Витамины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Витамины, их классификация. Общие представления о химическом строении различных витаминов. Механизмы воздействия витаминов на обменные процессы. Роль витаминов в образовании ферментов. Понятия о гиповитаминозе, авитаминозе, гипервитаминозе. Влияние занятий различными видами спорта на потребность организма человека в витаминах

витамин фермент авитаминоз

Витамины - группа низкомолекулярных веществ различной химической природы, необходимых для роста, жизнедеятельности и размножения организма. Они характеризуются следующими признаками:

- не синтезируются в организме человека, поэтому должны поступать с пищей. Одни из них (В6, В12, пантотеновая и фолиевая кислоты и некоторые другие) синтезируются микрофлорой кишечника, другие частично образуются в организме (например, никотиновая кислота из незаменимой аминокислоты триптофана), однако данные процессы не способны обеспечить потребность организма в этих веществах;

- не служат источником энергии или пластическим материалом. Потребность организма в них невелика и составляет в сутки доли грамма;

- поступая с пищей в малых количествах, оказывают влияние на биохимические прцессы а организме. Большинство витаминов входят в состав активной группы ферментов, определяя специфичность их действия;

- при недостаточном поступлении их с пищей или плохом усвоении, приводят к специфическим нарушениям обмена веществ и физиологических функций и даже возникновению болезней (авитаминоз и гиповитаминоз).

Классификация витаминов. Витамины делят на две большие группы: водорастворимые и жирорастворимые, что определяет преимущественное их содержание в определенном рационе. Такая классификация имеет и физиолого-биохимическое значение: витамины растворимые в жирах могут накапливаться в организме человека, и поэтому кратковременный дефицит их поступления не приводит к каким-либо неблагоприятным последствиям.

Буквенное название	Биохимическое название	Обозначение по специфическому действию
Водорастворимые витамины
В1	Тиамин	Антиневротический (предохраняет от бери-бери)
В2	Рибофлавин	Предупреждает арибофлавиноз
В3	Пантотеновая кислота	Антидерматический
В5 (РР)	Никотиновая кислота	антипеллагрический
В6	Пиридоксин	Участвует в регуляции белкового обмена (антидерматический)
В12	цианкобаламин	Антианемический
В13	Оротовая кислота	Участвует в синтнзе нуклеиновых кислот
В15	Пангамовая кислота	Способствует усвоению кислорода тканями
Вс	Фолиевая кислота (фолацин)	Антианемический
Вт	Карнитин	Антианемический
С	Аскорбиновая кислота	Антицинготный
H	Биотин	Антисеборрейный
-	Холин	Липотропный
N	Липоевая кислота	Липотропный
U	Метилметионинсульоний хлорид	Противоязвенный фактор
Р	Биофлавоноиды (рутин, гасперидин, катехин)	Регулирует проницаемость сосудов
Жирорастворимые витамины
A	Ретинол	Антиксерофтальмический
D	кальциферолы	Антирахитический
E	Токоферолы	Противоокислительное действие
K	Нафтохиноны	Антигеморрагический

Общие представления о химическом строении различных витаминов. Механизмы воздействия витаминов на обменные процессы. Роль витаминов в образовании ферментов

Водорастворяемые

Тимин - витамин В1. Это первый из витаминов, выделенный в чистом виде. По химическому строению представляет собой сложное соединение, включающее пиримидиновое и тиазольное кольца. Наличие серы и аминогруппы в составе витамина послужило основанием для его названия. В организме витамин В1 находится в форме пирофосфорного эфира - тиаминдифосфата во всех органах и тканях. Он является коферментом, катализирующим декарбоксилирование кетокислот. При недостатке этого витамина нарушается нормальное превращение углеводов, наблюдается повышенное накопление кетокислот в организме.

Рибофлавин - витамин В2. Этот витамин относится к числу витаминов, обладающих окраской (флавины). По химической природе рибофлавин - производное изоаллоксазина, к которому присоединен пятиатомный спирт рибитол. Широкое распространение рибофлавина соответствует его важной роли в обмене веществ. В форме флавинадениндинуклеотида рибофлавин является простетической группой ферментов, осуществляющий перенос водорода по дыхательной цепи. Другие ферменты, в состав которых он входит, принимают участие в белковом обмене.

Пиридоксин - витамин В6. Свойством этого витамина обладают три сходных по строению производных пиримидина: пиридоксин, пиридоксаль, пиридоксамин. В живых организмах в процессе обмена они могут переходить друг в друга, однако у человека обнаружено только два последних соединения. Пиридоксаль и пиридоксамин фосфорилируются, превращаясь в пиридоксальфосфат или пиридоксаминофосфат, который является коферментом ряда важнейших ферментов, осуществляющих регуляцию белкового обмена. Пиридоксин входит в состав других ферментов - декарбоксилаз аминокислот.

