Водорастворимые витамины (строение, биохимическая роль).

Тиамин (В₁). В химическом отношении витамин В₁ представляет собой производное пиримидина и тиазола. Препарат витамина, получаемый синтетическим путем, представляет собой тиаминхлорид:

Известны и другие производные тиамина, обладающие свойствами витамина В₁ (тиаминмонофосфат, тиаминдифосфат, тиаминтрифосфат, тиаминсульфид и др.).

При недостатке тиамина в пище у человека возникает авитаминоз, называемый болезнью бери-бери. Нарушения в деятельности организма при недостаточности тиамина обусловлены тем, что ему принадлежит ряд важных функций. Тиамин в виде тиамин-пирофосфата выполняет функцию кофермента при различных видах карбоксилирования, принимает участие в реакциях, связанных с переносом активных альдегидов.

Тиамин широко распространен в природе и содержится в достаточных количествах в продуктах как растительного, так и животного происхождения. Важнейшими источниками его являются хлеб, различные мучные и крупяные изделия.

Рибофлавин (В₂). В химическом отношении рибофлавин представляет собой производное изоаллоксазина, связанного с пятиатомным спиртом рибитолом:

Явление недостаточности в рибофлавине у людей наблюдается редко, но часто возникает на фоне дефицита других витаминов и особенно сильно проявляется при белковом голодании. При недостатке рибофлавина развивается общий дерматит, наблюдаются функциональные и морфологические изменения в центральной нервной системе.

Биохимическая роль рибофлавина сводится к тому, что он является простетической группой многих ферментов дыхательной цепи – так называемых флавиновых ферментов. Белковый компонент ферментов может сочетаться с различными производными рибофлавина, хотя в основном он найден в виде рибофлавина-5-фосфата. Поскольку рибофлавин принимает участие в большом количестве ферментативных реакций, его недостаток приводит к снижению обмена веществ. Он входит также в состав ферментов, принимающих участие в окислении аминокислот.

Потребность взрослого человека в рибофлавине составляет 2,5–3,5 мг.

Большая часть этого витамина поступает с пищей. Частично рибофлавин может быть синтезирован микроорганизмами кишечника. Витамин В₂ содержится главным образом в мясных, отчасти молочных и некоторых растительных продуктах. Особенно много его в пекарских дрожжах.

Пиридоксин (В₆). Известно несколько веществ, обладающих действием витамина В₆ и составляющих группу пиридоксина:

пиридоксин

пиридоксаль

теридоксамин

Специфичность этих веществ очень велика, так как известен целый ряд аналогов, обладающих антивитаминным действием.

Отсутствие витамина В₆ в пищевом рационе человека приводит к тяжелым биохимическим и биологическим последствиям. Изменяется количество ферментов, участвующих в обмене аминокислот, поэтому обмен белковых веществ нарушается.

Биохимическая роль этого витамина обусловлена тем, что соединения этой группы в организме переходят в пиридоксаль-5-фосфат с помощью специфического фермента – пиридоксалькиназы.

Пиридоксаль является также составной частью фосфорилазы.

Пиридоксаль-5-фосфат представляет собой кофермент системы ферментов, осуществляющих переаминирование аминокислот, декарбоксилирование, реакции обмена триптофана, образования цистина из серина и др.

Суточная потребность в витамине В₆ для взрослого человека составляет 2 мг. Витамин В₆ широко распространен в пищевых продуктах как растительного, так и животного происхождения.

Кобаламин (В₁₂) объединяет группу веществ со сложным строением. Их скелет состоит из модифицированного порфиринового цикла, в котором четыре пиррольных кольца соединены тремя метиновыми группами, из которых две замещены метильными группами. Кроме того, эти кольца частично гидрированы и замещены. В центре находится кобальт, связанный с азотом пиррольных колец координационной связью. Первым из соединений этого типа был открыт цианкобаламин.

Позднее были обнаружены окси (ОН) –, хлоро (Cl) –, нитро (NО₂) – кобаламины.

Другая составная часть кобаламина – рибонуклеотид, в котором имеется циклическое основание и остаток аминопропанола. Вещества, не содержащие нуклеотида, получили название псевдокобаламинов, они неактивны для человека и животных.

Отсутствие витамина В₁₂ приводит к возникновению злокачественной анемии.

Биохимическая роль витамина В₁₂ очень многогранна, но основная сводится к обмену метильных групп. Вероятно, ему принадлежит важная функция в синтезе метионина и тимина.

