 |
Что такое ферменты. Какова их роль в обмене веществ. Как влияют температура, рН среды, активаторы и ингибиторы на активность ферментов
|
|
|
|
Согласно классическому определению жизни, данному Ф. Энгельсом, основной особенностью живых организмов, отличающихся от мертвой материи, является обмен веществ - сложная цепь биохимических реакций, заключающаяся в усвоении веществ из окружающей среды, сложных превращениях их в организме и выделении в окружающую среду продуктов расщепления этих веществ.
Обмен веществ (метаболизм) - система реакций строго упорядоченная, связанная с определенными морфологическими структурами и вместе с тем достаточно лабильная и пластичная. Все реакции обмена веществ - это реакции ферментативные, следовательно, и сам процесс жизни - динамичность живой материи - процесс ферментативный. Отсюда следует, что центральная роль в обмене веществ принадлежит ферментам - наиболее активной форме белков [1].
Ферменты - это вещества белковой природы, являющиеся катализаторами происходящего в организме обмена веществ. При их участии сложные химические реакции, связанные с расщеплением и биологическим синтезом большого количества соединений, протекают в очень короткое время и при сравнительно низкой температуре.
Катализаторами вообще называют неорганические и органические вещества, изменяющие скорость химической реакции, но сами при этом остающиеся неизменными. В обратимых реакциях они не изменяют равновесия реакции, но только ускоряют его наступление. Катализаторы обладают известной специфичностью, т. е. способностью ускорять только определенные реакции. Все эти свойства катализаторов в полной мере относятся к ферментам - биологическим катализаторам обмена веществ.
Ферменты обладают очень высокой каталитической активностью. Они ускоряют течение происходящих в организме химических реакций в миллионы и даже миллиарды раз (от 1.105 до 1.1011).
|
|
|
В большинстве случаев ферменты присутствуют в тканях в малых количествах. Наряду с этим существуют отдельные белки (миозин мышц), обладающие ферментативной активностью, хотя их содержание в ткани велико.
Ферменты - это белки, молекулярный вес которых колеблется в пределах 12 000-500 000. Процессы, вызывающие нарушение структуры или физико-химических свойств белка, сопровождаются изменением его ферментативной активности. Так, денатурация фермента, вызванная различными методами, приводит к потере им ферментативной активности.
Механизм действия ферментов. Для того чтобы могла осуществляться химическая реакция, молекулы веществ должны обладать определенной энергией, необходимой для преодоления энергетического барьера. Этот барьер обусловлен силами отталкивания между молекулами или же внутримолекулярными силами сцепления. Энергия, которую необходимо сообщить молекулам, чтобы между ними произошло взаимодействие, называется энергией активации.
Скорость химической реакции может быть повышена как вследствие увеличения числа активированных молекул, так и путем уменьшения высоты энергетического барьера. Активация молекул может быть достигнута за счет повышения температуры. При наличии катализатора наблюдается снижение энергетического барьера. По сравнению с другими катализаторами ферменты снижают его особенно значительно.
Согласно современным представлениям о механизме ферментативного катализа, в ходе ферментативной реакции образуется промежуточное соединение фермента и субстрата. Молекула фермента имеет активный центр, который определяет специфичность и каталитическую активность фермента. Активный центр фермента представляет собой сочетание определенных аминокислотных остатков, которые вступают в контакт с молекулой субстрата.
|
|
|
В результате взаимодействия активного центра фермента с субстратом возникает временное соединение фермента и субстрата - активный фермент-субстратный комплекс. Затем происходит распад комплекса, при этом освобождается фермент, а субстрат превращается в другое соединение. Таким образом, в целом ферментативная реакция состоит из трех последовательных стадий, а именно:
) образование фермент-субстратного комплекса;
) превращения его в комплека фермент-продукт и
) диссоциации продукта и фермента (отделение их друг от друга).
Образование фермент-субстратного комплекса приводит к перераспределению внутримолекулярной энергии: снижается прочность подлежащей разрыву связи и реакция осуществляется значительно легче [2].
Ферменты имеют температурный оптимум активности. Ферментативные реакции, подобно другим химическим реакциям, ускоряются при повышении температуры. Характер влияния температуры на ферментативные реакции определяется двумя одновременно протекающими факторами: во-первых, при повышении температуры на 10° скорость реакции возрастает в 1,5-3 раза (температурный коэффициент реакции); во-вторых, при этом усиливается процесс разрушения фермента, связанный с денатурацией белка. Скорость реакции быстро возрастает при повышении температуры от 0 до 25°, затем этот процесс постепенно замедляется, а при температуре выше 40° обычно начинает снижаться. Температурный оптимум активности большинства ферментов организма близок к температуре тела и лежит в пределах 37-40°. При 60-70° большинство ферментов полностью теряют свою активность. Известно, что при таких температурах почти все белки подвергаются необратимой денатурации.
С понижением температуры скорость ферментативных реакций уменьшается, хотя при 0° ферменты еще не прекращают своего действия.