Пантотеновая кислота - витамин В3. Она является активной группой коэнзима А, играющего важную роль в превращениях пировиноградной и а-кетоглутаровой кислоты. Соединения коэнзима А с уксусной кислотой образуется не только в результате окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты. Пантотеновая кислота играет важную роль в обмене веществвсех органов и тканей.

Никотиновая кислота - витамин РР. Витаминными свойствами обладает никотиновая кислота и её амид. Никатинамид входит в активную группу ряда ферментов дыхательной цепи. Известны два вида коферментов, в которые входит никотинамид: никотинамидадениндинуклеотид и никотинамидадениндинуклеотидфосфад. Участвует в анаэробном окислении субстратов, кроме того участвует в процессе биосинтеза. При недостатке никатиновой кислоты нарушаются процессы биологического окисления и образования ряда веществ, синтезируемых в организме.

Цианкобаламин - витамин В12. Наиболее сложный по строению из всех витаминов. Его молекулярная масса 1356. В составе молекулы Цианкобаламина имеется кольцо, сходное с порфирином гемоглобина, однако в центре находится не железо, а кобальт и цианогруппа. Витамин В12 состоит из двух частей: порфириноподобной и нуклеотидной. В чистом виде он представляет собой кристаллическое вещество темно-красного цвета. Он входит в состав кофермента. Ферменты, содержащие кобамидный кофермент, влияют на реакцию ацетилирования, благодаря чему ускоряется процесс биологического окисления уксусной и пировиноградной кислот. Наиболее важно участие витамина В12 в синтезе пуриновых и пиримидиновых оснований, т. е. в образовании РНК и ДНК. Так же он участвует в обмене метионина, переносе метильных групп, что определяет его положительное влияние на жировой обмен.

Фолиевая кислота - витамин Вс. Она состоит из трех компонентов: птеридина, парааминобензойной и глютаминовой кислот. Фолиевая кислота - важный фактор ряда сложных ферментных систем у человека и животных. Она участвует в стимулирование процессов биосинтеза ряда веществ с использование простых соединений, а так же в синтезе тимина, пурина, т. е. веществ, которые являются структурными элементами при образовании нуклеиновых кислот и некоторых ферментов. По ряду проявлений действие фолиевой кислоты сходно с действием витамина В12, поэтому совместное влияние особенно отчетливо проявляется в стимулировании синтеза эритроцитов, белкового обмена.

Аскорбиновая кислота - витамин С. Это не насыщенное соединение, не содержащее карбоксильной группы. Наличие двух енольных гидроксилов определяет кислый характер соединения. Она способна к обратному окислению с образованием дегидроаскорбиновой кислоты, которая может присоединять атомы водорода (восстанавливаться), вновь превращаясь в аскорбиновую кислоту. Эта способность аскорбиновой кислоты определяет её участие в окислительно-восстановительных реакциях в качестве дополнительного переносчика водорода. Витамин С, особенно дегидроаскорбиновая кислота, - малоустойчивое соединение. Поэтому содержание его в пищевых продуктах снижается в процессе длительного хранения. Витамин С разрушается при нагревании, особенно интенсивно - в присутствие солей тяжелых металлах (медь, железо). Биохимическую роль витамина С связывают с возможным участием в окислительно-восстановительных реакциях. Витамин С влияет на состояние белкового обмена в мышцах; он участвует в образовании соединительнотканных белков (коллагена и др.), гормонов коры надпочечников, в регуляции обмена некоторых аминокислот, нормализует активность некоторых ферментов (гиалуронидазы).

Биофлавониды - витамин Р. Это группа соединений, обладающих сходным биологическим действием и строением. Все они относятся к циклическим соединениям, близким по структуре к природным красителям. Витамин Р оказывает влияние на окислительно-восстановительные реакции, тормозит активность гиалуронидазы, что способствует сохранению нормальной проницаемости стенки кровяных сосудов.

Оротовая кислота - витамин В13. К витаминам эта кислота отнесена условно, так как авитоминоз описан только у грызунов и кур. Она является предшественником урацила и цитозина, т. е. может использоваться при биосинтезе пиримидиновых нуклеотидов. С целью стимулирования биосинтеза нуклеиновых кислот оротовая кислота применяется в лечебной практике

Пангамовая кислота - витамин В15. Представляет собой эфир глюконовой кислоты и диметилглицина. Благодаря наличию метильных групп, соединенных с азотом, он оказывает положительное влияние на липидный обмен. Витамин В15 стимулирует тканевое дыхание, повышает эффективность использования кислорода тканями, особенно при его недостатке различного происхождения, стимулирует продукцию стероидных гормонов коры надпочечников.

Жирорастворяемые

Ретинол - витамин А. обнаружен этот витамин только в животных продуктах. По химической природе он представляет собой циклическое соединение, включающее бета-ионовое кольцо, два остатка изопрена и первичную спиртовую группу. Витамин А принимает участие в синтезе зрительного пурпура сетчатки глаз (этим определяется его функция в механизме фоторецепции, адаптации глаза к условиям пониженной освещенности), в энергетическом обмене, регуляции образования глюкозы, биосинтезе кортикостероидов. Особенно важным является регулирующее влияние ретинола на проницаемость клеточных мембран, а так же его антиоксидантное действие.

