАНТА МИХАЭЛИСА. Она численно равна той концентрации субстрата, при которой скорость реакции составляет половину от максимального значения. Эта реакция описывается уравнением Михаэлиса-Ментон: Км и V max - это две кинетические константы, с помощью которых можно характеризовать эффективность работы фермента, в том числе и in vivo. ЗАВИСИМОСТЬСКОРОСТИФЕРМЕНТАТИВНЫХРЕАКЦИЙОТрН 0 2 4 6 8 1 0 1 2 0 . 0 0 . 5 1 . 0 p Активность фермента н активности ферментов (для удобства сравнения приведены активности, нормированные к единице) от рН. 1 — Пепсин, 2 — рибонуклеаза и 3 — аргиназа. 22 ИНГИБИРОВАНИЕФЕРМЕНТОВ Конкурентноеингибирование E S ES E P + + k 1 k –1 k 2 E I Здесь I — ингибитор, EI — фермент-игибиторный комплекс. Неконкурентноеингибирование E S ES E P + + k 1 k –1 k 2 E I EI + ES I ESI + ОСНОВНЫЕСПОСОБЫРЕГУЛЯЦИИАКТИВНОСТИФЕРМЕНТОВ Способность к регуляции делает ферменты важными участниками и своеобразными организаторами клеточных процессов в организме 23 человека. Активность фермента может регулироваться путем взаимодействия с определенными веществами, изменяющими конформацию активного центра. 24 ПРИМЕНЕНИЕФЕРМЕНТОВВМЕДИЦИНЕ Основные разделы Ферменты Примеры использования Лактатдегидрогеназа ( изофермент ЛДГ-1) Инфаркт миокарда Аспартатаминотрансфераза ( АСТ) Инфаркт миокарда Аланинаминотрансфераза ( АЛТ) Заболевание печени например, инфекционный гепатит, инфаркт миокарда Креатинкиназа (КК) Изофермент ММ – Мышечный тип, изофермент МВ – сердечный тип Прогрессирующая дистрофия Инфаркт миокарда Диагностика α -Амилаза Заболевание поджелудочной железы Пепсин Нарушение переваривания белков в желудке, нарушение синтеза или 25 секреции пепсина Трипсин, химотрипсин Лечение гнойных ран Стрептокиназа, урокиназа Предотвращение тромбообразования при пересадке органов и других операциях Гиалуронидаза Рассасывание рубцов Лечение Нуклеазы (ДНКаза) Вирусный конъюнктивит, ринит, гнойный бронхит Глюкозооксидаза Определение концентрации глюкозы в крови Холестеролоксидаза Определение холестерина в крови Липаза Определение триацилглицеринов в крови Использование ферментов в качестве аналитических реактивов Уреаза Определение мочевины в крови 26 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙОБМЕН ОБЩАЯСХЕМАОБМЕНАВЕЩЕСТВИЭНЕРГИИ Пищевые вещества 1) 4) Метаболиты Катаболизм 5) 7) Анаболизм Энергия 3) 6) Выделение конечных продуктов обмена (СОН О, мочевина) 1 – Пищеварение 2,4 – катаболизм 3 – анаболизм 5 – экзергонические реакции 6,7 эндергонические реакции Развитие жизни на Земле пошло по пути использования в качестве главного экзоэргонического процесса, обеспечивающего энергетические потребности живых организмов, практически универсального для всей живой природы химического превращения — гидролиза одной из пирофосфатных связей аденозинтрифосфата. Функциональная активность активный транспорт веществ, мышечная работа, теплопродукция и др) Синтез структурно- функциональных компонентов клетки Распад структурно функциональных компонентов 27 ЦИКЛАТФ – АДФ СО 2 АТФ О 2 АДФ + Фі Окисление органических веществ в организме кислородом воздуха) с образованием воды и углекислого газа называется тканевым дыханием. Тканевое дыхание включает а) отнятие водорода от субстрата (дегидрирование) б) многоэтапный процесс переноса