Интересно, что температурный оптимум ферментов внутренних органов и крови ограничен узкими пределами, тогда как для фермента тканей и органов, непосредственно соприкасающихся с внешней средой, он более широк. Снижение активности этих ферментов при изменении температуры происходит не столь резко, что имеет существенное значение для приспособления организма к меняющимся температурным условиям окружающей среды.
|
|
|
Термолабильность - чувствительность к высокой температуре - одно из характерных свойств ферментов, обусловленное их белковой природой. Однако имеется несколько термостабильных ферментов, сохраняющих каталитическую активность при температуре 100°. К ним относится фермент мышечной ткани миокиназа.
Ферменты имеют оптимум действия при определенном рН. Каталитическая активность ферментов зависит от концентрации водородных ионов. Ферменты, так же как и другие белки, могут рассматриваться как амфотерные соединения, в молекуле которых содержится большое количество ионизирующихся групп. В зависимости от концентрации водородных ионов они будут иметь различные количества положительно и отрицательно заряженных групп.
Для многих ферментов характерно, что наибольшая активность проявляется в изоэлектрической точке, т. е. при таком рН, когда общая сумма заряженных групп равна нулю.
В полной мере активность фермента проявляется при строго определенном значении рН среды и резко снижается, при изменении его в кислую или щелочную сторону. Иначе говоря, каждый фермент имеет свой оптимум рН, при котором активность фермента максимальна. Для многих тканевых ферментов он близок к нейтральной реакции, но существует и немало ферментов, pН-оптимум которых смещен в кислую или щелочную сторону. Клетка, находящаяся в состоянии функционального покоя, имеет реакцию, близкую к нейтральной, и поэтому активность ряда ферментов в ней невысокая. Когда же при функциональной активности клетки рН несколько сдвигается в кислую или щелочную сторону, активность этих ферментов возрастает.
Отличительным свойством ферментов служит их высокая специфичность.
Активаторы и ингибиторы ферментов. Многие ферменты нуждаются в присутствии различных веществ, которые повышают их каталитическую активность. Роль активаторов могут выполнить ионы металлов (Na+, K+, Са++, Mg++, Mn++, Co++, Ni++) и некоторые анионы (например, СI-). Так, аденозинтрифосфатаза (АТФ-аза) мышц, катализирующая расщепление аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) на аденозиндифосфорную кислоту (АДФ) и неорганический фосфат, активируется ионами Са++. Кроме того, в мембранах клеток существует АТФ-аза, активируемая ионами Na+ и К+. Ион хлора активирует различные амилазы - ферменты слюны и поджелудочной железы, расщепляющие крахмал. Фермент аргиназа активируется ионами Со++, Ni++ и Мп++.
|
|
|
Наряду с активаторами имеются вещества, угнетающие ферментативную активность, - ингибиторы. Однако следует иметь в виду, что деление веществ на активаторы и ингибиторы в ряде случаев весьма условно. Иногда одно и то же вещество при различных концентрациях может себя вести и как ингибитор и как активатор.
И качестве ингибиторов ферментов могут выступать вещества, блокирующие активный центр молекулы фермента. Например, ионы Ag+, Нg++, Pb++ угнетают почти все известные ферменты. В ряде случаев I качестве конкурентных ингибиторов могут быть вещества, сходные ПО строению с субстратами ферментов.
Использование специфических ингибиторов ферментов позволяет изучать сложные биохимические системы, расчленяя их на ряд более простых процессов.
Из всего сказанного следует, что ферменты являются обязательными участниками происходящих в организме реакций обмена веществ. Снижая энергетический барьер реагирующих веществ, они катализируют реакции и делают возможным их протекание в условиях температуры тела. Они увеличивают скорость протекания реакций, но в ряде случаев могут и снижать ее. Все происходящие в живом организме биохимические процессы направляются и регулируются координированной системой ферментов, Ферменты обеспечивают такой контроль за скоростями различных реакций, при котором между ними устанавливается правильное соотношение, и они точно соответствуют имеющимся в организме условиям [4].
Что такое гликолиз. Напишите схемы основных реакций гликолитического ресинтеза АТФ. Охарактеризуйте этот процесс по кинетическим показателям (быстроте развития, метаболитической мощности, емкости и эффективности). В каких видах спорта и почему при выполнении соревновательных нагрузок этот процесс является основным в энергообеспечении мышечной деятельности
Гликолиз - это анаэробный процесс, приводящий к распаду одной молекулы глюкозы на две молекулы молочной кислоты. При этом освобождается энергия, которую организм аккумулирует в форме АТФ. Реакции гликолиза протекают в цитозоле, без потребления кислорода. В анаэробных условиях гликолиз - единственный процесс в организме животных, растений и многих бактерий, поставляющий энергию.
|
|
|
При аэробном расщеплении глюкозы один из конечных продуктов гликолиза - пировиноградная кислота окисляется до СО2 Н2О в цикле трикарбоновых кислот. Реакция это цикла осуществляется в митохондриях при участии кислорода. Эти реакции катализируются группой из одиннадцати ферментов. Гликолиз протекает в две стадии.