Потребность в кобаламине для здорового человека составляет 2–5 мкг. Источником витамина В₁₂ служат продукты животного происхождения. Особенно много его в субпродуктах.

Оротовая кислота (В₁₃) относится к числу малоизвестных витаминов, хотя впервые была выделена в 1905 году из сыворотки молока.

В химическом отношении она представляет собой производное урацила.

оротовая кислота

Оротовой кислоте принадлежит важная роль в синтезе пуриновых нуклеотидов.

Витамин В₁₃ в большом количестве содержится в дрожжах, печени, молоке многих животных, особенно в первые дни лактации.

Пангамовая кислота (В₁₅) была выделена Кребсом в 1951 году из рисовых отрубей, абрикосовых косточек, печени лошади.

В химическом отношении это азотистое производное сложного эфира Д-глюконовой и уксусной кислоты:

пангамовая кислота

Большое количество лабильных метильных групп в структуре пангамовой кислоты обуславливает ее роль в процессах трансметилирования и активации тканевого дыхания.

Никотиновая кислота (ниацин, РР) представляет собой b-пиридинкарбоновую кислоту. В организме животных и человека она встречается в форме никотинамида, связанного с НАД и НАДФ.

никотиновая кислота

амид никотиновой кислоты

Недостаточность витамина РР в пище ведет к возникновению авитаминоза, получившего название пеллагры (шершавая кожа).

Биохимическая роль никотиновой кислоты обусловлена тем, что ее амид используется клетками как строительный материал для синтеза коферментов никотинамидадениндинуклеотида (НАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ), которым принадлежит важная роль в процессах биологического окисления.

Для взрослого человека суточная норма ниацина 15–25 мг.

Никотиновая кислота содержится в довольно большом количестве в пищевых продуктах. Наиболее богаты витаминами РР дрожжи и печень.

Фолиевая кислота (В_с). Фолиевая (птероилглутаминовая) кислота была впервые выделена в 1941 году из листьев шпината. Она построена из птеринового скелета, n-аминобензойной и глютаминовой кислот:

2-амино-4-окси-6-метилптеридин

n-аминобензойная кислота

глутаминовая кислота

фолиевая кислота

В организме фолиевая кислота превращается в фолиновую, которая в 100 раз активнее фолиевой. В процессе превращения фолиевой кислоты в фолиновую важная роль принадлежит аскорбиновой кислоте.

Фолиевая кислота вместе с витамином В₁₂ стимулирует образование эритроцитов. Кроме того, она выполняет функцию кофактора при синтезе аминокислот и в процессе связывания простетических групп с белком при синтезе протеидов.

Потребность в витамине В_с у человека составляет 2–3 мг в сутки.

Он содержится во многих продуктах преимущественно растительного происхождения, а также в печени животных.

Пантотеновая кислота (G). По химическому строению пантотеновая кислота представляет собой пептид, образованный из пентоевой кислоты и b-аланина:

У человека недостаточность в пантотеновой кислоте не вызывает авитаминоза, так как она в достаточном количестве вырабатывается кишечной микрофлорой (Escherichia coli).

Биохимическая роль пантотеновой кислоты велика, так как она входит в состав многих коферментов, в частности является составной частью СоА.

кофермент А (СоА)

Суточная потребность в пантотеновой кислоте составляет 7–10 мг.

Она содержится во многих пищевых продуктах. Некоторые продукты, например, яичный желток, содержат очень большое количество пантотеновой кислоты.

10. n – аминобензойная кислота. В химическом отношении n-аминобензойная кислота является производной бензойной кислоты:

n-аминобензойная кислота

Ввиду широкого распространения n-аминобензойной кислоты в пищевых продуктах специфического проявления этого типа авитаминоза не наблюдается.

n-аминобензойная кислота принимает участие в биосинтезе фолиевой и фолиновой кислот, активирует биосинтез пуринов и пиримидинов и является необходимым компонентом в превращении тирозина в коричневый пигмент – меланин.

Биотин (Н). Биотин представляет собой гетероциклическое соединение, состоящее из тиофенового и мочевинного колец, связанных с валерьяновой кислотой.

биотин

У человека авитаминоз не отмечен при любом содержании этого витамина в пищевых рационах, так как он вырабатывается микрофлорой кишечника.