электронов на кислород. Синтез АТФ из АДФ и Н 3 РО 4 за счет энергии, выделяющейся при тканевом дыхании, называется окислительнымфосфорилированием. СТРУКТУРАМИТОХОНДРИЙ Ферменты, отщепляющие водород от субстрата (дегидрогеназы, находятся в основном в матриксе митохондрий. Перенос электронов на кислород происходит при участии системы переносчиков, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий и образующих цепь переноса электронов ( ЦПЭ). В состав ЦПЭ входят 3 ферментных комплекса ΝАDН-дегидрогеназа (I), Н- дегидрогеназа (III), цитохромоксидаза (IV), а также низкомолекулярные переносчики гидрофобная молекула кофермента Q и цитохром с – небольшой по размерам белок. Все компоненты ЦПЭ расположены в митохондриальной мембране в порядке возрастания редокс-потенциала; самый высокий редокс-потенциал у кислорода. Это обеспечивает последовательное перемещение электронов от АН на Выделение энергии окисление углеводов, жиров, белков Использование энергии биосинтез молекул, сокращение мышц, активный транспорт, продукция тепла 28 кислород, при котором происходит выделение энергии на каждом этапе ЦПЭ. МИТОХОНДРИАЛЬНАЯЦЕПЬПЕРЕНОСАЭЛЕКТРОНОВ ΝАD-зависимые дегидрогеназы кофермент А ) 1 2 3 АН Q Цитохром с 1/2 О 2 2 Н + О 2- I III IV НО F АD-зависимые дегидрогеназы (кофермент А, III, IV – высокомолекулярные комплексы, расположенные во внутренней мембране митохондрий, комплекс II – сукцинатдегидрогеназа, в отличие от других FАD-зависимых дегидрогеназ локализована во внутренней мембране митохондрий, нона рисунке не представлена. Места действия ингибиторов ЦПЭ показаны жирными стрелками 1 – ротенон, барбитураты 2 – антимицин; 3 – цианиды, СОН. Первичные доноры водорода пируват, изоцитрат, α- кето-глутарат, малат, глутамат Первичные доноры водорода сукцинат, ацил- КоА, α- глицерофосфат АН- дегидрогеназа, е - белок) Н- дегидрогеназа Цитохромы b,c 1 , белки FeS Цитохромоксидаза Цитохром СОПРЯЖЕНИЕДЫХАНИЯИСИНТЕЗААТФ (ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ) Основные переносчики электронов организованы в 3 комплекса во внутренней мембране митохондрии. Эти комплексы, используя энергию электронов, обеспечивают перенос Низ матрикса в межмембранное пространство. В результате возникает протонный электрохимический потенциал ∆µН + При достижении определенного значения электрохимического потенциала происходит активация АТФ-синтазы, в ней открывается канал, через который протоны возвращаются в матрикс из межмембранного пространства, а энергия ∆µН + используется для синтеза АТФ. Каждый из 3 комплексов ЦПЭ обеспечивает необходимый протонный градиент для активации АТФ-синтазы и синтеза 1 молекулы АТФ. Количество молей АТФ, образованных при восстановлении 1 атома кислорода до НО дыхательной цепи (те. при прохождении 2 электронов по ЦПЭ), выражается коэффициентом фосфорилирования (РО. Если водород поступает в ЦПЭ через кофермент АН, то РО имеет максимальное значение, равное 3. Если водород поступает через кофермент Q, то РО. 30 СПЕЦИФИЧЕСКИЙИОБЩИЙПУТЬКАТАБОЛИЗМА Общий путь катаболизма – основной источник доноров водорода для цепи переноса электронов. Белки Углеводы Жиры СО 2 Н 2 О Начальные этапы катаболизма (специфические пути катаболизма) основных пищевых веществ (белков, жиров и углеводов) происходят при участии ферментов, специфичных для каждого класса веществ, и завершаются образованием 2 метаболитов – пировиноградной кислоты ( ПВК) и уксусной кислоты в форме ацетил-КоА. После образования ПВК дальнейший путь распада веществ до конечных продуктов СО НО происходит одинаково в общем пути катаболизма (ОПК). Общий путь катаболизма включает. 