Регуляция активности ферментов по принципу обратной связи

 

Во многих строго биосинтетических реакциях основным типом регуляции скорости многоступенчатого ферментативного процесса является ингибирование по принципу обратной связи, когда конечный продукт биосинтетической цепи подавляет активность фермента, катализирующего первую стадию.

 

Предположим, что в клетках осуществляется многоступенчатый биосинтетический процесс, каждая стадия которого катализируется собственным ферментом:

Скорость подобной суммарной последовательности реакций в значительной степени определяется концентрацией конечного продукта (Р), накопление которого выше допустимого уровня оказывает мощное ингибирующее действие на первую стадию процесса, соответственно на фермент E1.

Регуляция активности ферментов по принципу прямой связи

 

Активность Ф. регулируется за счет синтеза изначального метаболита или за счет субстрата.

Пепсиноген – профермент, зимоген пепсина. Без достаточной концентрации 1-го не будет активации 2-го.

 

Билет 13

Классификация ферментов (характеристика классов, примеры химических реакций, катализируемых ферментами каждого класса)

Выделяют шесть классов ферментов:

1. Оксидоредуктазы - ферменты, катализирующие перенос протонов и электронов (т.е.окислительно-восстановительные реакции)
2. Феразы (трансферазы) – ферменты, переносящие группы от одной молекулы на другую или из одного положения в другое в пределах одной молекулы.
3. Гидролазы – ферменты, расщепляющие субстрат при участии молекул воды.
4. Лиазы – ферменты, расщепляющие молекулы субстрата без участия воды, при этом часто образуются низкомолекулярные продукты – СО₂, NH₃, Н₂О.
5. Изомеразы – ферменты, вызывающие в молекуле изомерные превращения.
6. Лигазы (синтетазы) – ферменты, катализирующие синтез крупных молекул из более мелких.

 

I. Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции. Оксидоредуктазы называют также дегидрогеназами или редуктазами. Оксидоредуктазы переносят протоны и электроны.

Оксидоредуктазы окисляют следующие функциональные группы:

-ОН, -С=О, -NH₂

Коферменты дегидрогеназ присоединяют протоны и электроны.

 

1. НАД-зависимые дегидрогенизы окисляют следующие функциональные группы: спиртовый гидроксил (ОН), альдегидную группу (СОН), аминогруппу (NH₂).

2. ФАД – зависимые дегидрогеназы окисляют (дегидрируют) следующие функциональные группы: отщепление водорода от групп –СН₂- СН₂- с образованием двойной связи.

 

II. Трансферазы – ферменты, катализирующие реакции переноса различных групп от одного субстрата к другому.

Подклассы трансфераз:

1. Аминотрансферазы осуществляют перенос аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту. Катализируют реакцию трансаминирования.
2. Метилтрансферазы катализируют перенос метильных групп (СН3-).
3. Фосфотрансферазы катализируют перенос остатка фосфорной кислоты. В подкласс фосфотрансфераз входят киназы, которые используют АТФ в качестве донора фосфатного остатка.

 

III. Гидролазы – класс ферментов, катализирующий гидролиз ковалентной связи. Общий вид реакции, катализируемой гидролазой выглядит следующим образом:

A–B + H₂O → A–OH + B–H

IV. Лиазы – ферменты, катализирующие разрыв С-О, С-С, С-N и других связей, а также обратимые реакции образования и разрыва двойных связей, сопровождающиеся отщеплением или присоединением групп атомов по её месту, а также образованием циклических структур.

V. Изомеразы – ферменты, катализирующие превращение в пределах одной молекулы. Катализируют реакции изомеризации.

Подклассы: мутазы, таутомеразы, рацемазы, эпимеразы, изомеразы.

VI. Лигазы (синтетазы) – ферменты, катализирующие соединение двух молекул с использованием энергии фосфатной связи АТФ.

 

Билет 14

Биологическое окисление (определение, виды). Цепь переноса электронов (локализация в клетке, состав, строение, движущая сила переноса, выделение энергии на этапах переноса электронов)

 

Биологическое окисление (Тканевое дыхание) – ОВР, протекающие в клетках организма, в результате которых сложные органические вещества окисляются при участии специфических ферментов кислородом, доставляемым кровью. Конечными продуктами биологического окисления являются вода и двуокись углерода.