Кльцифероллы - витамин D. Это насыщенные циклические спирты, сходные со стеринами. Не обладает биологической активностью, но он служит предшественником 1, 25-ди-гидроксихолекальциферола. Недостаток витамина D приводит к нарушению фосфорно-кальциевого обмена и процесса образования костей. Витамин D3 гидроксилируется в два этапа - сначала в печени, а затем в почках. Затем 1, 25-дигидроксихоле-кальциферол переносится в другие органы и ткани, где он регулирует обмен кальция и фосфора. Витамин D регулирует транспорт ионов кальция и фосфора через клеточные мембраны. Недостаточность витамина D проявляется в виде заболевания, называемого рахитом. При рахите заторможено всасывание ионов кальция и фосфатов в кишечнике. Вследствие этого их уровень в крови снижается и нарушается минерализация костей, т. е. отложения минеральных веществ во вновь обрадовавшуюся коллагеновую матрицу растущих костей не происходит. Относительная недостаточность витамина D возможна и при нормальном его поступлении в организм. Она проявляется при заболеваниях печени и особенно почек, так как эти органы принимают участие в образовании активных форм витамина D. При избыточном приеме витамина D как у детей, так и у взрослых развивается витаминная интоксикация. Уро-95вень кальция и фосфатов в крови резко повышается, что приводит к кальцификации внутренних органов (легких, почек, сосудов и др.) и деминерализации костей.

Токоферол - витамин Е. Витаминной активностью обладает ряд веществ, сходных по химическому строению. Наибольшей биологической активностью обладает a-токоферол, представляющий собой сочетание триметилгидрохинона с одноатомным спиртом фитолом. Название витамина происходит от греческих слов «токос» - потомство и «феро» - несу, что указывает на участие этого вещества в регуляции процесса размножения. Предполагается, что он участвует в защите липидов клеточных мембран от разрушающего действия кислорода, то есть является сильным природным антиоксидантом. Наибольшая концентрация токоферола наблюдается в жировой ткани, в печени и в скелетных мышцах. Витамин Е является одним из сильных природных антиоксидантов, препятствуя развитию цепных неуправляемых реакций пероксидного окисления ненасыщенных липидов в био-логических мембранах и тем самым стабилизируя мембраны. Гиповитаминоз токоферолов у человека практически не встречается. Источниками витамина Е являются растительные масла, капуста, салат, зерновые продукты.

Нафтохинон - витамин К. Существуют две формы витамина, различающиеся длиной боковой цепи. Витамин К2 содержится в основном в животных организмах. Витамин К1 имеет боковую цепочку из четырех изопреноидных единиц и встречается в растениях. Витамин К необходим для нормального образования белка плазмы крови протромбина, который является неактивным предшественником тромбина - фермента, превращающего белок плазмы крови фибриноген в фибрин - нерастворимый волокнистый белок, способствующий формированию кровяного сгустка. Чтобы протромбин мог превратиться в тромбин, он должен связать ионы Ca2+. Для этого в молекуле протромбина содержится несколько остатков особой аминокислоты - карбоксиглута-миновой кислоты. Карбоксилирование остатков глутаминовой кислоты осуществляется ферментом, для действия которого необходим витамин К. Источником витамина К является, прежде всего, растительная пища: капуста, тыква, томаты, зеленые части растений; из пищи животного происхождения богата этим витамином печень.