В сравнительно больших количествах биотин содержится в печени, почках, дрожжах. Потребность человека в биотине 150–200 мкг в сутки.

Инозит, обладает липотропным действием: при белковой недостаточности предотвращает жировую инфильтрацию печени. Он участвует в регуляции ритма сердца, способствует образованию молочной кислоты и входит в состав многих ферментов углеводного и белкового обмена.

инозит

Это соединение широко распространено в растительном мире в виде производного фитиновой кислоты, в составе животных организмов оно найдено как в связанном (инозитофосфатиды), так и в свободном виде.

Потребность человека в инозите 1,0–1,5 г в сутки.

Холин входит в состав многих фосфатидов. В связи с очень быстрым обменом фосфатидов в организме расход холина очень велик, и потребность в нем не обеспечивается за счет синтеза, поэтому часть холина должна поставляться с пищей.

СН₃

СН₂ – N СН₃

СН₃

ОН

холин

Холин участвует в процессах трансметилирования в качестве донора метильных групп. Как и инозит, он обладает липотропным действием. Потребность человека в холине составляет 0,5–1,0 г в сутки.

Аскорбиновая кислота (С). Химическая природа витамина С была расшифрована в 1928–1932 годах. Было выяснено, что это L-аскорбиновая кислота, представляющая собой лактон 2,3 диенолгулоновой кислоты:

L-аскорбиновая кислота

дегидро-L-аскорбиновая кислота

Ее кислые свойства обусловлены диенольной группировкой. Енольные группы легко окисляются, поэтому аскорбиновая кислота на воздухе окисляется, переходя в дегидроаскорбиновую кислоту, которая еще обладает действием витамина С. При дальнейшем окислении она необратимо превращается в 2,3-дикетогулоновую кислоту. Недостаток аскорбиновой кислоты у человека вызывает цингу.

Биохимическое значение аскорбиновой кислоты выражается в том, что она является постоянной составной частью тканей и органов человека и многих животных. Особенно велика ее роль в окислительно-восстановительных процессах.

Потребность в витамине С зависит от возраста, выполняемой работы, функционального состояния организма и климатических особенностей. При средней затрате труда взрослому человеку рекомендуется 70 мг в сутки, при тяжелом физическом труде – 100 мг. В условиях Крайнего Севера и жаркого климата потребность в аскорбиновой кислоте повышается на 30–50%.

Аскорбиновая кислота содержится в овощах, фруктах, ягодах. Особенно много ее в ягодах шиповника и черной смородины.

Флавон (Р) сопровождает аскорбиновую кислоту в ее природных источниках, но его роль как витамина окончательно не выявлена. Характерная особенность витамина Р – его влияние на проницаемость стенок сосудов. Предполагается, что в организме животного он тормозит деятельность гиалуринидазы, вызывающей распад гиалуроновой кислоты, что способствует повышению прочности капилляров. Потребность человека в этом витамине не установлена. Главные источники витамина – продукты растительного происхождения (листья гречихи, спаржи и др.).

3.Жирорастворимые витамины (строение, биохимическая роль)

Аксерофтол(А)– первичный высоконасыщенный спирт, являющийся производным каротиноидов:

аксерофтол

Каротиноиды в чистом виде представляют собой кристаллические темно–красные или оранжево-красные пигменты, широко распространенные в растениях. Благодаря своеобразному расположению и большому числу двойных связей эти соединения имеют большое число изомеров. Ряд каротиноидов – предшественники витамина А. Наиболее активный из них – b-каротин.

Недостаток аксерофтола в пище ведет к тяжелому заболеванию всего организма, что выражается в снижении обменных процессов.

Биохимическая роль аксерофтола проявляется в окислительно-восстановительных процессах. Он ускоряет окисление субстрата кислородом воздуха: при его участии в организме образуются перекиси, которые в свою очередь отдают кислород субстрату. Основная роль витамина А сводится к участию в химических процессах, происходящих в сетчатке глаза.

Потребность в витамине А колеблется от 0,5 до 2 мг в зависимости возраста и физиологического состояния.

Аксерофтол содержится в продуктах животного происхождения. В продуктах растительного происхождения – провитамин А (каротин).