 

Виды биологического окисления:

1. Тканевое дыхание
2. Субстратное окисление

 

Тканевое дыхание – многоступенчатый ферментативный процесс, в котором конечным акцептором электронов является кислород. В процессе тканевого дыхания участвуют ферменты – оксидоредуктазы, образующие дыхательную цепь.

Дыхательная цепь – это комплекс оксидоредуктаз, участвующих в переносе протонов и электронов от окисляемого субстрата к кислороду. Локализована в кристах митохондрий.

 

Строение дыхательной цепи

Дыхательная цепь включает 4 группы ферментов:

1. Пиридинзависимые дегидрогеназы – коферментом является НАД, НАДФ.
2. Флавинзависимые дегидрогеназы – коферментом является ФАД, ФМН.
3. Коэнзим Q или убихинон.
4. Цитохромы b, c, a, a₃.

 

Цитохромы – сложные железосодержащие белки, простетическая (небелковая) группа которых представлена гемом (гемопротеиды). В составе гема содержатся атом железа, который может изменять степень окисления с +3 до +2, присоединяя или отдавая электрон.

 

В составе дыхательной цепи выделяют два участка:

 

1. Участок, включающий пиридинзависимые дегидрогеназы – коэнзим Q обеспечивает перенос протонов и электронов. На уровне коэнзима Q протоны уходят в среду митохондрий, т.к. цитохромы по своему строению способны переносить только электроны.

2. Участок цитохромов, обеспечивающий перенос только электронов.

Основное значение цитохромной системы перенос электронов от окисляемого субстрата на молекулярный кислород с образованием воды:

 

По дыхательной цепи от окисляемого субстрата до кислорода передается два протона и два электрона.

Коферменты дыхательной цепи принимая протоны и электроны превращаются в восстановленную форму, а отдавая их снова превращается в окисленную форму.

Движущей силой, обеспечивающей перенос протонов и электронов от субстрата к кислороду, является разность редокс-потенциалов (редукция - восстановление и оксидация – окисление).

 

Длина дыхательной цепи (количество ферментов) может быть различна и зависит от природы окисляемого субстрата.

 

Для клетки важно, чтобы молекула кислорода, присоединив 4 электрона, полностью восстановилась до двух молекул воды. При неполном восстановлении кислорода в случае присоединения двух электронов образуется перекись водорода, а в случае присоединения одного электрона – супероксидный радикал . Перекись водорода и супероксидный радикал токсичны для клетки, т.к. повреждают клеточные мембраны, взаимодействуя с остатками ненасыщенных жирных кислот мембранных липидов.

 

Аэробные клетки защищают себя от действия перекиси и супероксида с помощью двух ферментов: супероксиддисмутазы и каталазы.

 

 

При переносе пары электронов происходит изменение свободной энергии и эта энергия используется по двум путям:

1. Энергия переноса электронов используется на синтез АТФ.

2. Энергия переноса электронов используется для выработки тепла.

 

При переносе пары электронов по дыхательной цепи происходит изменение свободной энергии, равная 52,6 ккал. Этой энергии достаточно для синтеза 3 молекул АТФ.

 

В трех пунктах переноса электронов происходит наибольшее изменение свободной энергии и эти пункты называются пунктами сопряжения тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования.

 

Фосфорилирование:

 

1. Окислительное фосфорилирование связано с мембранами митохондрий
2. Субстратное фосфорилирование не связано с мембранами митохондрий

 

Окислительное фосфорилирование – это процесс ресинтеза АТФ из АДФ и Pi, сопряженный с тканевым дыханием.

 

Пункты сопряжения постоянны, но их количество зависит от природы окисляемого субстрата.

 

При окисления НАД-зависимых субстратов имеет место 3 пункта сопряжения, т.е. выделяется 3АТФ, при окислении ФАД-зависимых субстратов имеет место 2 пункта сопряжения и выделяется 2АТФ

 

Процесс биологического окисления может не сопровождаться синтезом АТФ.

Окисление, не сопровождающееся синтезом АТФ, называется свободным окислением. В этом случае энергия выделяется в виде тепла. Это может наблюдаться при действии токсинов и сопровождается повышением температуры тела.

Билет 15