Понятия о гиповитаминозе, авитаминозе, гипервитаминозе

Авитаминоз - отсутствие какого-либо витамина или нескольких витаминов (полиавитаминоз). Бывает при неполноценном питании или нарушении работы органов, связанных с пищеварением. А также может быть следствием особенностей обмена веществ в детском и пожилом возрасте. Авитаминоз служит причиной, например таких болезней, как рахит (отсутствует витамин D) и цинга (отсутствует витамин С). Но встречается полное отсутствие витаминов редко, чаще наблюдается гиповитаминоз. Гиповитаминоз - недостаток витаминов. При недостатке витаминов снижается работоспособность, ухудшается аппетит и ослабевает иммунитет. Появляется раздражительность и постоянная усталость. Если не повысить потребление витаминов, тогда организм не сможет нормально усваивать и извлекать полезные вещества из поступающей пищи, в результате начнет ухудшаться состояние тканей (кожи, мышцы, слизистых) и функции организма (рост, интеллектуальное и физическое развитие). При этом гиповитаминоз может особо не проявляться и длиться годами, нанося вред здоровью. Например, недостаток витамина А нарушает сумеречное зрение (куриная слепота), недостаток витамина В1 нарушает окисление углеводов, наблюдается снижение аппетита, ослабление памяти, головные боли. Гиповитаминоз В2 нарушает энергетические и метаболические процессы. Недостаток витамина С проявляется шелушением кожи, кровоточивостью десен, слабостью и раздражительностью, появляются боли в ногах. Недостаток витамина Е способствует мышечной дистрофии. В группу риска входят люди злоупотребляющие алкоголем и табаком, женщины во время беременности и в период вскармливания, дети и пожилые люди. Вегетарианцы и любители строгих диет, люди, жизнь которых связана с повышенной умственной и физической нагрузкой. Гипервитаминоз - избыток витаминов. При избытке одного или нескольких витаминов, чаще жирорастворимых, т. к. они накапливаются, происходит интоксикация организма сверхвысокой дозой витаминов, что приводит к различным нарушениям в работе организма. При избытке витамина А, нарушается работа печени, повышается давление, наблюдается упадок сил, сонливость и головные боли. Передозировка витамина С, может вызвать бессонницу и нарушение работы поджелудочной железы и почек. Витамины группы D могут способствовать образованию камней в почках и разрушению костной ткани. Часто симптомами избытка витамина D служат плохой аппетит, похудение, слабость, тошнота, боли в животе и запоры, головная боль в области затылка. Избыток витамина Е вызывает усталость, слабость, головокружение. Может проявиться в расстройствах желудочно-кишечного тракта и нестабильной работы сердечнососудистой системы.

Влияние занятий различными видами спорта на потребность организма человека в витаминах.

Анаэробный распад гликогена и глюкозы (гликолиз). Последовательность химических реакций гликолиза. Ресинтез АТФ в ходе гликолиза

При распаде глюкозы в анаэробных условиях в результате процесса молочнокислого брожения образуется молочная кислота. Иначе этот процесс называется гликолизом.

Отдельные реакции гликолиза катализируют 11 ферментов, образующих цепь, в которой продукт реакции, ускоряемой предшествующим ферментом, является субстратом для последующего. Гликолиз условно можно разбить на два этапа.

В первом этапе происходит затрата энергии, второй этап, наоборот, характеризуется накоплением энергии в виде молекул АТФ. Первой реакцией гликолиза является фосфорилирование глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата. Гексокиназа в мышцах фосфорилирует в основном глюкозу, меньше - фруктозу и галактозу. Глюкокиназа фосфорилирует глюкозу.

Глюкозо-6-фосфат далее изомеризуется во фруктозо-6-фосфат, который фосфорилируется до фруктозо-1, 6-дифосфата. Альдокетоизомеризацию открытых форм гексоз осуществляет фосфогексозоизомераза.

Реакция необратима и самая медленная из всех реакций гликолиза, определяет скорость всего гликолиза. Фермент, осуществляющий фосфорилирование фруктозы - 6-фосфата, называется фосфофруктокиназа I.

Следующей реакцией является лиазное расщепление фруктозо-1, 6-дифосфата до двух триоз - 3-фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона. Образованием этих триоз заканчивается первый этап гликолиза.

Альдолазы действуют на открытые формы гексоз. В большинстве тканей содержится альдолаза А. В печени и почках - альдолаза В. Во второй этап гликолиза вступают 2 молекулы 2-фосфоглицеринового альдегида, одна из которых образуется непосредственно при расщеплении фруктозо-1, 6-дифосфата, а другая при изомеризации фосфодиоксиацетона.

Второй этап гликолиза открывается реакцией окисления 3-фосфоглицеринового альдегида, катализируемой специфической дегидрогеназой, содержащей в активном

центре свободную сульфгидрильную (HS-) группу и кофермент НАД+. В результате образуется 1, 3-дифосфоглицериновая кислота. Далее происходит перенос фосфат-

ной группы на молекулу АДФ; таким образом происходит запасание энергии в макроэргических связях молекулы АТФ. Поскольку в гликолизе образуются 2 молекулы

1, 3-дифосфоглицериновой кислоты, то и возникают 2 молекулы АТФ.

Изомеризация предыдущего метаболита в 2-фосфоглицериновую кислоту необходима для протекания реакции дегидратации.

Далее образуется макроэргическое соединение - фосфоенолпировиноградная кислота, ускоряется реакция соответствующей лиазой.

На следующем этапе фосфоенолпировиноградная кислота отдает фосфатную группу на молекулу АДФ.

Образующаяся енольная форма пировиноградной кислоты затем неферментативно переходит в более термодинамически стабильную кетоформу. Заключительной ре-

акцией этого метаболического пути является молочная кислота, которая образуется при восстановлении пировиноградной кислоты.

Большая часть молочной кислоты, образующейся в мышце, вымывается в кровяное русло. Изменению рН крови препятствует бикарбонатная буферная система: у спортсменов буферная емкость крови повышена по сравнению с нетренированными людьми, поэтому они могут переносить более высокое содержание молочной кислоты. Далее молочная кислота транспортируется к печени и почкам, где она почти полностью перерабатывается в глюкозу и гликоген. Незначительная часть молочной кислоты вновь превращается в пировиноградную кислоту, которая в аэробных условиях окисляется до конечных продуктов обмена.