Кальциферол (Д). Открытие кальциферола тесно связано с его антирахитическим свойством. Было установлено, что некоторые вещества, содержащиеся в составе липидов организма, способны под влиянием ультрафиолетового облучения приобретать антирахитические свойства. Эти вещества назвали провитаминами. К ним относятся некоторые из стеринов – эргостерин и 7-дегидрохолестерин, у которых в кольце «В» две двойные связи. В процессе фотохимической реакции происходит разрыв кольца «В»:

провитамин (7-дегидрохолестерин)

кальциферол (витамин Д₃)

Кроме эргокальциферола (витамина Д₂), который не образуется в организме животных и человека и имеет лишь медицинское значение, известны и другие: Д₃, Д₄, Д₅, но практическое значение имеют только витамины Д₂ и Д₃.

Недостаток кальциферола в пище отражается на костной системе: мягкая костная ткань разрастается, на границе между костной и хрящевой тканью образуются ребра. Из-за ненормальной гибкости костей под тяжестью скелета тела они изгибаются, особенно в конечностях (ноги), наблюдается деформация грудной клетки. Это заболевание получило название рахита. При Д-авитаминозе нарушается развитие зубов, мышцы становятся дряблыми. Это заболевание характерно для детского возраста.

Биохимическая роль кальциферола состоит в том, что он участвует в регуляции фосфорно-кальциевого обмена в организме и особенно в процессе образования костей.

Кальциферол способствует поддержанию постоянного уровня кальция в крови, регулирует деятельность ряда желез эндокринной системы.

Потребность в кальцифероле в обычных условиях удовлетворяется за счет пищи и эндогенного его синтеза под влиянием ультрафиолетового облучения. Для взрослого человека витамина Д достаточно 0,25 мг в сутки, для детей норма несколько больше. Кальциферол содержится почти исключительно в продуктах животного происхождения и некоторых низших грибах.

Токоферол (Е). В настоящее время известно семь форм витамина Е, сходных по своему химическому строению и действию на животный организм. Наиболее активный из них – a-токоферол

a-токоферол

Все формы отличаются друг от друга расположением и числом метильных групп.

При недостатке витамина Е в пищевом рационе человека снижается интенсивность обмена белковых веществ.

Потребность человека в витамине Е не известна. Он содержится в различных пищевых продуктах.

Филлохинон (К). Витамины К₁ и К₂ являются производными 2-метил-1,4-нафтохинона.

витамин К₁

витамин К₂

Нехватка витамина К у человека не наблюдается, так как он вырабатывается кишечной микрофлорой, но при отсутствии этого витамина нарушаются процессы свертывания крови.

Биохимическая роль витамина К сводится к тому, что он повышает тромбопластическую активность крови. Также ему принадлежит важная роль в процессе биологического окисления – в переносе электронов от НАД*Н₂ на цитохромы.

Полиненасыщенные жирные кислоты (F). Ненасыщенные жирные кислоты – линолевая, линоленовая, арахидоновая – получили название витамина F.

Линоленовая кислота малоактивна, и ее роль в основном сводится к активированию линолевой кислоты. Арахидоновая кислота может синтезироваться в организме из линолевой кислоты при участии пиридоксина.

Биохимическая роль витамина F состоит в том, что он участвует в обмене жиров, способствует их усвоению, снижает уровень холестерина в крови, важен для нормального течения процессов размножения и лактации и входит в состав некоторых ферментных систем.

Потребность в витамине F точно не определена. Для обеспечения организма человека витамином F в рацион необходимо включать растительные масла.

Антивитамины. Вещества, которые различными способами нарушают использование клетками витаминов, называют антивитаминами. Они делятся на две группы:

· вещества, которые инактивируют витамины, разрушая или превращая их молекулы в неактивные формы;

· вещества, имеющие родственную витамину структуру, которые вытесняют витамин из биологически активного соединения, делая его неактивным.

Например, антивитамином К являются гепарин и дикумарин, задерживающие превращение протромбина в тромбин и таким образом замедляющие процесс свертывания крови.

ЛЕКЦИЯ 8.

Введение в обмен веществ и энергии.

Вопросы:

1.Понятие о метаболизме.

2.Биологическое окисление.

3.Ферменты биологического окисления.

4.Окислительное фосфорилирование.

1. Понятие о метаболизме. Обменом веществ называют совокупность всех химических реакций в живом организме, протекающих под влиянием ферментов.

Обмен веществ включает в себя поступление веществ из внешней среды в организм в результате питания и дыхания, их перемещение и превращение в организме (промежуточный обмен) и выделение конечных продуктов обмена.