1. Реакцию окислительного декарбоксилирования пирувата. 2. Цитратный цикл (цикл Кребса, или цикл трикарбоновых кислот - ЦТК). ЦТК , ЦПЭ 31 В общем пути катаболизма образуются первичные доноры водорода для ЦПЭ, которые окисляются А- зависимыми или FАD-зависимой дегидрогеназами, передающими водород в ЦПЭ. Реакции ОПК происходят в матриксе митохондрий, и восстановленные коферменты передают водород непосредственно на компоненты ЦПЭ, расположенные во внутренней мембране митохондрий. Первая реакция ОПК – реакция окислительного декарбоксилирования пирувата. Эту реакцию катализирует сложно организованный пируватдегидрогеназный комплекс, который состоит из 3 разных ферментов и 5 коферментов. ПИРУВАТДЕГИДРОГЕНАЗНЫЙКОМПЛЕКС Фермент Число мономеров Кофермент Витамин Пируватдекарбоксилаза Е) 120 (30 тетрамеров) ТПФ В Дегидролипоил- трансацетилаза (Е) 180 (60 тримеров) Липоамид НSКоА Липоевая кислота Пантотеновая к-та Дегидролипоил- Дегидрогеназа (Е) 12 (6 димеров) А ΝАD + В 2 РР Пируватдекарбоксилаза отщепляет CO 2 , а оставшаяся оксиэтильная группа присоединяется к ТПФ. На этом этапе уже произошло окисление оксиэтильного остатка до остатка уксусной кислоты, одновременно с этим началось восстановление липоевой кислоты. 32 На этой стадии фермент переносит остаток уксусной кислоты на молекулу кофермента А (КоА). В КоА содержится остаток пантотеновой кислоты (витамин В. Активной частью КоА является остаток тиоэтаноламина и его -SH группа. Энергия этого окисления аккумулируется в виде макроэргической связи активной формы уксусной кислоты (ацетил-КоА). Заключительный этап катализируется ферментом ДИГИДРОЛИПОИЛДЕГИДРОГЕНАЗОЙ. Кофермент этого этапа - особый ФАД с низким окислительно- восстановительным потенциалом (обозначается как ФАД'). Переносит протоны и электроны с дигидролипоата на НАД - последний кофермент в описанном комплексе. В итоге можем записать суммарное уравнение 33 ЦИКЛТРИКАРБОНОВЫХКИСЛОТ ( ЦТК, лимоннокислый цикл, цикл Кребса) ЦТК, как и реакции митохондриального окисления, протекает в митохондриях. Представляет собой серию реакций, замкнутых в цикл. 34 ИТОГОВОЕУРАВНЕНИЕЦТК БИОЛОГИЧЕСКОЕЗНАЧЕНИЕЦТК 1. ЦТК - главный источник АТФ. Энергию для образования большого количества АТФ дает полный распад Ацетил-КоА до СО 2 и НО. 2. ЦТК - это универсальный терминальный этап катаболизма веществ всех классов. 3. ЦТК играет важную роль в процессах анаболизма промежуточные продукты ЦТК): РЕГУЛЯЦИЯЭНЕРГЕТИЧЕСКОГООБМЕНА Синтез АТФ в клетке регулируется потребностью в энергии, что достигается согласованной регуляцией скоростей реакций ЦПЭ и ОПК. Увеличение концентрации АДФ ускоряет окисление АН в ЦПЭ, что приводит к увеличению скорости реакций, катализируемых регуляторными А- зависимыми ферментами, и к увеличению скорости общего пути катаболизма в целом. Кроме этого, АДФ аллостерически активирует регуляторные ферменты ОПК. Такая согласованная регуляция ЦПЭ и ОПК приводит к тому, что