Аэробное окисление. Дыхательная цепь и перенос электронов. Ферменты аэробного окисления. Кислород как акцептор водорода

Аэробный обмен пировиноградной кислоты. В аэробных условиях пировиноградная кислота (ПВК) и протоны с НАДН2 транспортируются в матрикс митохондрий. ПВК самостоятельно не проходит внутреннюю мембрану митохондрий, перенос ее через мембрану осуществляется вторично-активным транспортом. В аэробных условиях пировиноградная кислота окисляется; этот процесс называется окислительным декарбоксилированием пировиноградной кислоты. Катализирует этот процесс мультиэнзимный комплекс, который называется пируватдегидрогеназным комплексом. В состав этого комплекса входят три фермента и пять коферментов. Первый этап аэробного превращения заключается в осуществлении окислительного декарбоксилирования ПВК с образованием ацетил-КоА. Механизм работы пируватдегидрогеназного комплекса заключается в пяти стадиях.

Сначала образуется оксиэтильный радикал, ковалентно связанный с коферментом, далее происходит окисление оксиэтильного радикала в ацетильный, который сначала

акцептируется липоевой кислотой, а затем переносится на KoASH. Продуктом этих стадий является образование ацетил-КоА и дегидролипоевой кислоты. Заключительную

стадию окислительного декарбоксилирования ПВК катализирует дигидролипоилдегидрогеназа, коферментом которой является ФАД. Кофермент отщепляет два атома водорода от дигидролипоевой кислоты, тем самым воссоздавая первоначальную структуру данного кофермента. Далее Ацетил-КоА поступает в цикл трикарбоновых кислот, где он окисляется до двух молекул СО2 с образованием одной молекулы ГТФ, восстановлением трех молекул НАДН2 и одной молекулы ФАДН2.

Цикл Кребса или цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) является процессом окисления АцетилКоА - универсального продукта катаболизма углеводов, жиров и белков. ЦТК протекает в митохондриях с участием восьми ферментов, которые локализованы в матриксе в свободном состоянии, или на внутренней поверхности внутренней мембраны. В ЦТК участвуют пять витаминов: В1, В2, РР, пантотеновая кислота и липоевая кислота в видекоферментов тиаминпирофосфата, ФАД, НАД+, КоА и липоата.

Основной функцией ЦТК является образование водородных эквивалентов, которые в цепи окислительного фосфорилирования обеспечивают синтез макроэргических

соединений. Кроме того, ЦТК выполняет ведущую роль в процессах глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования, липогенеза и синтеза гема.

Регуляция ЦТК. Осуществляется с участием четырех регуляторных ферментов: цитратсинтазы, изоцитратдегидрогеназы, a-кетоглутарат дегидрогеназы и сукцинатдегидрогеназы. ЦТК ингибируется в основном НАДН2 и АТФ, которые являются продуктами ЦТК и цепи окислительного фосфорилирования. Активируют ЦТК в основном НАД+ и АДФ.

Реакции цикла трикарбоновых кислот. Эта система реакций начинается с присоединения ацетильного остатка ацетилкофермента А к оксалоацетату (соль щавелевоуксусной или кетоянтарной кислоты) с образованием соли трикарбоновой лимонной кислоты - цитрата. Далее цитрат претерпевает ряд последовательных превращений, сопровождающихся двумя актами декарбоксилирования, т. е. выделения СО2, и в конечном итоге приводящих к регенерации оксалоацетата. Ниже перечислены все стадии цикла трикарбоновых кислот.

1. Взаимодействие ацетилкофермента А с оксалоацета-

том, катализируемое ферментом цитратсинтазой.

Цитратсинтаза локализуется в матриксе митохондрий, ее активируют щавелевоуксусной кислота (ЩУК), НАД+ а ингибируют АТФ, НАДН2, сукцинил-КоА, цитрат.

2. Изомеризация цитрата в изоцитрат, катализируемая ферментом аконитазой и проходящая через промежутоное образование аконитата путем дегидратации цитрата и последующей гидратации аконитата с превращением его в изоцитрат.

Аконитаза локализуется в матриксе митохондрий.

3. Окисление гидроксигруппы изоцитрата до карбонильной группы с помощью НАД+, сопровождающееся элиминацией карбоксильной группы в a-положении к образовавшейся кетогруппе, катализируемое изоцитратдегидрогеназой.

Окислительно-восстановительная реакция, самая медленная в ЦТК.

Изоцитратдегидрогеназа локализуется в матриксе митохондрий, ее активируют АМФ, Са2+, АДФ, НАД+; ингбируют АТФ, НАДН2.