Промежуточный обмен включает следующие молекулярные процессы:

· взаимодействие молекул без изменения их ковалентной структуры;

· взаимодействие молекул, завершающееся изменением их ковалентной структуры.

Совокупность этих процессов называется метаболизмом.

Одним из результатов обмена веществ в организме является их самовоспроизведение. Под самовоспроизведением понимают превращение веществ, поступающих извне, в вещества и структуры самого организма, в результате чего происходит непрерывное обновление тканей, размножение и рост.

В метаболизме выделяют два основных направления превращения веществ: катаболизм и анаболизм.

При катаболизме органические вещества распадаются в конечном счете до углекислого газа и воды. Это процесс с выделением энергии. Анаболизм – это превращение более простых веществ в более сложные, служащие структурно-функциональными компонентами клетки. Для многих реакций анаболизма источником энергии служит процесс катаболизма.

Обмен веществ протекает непрерывно. И организм представляет собой термодинамически открытую химическую систему:

а в с d

При постоянном притоке веществ в такой системе устанавливается динамическое равновесие, когда скорость образования каждого метаболита равна скорости его расходования, следовательно, концентрация каждого метаболита сохраняется постоянной. Такое состояние системы называют стационарным. При изменении состояния организма (прием пищи, переход от покоя к двигательной активности) концентрация метаболитов в организме изменяется, т.е. устанавливается новое стационарное состояние.

Энергия, необходимая для осуществления реакций, протекающих в организме, доставляется пищевыми веществами. Последние в процессе обмена веществ распадаются под влиянием окислительных процессов. В организме преобладают реакции с выделением свободной энергии, связанные с одним и тем же процессом – синтезом АТФ. С другой стороны, реакции, протекающие с возрастанием свободной энергии, обусловлены только процессом расщепления АТФ. Таким образом, АТФ представляет собой основное звено механизма, которое связывает энергопроизводящие и энергопоглощающие процессы в организме. АТФ может принимать участие в двух типах реакций:

АТФ+Х АДФ+Х – фосфат

АТФ+У АМФ–У + пирофосфат

В реакциях 1-го типа образуется какой-либо эфир, содержащий спиртовую группу, и часть энергии переходит в связь вновь образовавшегося соединения. Если реакция идет по 2-му типу, то образуется смешанный ангидрид из ацильного радикала и адениловой кислоты (АМФ), а освобождаемая энергия остается в связи смешанного ангидрида.

Обе реакции обратимы и отражают справа налево аккумуляцию энергии, а слева направо – использование этой энергии. Две крайние связи с фосфорной кислотой называют богатыми энергией фосфатными связями, или макроэргическими фосфатными связями.

Процессы, сопровождающиеся выделением энергии, можно разделить на две группы: окислительные с поглощением кислорода воздуха и протекающие без доступа кислорода воздуха. Преобладающими веществами, производящими энергию, являются углеводы. Поэтому изучение процессов окисления углеводов наиболее важно с точки зрения выявления реакций организма, производящих энергию. Окисление других пищевых веществ (белков, жиров) отличают только начальные фазы. В дальнейшем из них получаются те же продукты, что и при окислении углеводов.

Процессы окисления всех пищевых веществ, в результате которых вырабатывается энергия, по сути дела сводятся к окислению пировиноградной кислоты в цикле Кребса. К этому циклу также присоединяется окисление восстановленных веществ молекулярным кислородом.

Во всех перечисленных реакциях, носящих ферментативный характер, неизменно участвует АТФ.

2.Биологическое окисление. Каждая потеря веществом электронов сопровождается окислением, при этом другой компонент реакции восстанавливается.

Первый этап биологического окисления состоит в отдаче водорода субстратами. Все типы биологического окисления органических веществ в живом организме можно свести к трем.

1.Дегидрирование насыщенных соединений сводится к образованию двойных связей. Например, окисление щавелевой кислоты в фумаровую:

СООН СООН

–2 Н⁺

СН₂ СН

СООН СООН

щавелевая фумаровая

кислота кислота

2.Дегидрирование спиртов приводит к образованию кетонов или альдегидов:

R R R R

–Н₂

–2 H⁺

CH₂OH C H–C–OH C=O

H R R

первичный спирт

альдегид

вторичный спирт

кетон

Спиртовая группа часто возникает вследствие присоединения воды по месту двойной связи. Например, реакционная цепь фумаровая кислота – щавелево-уксусная кислота:

СООН СООН СООН

– 2 Н⁺

+ Н₂О

СН СН₂ СН₂

СН Н–С–ОН С=О

СООН СООН СООН

фумаровая кислота

яблочная кислота

щавелево-уксусная кислота

3. Перевод альдегидов в карбоновые кислоты. При этом отщепление водорода идет от гидратной формы альдегидов:

R R R

+ Н₂О

– 2 Н⁺

O OH OH

C C C

H OH O

В биологических системах перенос водорода осуществляется специфическими ферментами – дегидрогеназами – к специфическому акцептору (второму субстрату или коферменту).