вместо использованных молекул АТФ синтезируется адекватное количество новых чем больше использовано АТФ, тем больше его синтезируется. Скорость общего пути катаболизма регулируется на уровне 4 реакций, катализируемых 1) пируватдегидрогеназным комплексом 2) цитратсинтазой; 3) изоцитратдегидрогеназой; 4) α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕПОКАЗАНИЯПРИРАЗЛИЧНЫХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХСОСТОЯНИЯХ Физиологическое состояние Скорость расходования АТФ, мкмоль/(мин*г) Скорость потребления кислорода, мкмоль/(мин*г) Скорость синтеза АТФ при участии ЦПЭ мкмоль/ ( мин*г) Состояние покоя Состояние интенсивной работы быстрый бег) 5 600 0,8 20 20 120 35 РЕГУЛЯЦИЯОБЩЕГОПУТИКАТАБОЛИЗМА ГИПОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕСОСТОЯНИЯ Наиболее частой причиной гипоэнергетических состояний является гипоксия, возникновение которой в свою очередь связано с нарушением 1) поступлениякислородавкровь, что наблюдается при недостаточности О 2 во вдыхаемом воздухе или нарушении легочной вентиляции 2) транспортакислородавткани при нарушении кровообращения или снижении транспортной функции гемоглобина функций митоходрий, вызванным действием ядов, разобщителей. Кроме того, причиной гипоэнергетических состояний могут быть гиповитаминозы, так как в реакциях общих путей катаболизма и дыхательной цепи участвуют коферменты, содержащие витамины. Так, витамин В 1 входит в состав тиаминдифосфата, В 2 является составной частью FMN и FAD, витамин РР в виде никотинамида входит в состав и NADP + , пантотеновая кислота - в состав кофермента А, биотин также выполняет коферментную функцию активации СО 36 СВЯЗЬОБЩЕГОПУТИКАТАБОЛИЗМАСЦЕПЬЮПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ Пируват Ацетил-КоА ЩУК Цитрат ↑ ↓ Малат Изоцитрат ↑ ↓ Фумарат α-Кетоглутарат ↑ АТФ Сукцинат Сукцинил-КоА Н Н Н АН АН - дегидрогеназа АТФ ↓ Q ↓ Н - дегидрогеназа АТФ ↓ c ↓ Цитохромоксидаза АТФ ↓ 2 ē + НО НО Аминокислоты Глюкоза Глицерин Жирные кислоты с а а СО СО СО FMN 37 ОБМЕНИФУНКЦИИУГЛЕВОДОВ СТРУКТУРНАЯКЛАССИФИКАЦИЯУГЛЕВОДОВ УГЛЕВОДЫ МОНОСАХАРИДЫ ОЛИГОСАХАРИДЫ ПОЛИСАХАРИДЫ от 3 до 10 С-атомов) (от 2 до 10 остатков моносахаридов) Производные моносахаридов Гомополисахариды Гетерополисахариды Уроновые Аровые Гликозиды кислоты кислоты ХИМИЧЕСКОЕСТРОЕНИЕНАИБОЛЕЕРАСПРОСТРАНЕННЫХ ДИСАХАРИДОВ Мальтоза - α - D- Глюкопиранозил -(1 4) - β - D- глюкопираноза H H OH H OH H H CH 2 OH O O H H OH H OH H OH H CH 2 OH O HO 1 1 2 2 α 3 3 4 4 β 5 5 6 6 Лактоза β - D- Галактопиранозил -(1 4) - β - D- глюкопираноза O C H 2 O H H O H H O H H O H H H O H O H O H H O H H H C H 2 O H O H 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 β β (свыше 10 моносахаридных звеньев) 38 Сахароза О - β -D- фруктофуранозил -(2 1)- α -D- глюкопиранозид O CH 2 OH H OH H OH H H H HO O O H H CH 2 OH H HO HOH 2 C HO 1 1 2 2 3 4 5 6 3 4 5 6 α β ПОЛИСАХАРИДЫКРАХМАЛА — АМИЛОЗАИАМИЛОПЕКТИН Фрагмент α - амилозы 1 2 2 α 3 3 4 4 5 5 6 6 1 1 2 2 α 3 3 4 4 5 5 6 Фрагмент амилопектина 1 2 2 α 3 3 4 4 5 5 6 6 1 2 α 3 4 5 6 α 1 1 2 2 α 3 3 4 4 5 5 6 6 Основная цепь Боковая ветвь Точка ветвления ФУНКЦИИУГЛЕВОДОВ 1) Энергетическая: главными источниками энергии являются глюкоза и гликоген. Структурная углеводы входят как составная часть в структурно- функциональные компоненты клетки - гликолипиды и гликопротеины. 