4. Окислительное декарбоксилирование a-кетоглутарата, катализируемое a-кетоглутаратдегидрогеназой, приводящее к образованию сукцинилкофермента А и выделению второй молекулы CO2:

Реакция является окислительно-восстановительной. a-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс состоит из трех ферментов и содержит пять коферментов: тиамин-дифосфат, кофермент А, липоевая кислота, НАД+, ФАД. ?-Кетоглутаратдегидрогеназа активируется Са2+.

5. Фосфорилирование гуаниндифосфат (ГДФ), сопряженное с гидролизом макроэргической тиоэфирной связи в сукцинилкоферментеА, катализируемое суцинат Коализой.

6. Превращение сукцината в фумарат, катализируемое сукцинатдегидрогеназой, входящей в состав комплекса II цепи переноса электронов с коферментом Q в качестве

акцептора электронов:

Окислительно-восстановительная реакция

Сукцинатдегидрогеназа - флавопротеин, содержащий Fe2S2 - связана с внутренней мембраной митохондрии. Сукцинатдегидрогеназа ингибируется щавелекоуксусной

кислотой (ЩУК) и сукцинил-КоА.

7. Гидратация двойной связи фумарата с образованием малата (соль яблочной кислоты), катализируемое фумаратгидратазой:

Фумараза локализуется в матриксе митохондрий.

8. Окисление гидроксигруппы малата до кетогруппы, приводящее к регенерации оксалоацетата, катализируемое малатдегидрогеназой.

Окислительно-восстановительная реакция

Малатдегидрогенеза локализуется в матриксе митохондрий.

Образовавшиеся молекулы щавелевоуксусной кислоты реагируют с новой молекулой ацетил-КоА, и цикл повторяется вновь.

Апотомический распад глюкозы иначе называется пентозофосфатный цикл (шунт, путь) (ПФЦ). Этот цикл является альтернативным путем окисления глюкозы. Наиболее активен этот процесс в жировой ткани, печени, коре надпочечников, эритроцитах, фагоцитирующих лейкоцитах, лактирующей молочной железе, семенниках.

Протекает он в цитозоле без участия кислорода. Апотомический распад можно разделить на две фазы: окислительную и анаэробную. Рассмотрим отдельные реакции этого метаболического пути. В окислительной стадии происходит восстановление НАДФН2. В неокислительной стадии образуются различные пентозы.

Окислительная фаза апотомического распада глю-

козы. Как и в гликолизе, первой стадией является фосфорилирование глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата. Далее глюкозо-6-фосфат дегидрируется с участием

глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, коферментом которой служит НАДФ. Образующийся 6-фосфоглюконолактон спонтанно или с участием лактоназы гидролизуется с образованием 6-фосфоглюконовой кислоты. Заключительным процессом окислительной ветви пентозофосфатного цикла является окисление 6-фосфоглюконовой кислоты соответствующей дегидрогеназой. Одновременно с процессом дегидрирования происходит декарбоксилирование 6-фосфоглюконовой кислоты. С потерей одного углеродного атома глюкоза превращается в пентозу.

Окислительная стадия состоит из трех необратимых

реакций:

1. Фермент - глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа. Ингибитор НАДФ·Н2.

2. Фермент - глюконолактонгидратаза (6-фосфоглюконагидролиаза).

3. 6-фосфоглюконатдегидрогеназа. Индуктор инсулин.

Бета-окисление жирных кислот. Энергетический эффект бета- окисления жирных кислот. Образование ацетил кофермента-А и его дальнейшие превращения в цикле трикарбоновых кислот. Энергетический эффект полного окисления жирных кислот

Окисление жирных кислот. В 1904 г. Ф. Кнооп показал, что в митохондрии в ходе окисления происходит постепенное уменьшение на два углеродных атома с карбоксильного конца высшей жирной кислоты. Ф. Кнооп назвал механизм окисления ВЖК b-окислением. Дальнейшие исследования, проведенные А. Ленинджером,

Ф. Линеном, Д. Грином, С. Очоа и другими учеными, уточнили и развили представления о b-окислении высших жирных кислот.

Жирные кислоты окисляются в митохондриях. Этот процесс состоит из нескольких последовательных этапов отщепления двууглеродных фрагментов от насыщенных

жирных кислот со стороны карбоксила. Подготовительным этапом является предварительная активация жирных кислот. Она происходит за счет энергии АТФ и заключается в образовании эфиров жирных кислот с коэнзимом А (КоА), которое катализируется специфическими активирующими ферментами - тиокиназами жирных кислот:

R - С - ОН + АТФ + KoA - SH

R - СО - S - КоА + АМФ + Н4Р2О7

Образовавшиеся эфиры взаимодействуют с карнитином, в результате чего получаются эфиры карнитина с жирными кислотами. Они легко проникают через мембраны внутрь митохондрий, где вновь преобразуются в эфиры жирных кислот с коэнзимом А, которые и подвергаются b-окислению.

1-я стадия - дегидрирование:

Эта реакция катализируется ферментами ацил-КоА-дегидрогеназами, которые являются ФАД-содержащими флавопротеидами.