3.Ферменты биологического окисления. Для большинства ферментов, переносящих водород, известны два кофермента: никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ).

НАДФ образуется при замещении водорода фосфором.

Нуклеотиды могут обратимо присоединять атомы водорода. На этом основана их коферментная функция при переносе водорода. Присоединение водорода сопряжено с окислением пиридинового кольца, при этом азот теряет свой положительный заряд. Одновременно освобождается ион водорода:

Ароматическая природа кольца нарушается.

НАД и НАДФ находятся во всех клетках живого организма. Но содержание НАД превышает НАДФ.

В природе существует около 200 видов фермента дегидрогеназы. Все дегидрогеназы клеток можно подразделить на две группы: дегидрогеназы, у которых водородным акцептором является никотинамидадениндинуклеотид, и дегидрогеназы, у которых водородным акцептором может быть только никотин-амидадениндинуклеотидфосфат.

НАД-системы принимают участие преимущественно в окислительных реакциях распада. НАДФ-системы катализируют реакции восстановительного синтеза.

Ко второй группе окислительных ферментов относятся ферменты, содержащие в своем составе в качестве кофермента одно из двух производных рибофлавина: флавинмононуклеотид (ФМН) или флавинадениндинуклеотид (ФАД). Оба флавиновых нуклеотида прочно связаны с белком; это соединение называется флавопротеидом. Флавопротеиды переносят электроны в составе атомов водорода от органического субстрата к рибофлавиновому компоненту кофермента.

Соединение нуклеотида с белком фермента осуществляется водородными связями. При переносе водорода простетические группы остаются связанными со своими ферментами, хотя прочность связей у различных представителей неодинакова.

Присоединение водорода флавинадениндинуклеотидом. В зависимости от выполняемой функции флавиновые ферменты могут быть подразделены на следующие группы:

* цитохромредуктазы, у которых акцепторами электронов являются цитохромы;

* оксидазы, реагирующие непосредственно с кислородом;

* диафоразы, у которых акцептором водорода служит какое-либо красящее вещество.

В переносе кислорода принимают участие гемопротеиды, где в качестве простетической группы присутствует гем. Гемопротеиды также представляют собой ферменты дыхания, по строению отличающиеся от гемоглобина и названные цитохромами. Помимо цитохромов, существуют и другие гемопротеиды, например каталаза и пероксидаза.

Цитохромы являются катализаторами на последнем отрезке дыхательной цепи и способствуют переносу электронов от флавиновых ферментов на молекулярный кислород. Последняя в звене цитохромов – цитохромоксидаза, способная непосредственно реагировать с кислородом, катализируя окисление цитохрома С.

Каталазой называют фермент, разлагающий перекись водорода на воду и кислород:

каталаза + 2Н₂О₂ каталаза + 2Н₂О + О₂

Пероксидаза – фермент, катализирующий окисление субстрата с помощью перекиси водорода. Эти реакции тесно связаны между собой. В обоих случаях акцептором водорода служит перекись водорода. Ферменты близки по химическим свойствам, их объединяют под названием гидропероксидазы. Оба фермента в качестве простетической группы содержат протогем.

Реакции между дегидрогеназами. Между дегидрогеназами возможны реакции, имеющие важное значение в обмене веществ. Примером таких реакций может служить главная реакция гликолиза. Поскольку дегидрогеназы катализируют реакцию между двумя веществами, у фермента должно быть место как для донора, так и для акцептора, поэтому и специфичность его двояка.

4.Окислительное фосфорилирование. Несмотря на то, что цикл лимонной кислоты составляет часть аэробного метаболизма, ни в одной реакции этого цикла, приводящей к образованию NADH + Н' и FAD ■ 2Н. молекулярный кислород прямого участия не принимает. Почти вся энергия, получаемая на ранних этапах окисления субстратов (углеводов или других соединений), вначале запасается в форме высокоэнергетических электронов, переносимых NADH + Н и FAD * 2Н. Только позже, в дыхательной цепи, эти электроны взаимодействуют с молекулярным кислородом, высвобождая энергию, используемую ферментами внутренней мембраны митохондрий для синтеза АТР из ADP и неорганического ортофосфата. Эти реакции синтеза АТР получили название окислительного фосфорилирования.