3) Метаболическая: из углеводов могут синтезироваться липиды, некоторые аминокислоты, пентозы. Глюкоза может превращаться практически вовсе моносахариды, в тоже время возможно и обратное превращение. 39 ОБМЕНГЛЮКОЗЫ ТРАНСПОРТГЛЮКОЗЫВКЛЕТКИ С кровью воротной вены большая часть глюкозы (около половины) из кишечника поступает в печень, остальная глюкоза через общий кровоток транспортируется в другие ткани. Концентрация глюкозы в крови в норме поддерживается на постоянном уровне и составляет 3,33-5,55 мкмоль/л, что соответствует 80- 100 мг в 100 мл крови. Транспорт глюкозы в клетки носит характер облегченной диффузии, но регулируется во многих клетках гормоном поджелудочной железы - инсулином, действие которого приводит к перемещению белков- переносчиков ГЛЮТ из цитозоля в плазматическую мембрану. Тип ГЛЮТ Локализация в органах ГЛЮТ - 1 Преимущественно в плаценте, мозге, почках, толстой кишке ГЛЮТ - 2 Преимущественно в печени, в клетках островков Лангерганса, энтероцитах ГЛЮТ – 3 Во многих тканях, включая мозг, почки 40 ГЛЮТ - 4 В мышцах (скелетных, сердечной, жировой ткани, находятся почти полностью в цитоплазме ГЛЮТ - 5 В тонкой кишке, в меньшей мере в почках, мозге. Переносчик фруктозы Первая реакция, в которую вступает глюкоза в клетке - это реакция фосфорилирования глюкозы за счёт АТФ. Эту реакцию катализирует фермент гексокиназа (ГК). Биологический смысл гексокиназной реакции 1. Сделать молекулу глюкозы более способной к химическим реакциям, ослабить в ней химические связи, дестабилизировать её расшатать. 2. Связать, задержать глюкозу в клетке, чтобы она не смогла выйти обратно в кровь (глюкозо-6-фосфат неспособен проходить через клеточную мембрану. МЕТАБОЛИЗМГЛЮКОЗЫ 41 Основные процессы, происходящие с глюкозой в организме катаболизм глюкозы – гликолиз синтез глюкозы – глюконеогенез; депонирование и распад гликогена синтез пентоз - пентозофосфатные пути. КАТАБОЛИЗМГЛЮКОЗЫ Гликолиз - это серия реакций, в результате которых глюкоза распадается на две молекулы пирувата (аэробный гликолиз) или две молекулы лактата (анаэробный гликолиз. Все десять реакций гликолиза протекают в цитозоле и характерны для всех органов и тканей. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬРЕАКЦИЙГЛИКОЛИЗА 1 - я реакция Гексокиназа (ГК) работает, чтобы ослабить прочную молекулу глюкозы 2- я реакция - изомеризации 3- я реакция На этой стадии фруктозо-6-фосфат еще более ослабляется фосфофруктокиназой (ФФК) и образуется фруктозо-1,6-бисфосфат: 42 Фосфофруктокиназа - это ключевой фермент. Он является "пунктом вторичного контроля. V max ФФК больше, чем V max ГК. Поэтому, когда глюкозы поступает много, ГК лимитирует скорость всего пути. 4- я реакция 5- я реакция 6- я реакция 7- я реакция субстратное фосфорилирование 43 8- я реакция 9- я реакция 10- я реакция Субстратное фосфорилирование Среди 10-ти реакций только одна является окислительной. Это 6- яреакция: ФГА ----> 1,3-бисфосфоглицериновая кислота. Сама эта реакция не требует кислорода. Обычно НАДН 2 поступает в митохондрии и по дыхательной цепи отдает водород на кислород. Транспорт водорода от цитоплазматического НАДН 2 к митохондриальному НАДН 2 обычно обеспечивается малат |