2-я стадия - гидратация:

Реакция катализируется эноилгидратазой.

3-я стадия - второе дегидрирование:

Фермент, катализирующий эту реакцию - b-оксиацил-КоА-дегидрогеназа, - содержит в качестве кофермента НАД.

4-я стадия - тиолитическое расщепление:

Стадию тиолитического расщепления катализирует фермент тиолаза. Оно происходит в

b-положении относительно карбоксильной группы, поэтому процесс получил название b-окисления. Таким образом, последовательно сменяющие друг друга реакции завершаются отщеплением двууглеродного фрагмента - ацетил-коэнзима А активированной уксусной кислоты. Другой конечный продукт этих реакций - укороченный на два углеродных атома ацил-коэнзим А - может вступать повторно в аналогичные циклы превращений до тех пор, пока вся его молекула не распадется на несколько двууглеродных фрагментов ацетил-коэнзим А. Например, в процессе полного окисления пальмитиновой кислоты происходит семикратное повторение указанных циклов реакций.

Путь дальнейших превращений ацетил-коэнзима А - окисление в цикле трикарбоновых кислот. Реакции b-окисления жирных кислот и цикла трикарбоновых кислот пространственно совмещены в одних и тех же субклеточных частицах - митохондриях. Поставляя ацетил-коэнзим А для цикла трикарбоновых кислот, процесс b-окисления жирных кислот является важным источником энергии. Считают, что в состоянии покоя в сердечной и скелетных мышцах, а также в некоторых других органах окисление жирных кислот может покрывать около половины всех энергетических затрат.

В каждом цикле окисления пальмитиновой кислоты, завершающемся отщеплением от нее одного двууглеродного остатка ацетил-коэнзима А образуется по одной молекуле ФАД·Н2 и НАД·H2. Окисление в цитохромной системе освобождает соответственно две и три молекулы АТФ. При семикратном повторении указанных циклов соответственно образуется 8 молекул ацетил-коэнзима А и 35 молекул АТФ. Каждая молекула ацетил-коэнзима А, окисляясь в цикле трикарбоновых кислот, служит источником 12 молекул АТФ. Следовательно, окисление 8 молекул ацетил- коэнзима А освобождает 96 молекул АТФ. Одна молекула АТФ была затрачена в начальной активации жирной кислоты. С учетом этого суммарный выход энергии при полном окислении одной молекулы пальмитиновой кислоты до СО2 и Н2О составляет 130 молекул АТФ (96 + 35=131).

При окислении молекулы жира, например трипальмитина, суммарное число образующихся молекул АТФ составляет 409: 390 (3Ч130) - в процессе окисления трех молекул пальмитиновой кислоты и 22 - при полном окислении глицерина.

b-окисление является основным, но не единственным путем окисления жирных кислот. Существует также a-окисление и ?-окисление.

Образование кетоновых тел. Одним из процессов, в котором происходит регенерирование свободного КоА из его ацильных производных, является образование ацетоуксусной кислоты. В этом процессе принимают участие три молекулы ацетил-КоА. Сначала происходит конденсация двух молекул ацетил-КоА с образованием

b-кетобутирил-КоА:

На второй стадии происходит высвобождение КоА из b-кетобутирил-КоА. Для этого процесса нужна еще одна молекула ацетил-КоА.

Образовавшийся b-окси-b-метилглутарил-КоА далее подвергается негидролитическому расщеплению, в результате образуется ацетоуксусная кислота.

В результате конденсации трех молекул ацетил-КоА образуется молекула ацетоуксусной кислоты и высвобождаются две молекулы КоА. Ацетоуксусная кислота при восстановлении дает b-оксимасляную кислоту

Ацетоуксусная и b-оксимасляная кислоты синтезируются в печени и поступают с кровью к мышечной и другим тканям, которые утилизируют их в цикле Кребса. Нарушения в обмене жиров сопровождаются накоплением ацетоуксусной и b-оксимасляной кислот в крови. Ацетоуксусная кислота может превращаться в ацетон. Ацетоуксусная, b-оксимасляная кислоты и ацетон получили название кетоновых тел. Усиленное образование их называется кетозом. Состояние организма, при котором происходит избыточное накопление кетоновых тел в крови, называют кетонемией, а выделение их с мочой - кетонурией. Среди многих причин патологического накопления кетоновых тел особенно важными считают дефицит поступающих с пищей углеводов (относительно окисляющихся липидов) и нарушение обмена углеводов и жирных кислот при недостатке инсулина.

Условия протекания реакций обмена веществ в живых организмах. Роль ферментов в обмене веществ. Особенности химического строения и свойства ферментов. Механизм действия ферментов

Обмен веществ и энергии составляет сущность жизнедеятельности любого организма. Само явление жизни - это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой. Именно с обменом веществ связаны основные проявления жизни: раздражимость живой материи (т. е. способность реагировать на воздействия внешней среды), способность к движению, росту, развитию.