Процесс переноса электронов вдыхательной пени начинается с отщепления гидрид-иона Н от NAD*, а электроны гидрид-иона переходят на первый переносчик электронов вдыхательной цепи. Они обладают большой энергией, запас которой постепенно уменьшается по мере прохождения их по цепи. Переносчиками электронов являются три больших комплекса дыхательных ферментов, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий

1. NADH-дегидрогеназныи комплекс — самый большой из дыхательных ферментных комплексов, содержит более 22 полипептидных цепей. Его молекулярная масса свыше 800 кДа. Комплекс принимает электроны от NADH + Н* и передает их через флавин и пять или шесть железосерных белков, в активном центре которых находятся два или четыре атома железа и такое же число атомов серы, на убихинон (или СоQ) — липид, передающий затем электроны на второй комплекс дыхательных ферментов.

2. Комплекс Ь—с состоит из 8 полипептидных цепей общей молекулярной массой 500 кДа. Каждый мономер (полипептидная цепь) содержит три гема, связанных с цитохромами, и один железосерный белок. Комплекс существует в виде димера. Он принимает электроны от убихинона и передает цитохрому с. который затем переносит их на цитохромоксидазный комплекс. Цитохром с - это небольшой белок, содержащий более 100 аминокислотных остатков и атом железа в составе гема. Напомним, что цитохромы это группа окрашенных белков, в состав молекулы которых входит связанная группа — гем. Принимая один электрон, атом железа в составе гема восстанавливается -- переходит из трехвалентного в двухвалентный. Гем содержит порфириновое кольцо, в котором атом железа прочно удерживается с помощью четырех атомов азота. Близкие по строению порфириновые кольца определяют зеленый цвет листьев, связывая магний в хлорофилле, и красный цвет крови, связывая железо в гемоглобине.

3.Цитохромоксидазный комплекс (цитохром а) состоит из восьми различных полипептидных цепей, образуя димер молекулярной массой 300 кДа; каждый мономер содержит два цитохрома и два атома меди. Этот комплекс принимает электроны от цитохрома с и передаст их кислороду, восстанавливая его до воды.

Первый и второй ферментные комплексы в своем составе имеют низкомолекулярные компоненты убихинон и цитохром с, способные быстро перемещаться, подобно челнокам, путем диффузии н плоскости мембраны, осуществляя перенос электронов от одного ферментного комплекса, встроенного в мембрану, к другому.

На различных участках дыхательной цепи величина сродства молекулы-переносчика к переносимым электронам будет различной. Мерой этого сродства служит величина окислительно-восстановительного потенциала.

Каждый комплекс работает как энергопреобразующее устройство, генерирующее на счет электрохимического градиента АТФ. Синтез АТФ в ходе окислительного фосфорилирования до конца не изучен. Согласно хемиоосмотической гипотезе, которая признана в настоящее время наиболее отвечающей экспериментальным данным, при переносе пары электронов по дыхательной цепи ионы Н * переходят из матрикса через внутреннюю мембрану митохондрий в межмембранное пространство. Создаваемый на внутренней митохондриальной мембране электрохимический фермента протонов Н является движущей силой для фермента АТФ- азы, запуская фосфорилирование АДФ и ортофосфата, с выделением элементов воды - Н из АДФ и ОН — из ортофосфата.

ЛЕКЦИЯ 9.

Обмен углеводов

Вопросы:

1.Глюконеогенез.

2.Анаэробое окисление углеводов (гликолиз). Спиртовое и молочнокислое брожение.

3.Аэробное окисление углеводов (цикл Кребса).

4.Глиоксилатный цикл.

1.Глюконеогенез.Жизнь на Земле возникла в атмосфере, не содержащей кислорода, поэтому и процессы метаболизма осуществлялись без участия кислорода (анаэробно). До сих пор существуют отдельные группы микроорганизмов, которые живут в бескислородных условиях, и обмен веществ у них анаэробный. При анаэробном расщеплении органические вещества не разлагаются до простых конечных продуктов, поэтому высвобождается мало энергии, у большинства организмов расщепление органических веществ происходит в присутствии кислорода - аэробный обмен. В результате такого обмена остаются бедные энергией конечные продукты (СО₂ и H₂О), но высвобождается много энергии. Процессы аэробного обмена называют дыханием, анаэробного - брожением.