К обмену веществ с окружающей средой способны все живые организмы, поглощая вещества, необходимые для питания, и выделяя продукты жизнедеятельности. В неживой природе также существует обмен веществ, однако при небиологическом круговороте веществ они просто переносятся с одного места на другое или меняется их агрегатное состояние. В отличие от обменных процессов в неживой природе, у живых организмов они имеют качественно иной уровень. В круговороте органических веществ самыми существенными стали процессы превращения веществ - процессы синтеза и распада.

В живом организме постоянно происходит огромное число разнообразных химических реакций. Все его клеточные структуры непрерывно обновляются. Эти изменения протекают с огромной скоростью. Превращения в организме осуществляются при сравнительно низких температурах и давлении. Огромная скорость реакций в живых организмах возможна потому, что в них имеются биологические катализаторы высокой активности - ферменты, или энзимы. Они изменяют скорость химической реакции, но сами после реакции возвращаются к исходному состоянию.

По строению ферменты делятся на простые (однокомпонентные) и сложные (двухкомпонентные). Простой фермент состоит только из белковой части; в состав сложного фермента входят белковая и небелковая составляющие.

Иначе сложный фермент называют холоферментом. Белковую часть в его составе называют апоферментом, а небелковую - коферментом. Роль некоторых коферментов играют витамины или вещества, построенные с участием витаминов В1, В2, В5, В6, В12, Н, Q и др. Особенностью сложных

ферментов является то, что отдельно апофермент и кофермент не обладают каталитической активностью. В составе как простого, так и сложного фермента выделяют субстратный, аллостерический и каталитический центры.

Каталитический центр простого фермента представляет собой уникальное сочетание нескольких аминокислотных остатков, расположенных на разных участках полипептидной цепи. Образование каталитического центра происходит одновременно с формированием третичной структуры белковой молекулы фермента. Чаще всего в состав каталитического центра простого фермента входят остатки серина, цистеина, тирозина, гистидина, аргинина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.

Субстратный центр простого фермента - это участок белковой молекулы фермента, который отвечает за связывание субстрата. Субстратный центр образно называют «якорной площадкой», где субстрат прикрепляется к ферменту за счет различных взаимодействий между определенными боковыми радикалами аминокислотных остатков и соответствующими группами молекулы субстрата. Субстрат с ферментом связывается посредством ионных, водородных взаимодействий, иногда субстрат и фермент связываются ковалентной связью. Гидрофобные взаимодействия также играют определенную роль при связывании субстрата с ферментом. В простых ферментах субстратный центр может совпадать с каталитическим; тогда говорят об активном центре фермента. Так, активный центр амилазы - фермента, гидролизующего ?-1, 4-гликозидные связи в молекуле крахмала - представлен остатками гистидина, аспарагиновой кислоты и тирозина; ацетилхолинэстеразы, гидролизующей сложноэфирные связи в молекуле ацетилхолина с остатгистидина, серина, тирозина и глутаминовой кислоты. В активном центре карбоксипептидазы А, гидролизующей определенные пептидные связи в молекуле белка, локализованы остатки аргинина, тирозина и глутаминовой кислоты.

Аллостерический центр представляет собой участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому какого-то низкомолекулярного вещества изменяется третичная структура белковой молекулы фермента, что влечет за собой изменение его активности. Аллостерический центр является регуляторным центром фермента. В сложных ферментах роль каталитического центра выполняет кофермент, который связывается с апоферментом в определенном участке - кофермент связывающем домене. Понятия субстратного и аллостерического центров для сложного фермента и для простого аналогичны.

Механизм действия ферментов

В присутствии ферментов химические реакции протекают намного быстрее, чем при небиологическом катализе. В некоторых случаях ускорение достигает 108 раз. Механизм действия ферментов носит название «модель Михаэлиса-Ментон». Механизм действия простого и сложного ферментов

одинаков, так как активные центры в их молекулах выполняют сходные функции. Фермент, воздействуя на субстрат, образует с ним промежуточный фермент - субстратный комплекс. Механизм действия ферментов можно представить в виде схемы:

Е + S - [E·S] - [E·S]' - [Е·Р] > Е + Р,

где Е - фермент, S - субстрат, Р - продукт.

На первой стадии ферментативного катализа происходит образование фермент-субстратного комплекса, где фермент и субстрат могут быть связаны ионной, ковалентной или иной связью. Образование комплекса ES происходит практически мгновенно.

На второй стадии субстрат под воздействием связанного с ним фермента видоизменяется и становится более доступным для соответствующей химической реакции. Эта стадия определяет скорость всего процесса.

На третьей стадии происходит химическая реакция, в результате которой образуется комплекс продукта реакции с ферментом. Заключительным процессом является высвобождение продукта реакции из комплекса.

Биохимический процесс можно выразить в виде цепи простых химических превращений субстрата.

Размещено на Allbest.ru