Высвободившаяся в процессах анаэробного и аэробного расщепления веществ энергия аккумулируется и передается с помощью высокоэнергических соединений, прежде всего АТФ. Важнейшими субстратами для осуществления дыхания и большинства видов брожения служат углеводы. Кроме того, при дыхании могут использоваться также белки и жиры, а при брожении - спирты и органические кислоты. Из-за малого выхода энергии клетки, осуществляющие брожение, должны расходовать большие количества субстрата, чем клетки, осуществляющие дыхание.

В эволюционном процессе первыми появились анаэробные микроорганизмы, и механизмы расщепления углеводов возникали у них. Но так как в природе новые механизмы возникают на основе более ранних, то и при аэробном расщеплении углеводов первые этапы сходны с процессами, наблюдаемыми у анаэробных организмов. Так, расщепление углеводов начинается с гликолиза, после чего пути дыхания и брожения расходятся. В результате гликолиза из одной молекулы глюкозы образуются по две молекулы пирувата, АТФ и НАДН₂.

Совокупность всех происходящих химических, физических, коллоидных и других процессов, происходящих в организме с момента рождения и на протяжении его онтогенеза до конца жизни, представляет собой биологический обмен веществ, называемый «обмен веществ», его также называют метаболизмом. В метаболизме различают два вида химических превращений: катаболизм и анаболизм. Реакции расщепления с выделением энергии составляют основу катаболизма. При катаболизме высокомолекулярные органические вещества распадаются до простых веществ в результате ферментативных реакций гидролиза, фосфоролиза, окисления с одновременным выделением свободной химической энергии, используемой затем на процессы жизнедеятельности. При анаболизме происходят реакции синтеза образования сложных высокомолекулярных веществ, входящих в ткани организма.

Все синтетические процессы (анаболические пути) происходят с использованием энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции (катаболизма). Сами же реакции расщепления происходят при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции. Процессы анаболического и катаболического обмена неразрывно связаны между собой, составляют две стороны единого комплекса реакций.

Обмен веществ осуществляется при одновременном и адекватном наличии следующих приоритетных субстанций: белков, нуклеиновых веществ, воды и ферментов. Выпадение любой из них приводит к прекращению биохимических процессов, остановке обмена веществ.

Кроме основополагающих белков, воды и ферментов, в биологическом обмене участвуют многие другие вещества. Метаболизм включает в себя следующие реакции, происходящие в живом организме: окисление, восстановление, расщепление, объединение молекул, межмолекулярный перенос и другие. Особенность совокупности этого огромного числа разнообразных реакций в живом организме – скоординированность отдельных реакций во времени и пространстве, строгая их последовательность, ступенчатость и сопряженность.

Глюконеогенез — синтез глюкозы из неуглеводных продуктов. Такими продуктами или метаболитами являются в первую очередь молочная и пировиноградная кислоты, так называемые гликогенные аминокислоты, глицерол и ряд других соединений. Иными словами, предшественниками глюкозы в глюконеогенезе могут быть пируват или любое соединение, превращающееся в процессе катаболизма в пируват или один из промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот. У позвоночных наиболее интенсивно глюконеогенез протекает в клетках печени и почек (корковое вещество).

Большинство стадий глюконеогенеза представляет собой обращение реакций гликолиза. Только три реакции гликолиза (гексокиназная, фосфофруктокиназная и пируваткиназная) необратимы, поэтому в процессе глюконеогенеза на трех этапах используются другие ферменты. Рассмотрим путь синтеза глюкозы из пирувата.

Биологическая роль глюконеогенеза:
1. Поддержание уровня глюкозы в крови. При длительном голодании (голодание более суток) глюконеогенез является единственным процессом, поставляющим глюкозу в кровь.
2. Возвращение лактата в метаболический фонд углеводов. Лактат, образующийся в процессе анаэробного окисления глюкозы в эритроцитах и скелетных мышцах, транспортируется кровью в печень и превращается в гепатоцитах в глюкозу. Это так называемый межорганный цикл Кори.

Схема синтеза глюкозы (глюконеогенеза) из неуглеводных предшественников