Первая стадия - подготовительная, или собирательная этой стадии различные гексозы вовлекаются в гликолиз. При этом инертные молекулы гексоз активируются, фосфорилируются за счет АТФ, превращаются в глюкозо-6-фосфат. Этот этап заканчивается образованием глицеральдегид-3-фосфата.
Вторая стадия - окислительная. Глицеральдегид-3-фосфат окисляется до пировиноградной кислоты (пируват) или молочной кислоты (лактат). Энергия окисления накапливается в АТФ, образуются восстановительные эквиваленты НАДН [1].
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - сложное органическое соединение, состоящее из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Первый остаток фосфорной кислоты присоединен к пятому углеродному атому рибозы обычной эфирной связью, два другие соединяются между собой посредством богатой энергией пирофосфатной связи:
Гидролиз каждой пирофосфатной связи АТФ сопровождается выделением 6-8 ккал энергии на 1 грамм-молекулу.
В связи с тем, что в процессе жизнедеятельности АТФ постоянно расходуется, обязательным условием жизни является возобновление запасов АТФ в организме.
Реакция расщепления аденозинтрифосфата (АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4 + 8 ккал) по термодинамическим условиям не может быть обратимой, так как присоединение ортофосфата к АДФ требует поглощения 8 ккал на каждую грамм-молекулу. Энергия же, освобождающаяся при расщеплении АТФ, трансформируясь в другие виды энергии, безвозвратно теряется.
Ресинтез АТФ в организме может происходить в реакциях следующих четырех типов:
) окислительное фосфорилирование на уровне субстрата;
) окислительное фосфорилирование на уровне транспорта электронов;
) дегидратация 2-фосфоглицериновой кислоты;
) разрыв связей С-С, С-S и С-N.
Креатинкиназная реакция протекает чрезвычайно быстро Она характерна для кратковременных интенсивных физических нагрузок. Запасы креатинфосфата в мышцах ограничены, и поэтому такой путь ресинтеза АТФ может осуществляться очень недолгое время.
Ресинтез АТФ за счет АДФ (миокиназная или аденилаткиназная реакция) осуществляется путем взаимодействия двух молекул АДФ, одна из которых при участии фермента миокиназы передает свою концевую фосфатную группу другой молекуле, превращаясь в АМФ.
Ресинтез АТФ за счет макроэргических фосфорных соединений, образующихся в процессе мышечной деятельности, также может осуществляться двумя путями - путем гликолитического фосфорилирования и путем дыхательного фосфорилирования.
При гликолитическом фосфорилировании имеет место только субстратное фосфорилирование; в процессе анаэробного окисления глюкозы образуются макроэргические соединения дифосфоглицериновая и фосфоэнолпировиноградная кислоты, которые вступают в реакцию перефосфорилирования с АДФ.
Гликолитическое фосфорилирование подобно креатинкиназной и миокиназной реакциям, является анаэробным путем ресинтеза АТФ. Этот путь имеет преимущество перед другими, заключающееся в том, что углеводные запасы организма достаточно велики и, следовательно, гликолиз может обеспечивать ресинтез АТФ относительно долгое время. Ресинтез АТФ гликолитическим фосфорилированием является преобладающим при спортивных упражнениях максимальной интенсивности (например, бег на 100, 200, 400, 800 м), когда имеет место резкое несоответствие между сильно возросшей потребностью организма в кислороде и ограниченными возможностями ее удовлетворения.
Однако гликолиз имеет и недостатки, заключающиеся в его малой энергетической эффективности и в том, что неполное окисление глюкозы приводит к накоплению в организме недоокисленных продуктов кислотного характера - молочной и пировиноградной кислот.
Следовательно, для ресинтеза одного и того же количества АТФ при гликолизе следует затратить 1 г глюкозы, а при аэробном окислении - только около 0,08 г глюкозы или около 0,03 г жирных кислот [2].
Каков бы ни был характер и какова бы ни была длительность работы, источником энергии мышечных сокращений всегда является расщепление АТФ. Однако пути ресинтеза ее в промежутках между сокращениями, а следовательно, и источники энергии мышечной деятельности при работе разного характера и разной длительности различный.
Если работа совершается с максимальной интенсивностью и длится короткое время, то поглощение кислорода не успевает во время работы достигнуть максимальной величины. При этом потребность в кислороде так велика, что даже и максимально возможное поглощение кислорода не могло бы удовлетворить ее. Так, во время бега на 100 м спортсмен поглощает только 5-10% нужного ему кислорода. Остальные же 90-95% поглощаются после финиша, в периоде отдыха, образуя кислородную задолженность, или кислородный долг, а при марафонском беге потребляется 90% всего нужного организму кислорода, а кислородный долг составляет всего около 10%.
Естественно, что при резком несоответствии между потребностью организма в кислороде и фактической возможностью ее удовлетворения активируются анаэробные пути ресинтеза АТФ.
В первые секунды работы ресинтез АТФ происходит за счет креатинфосфата. Снижение содержания АТФ при высоком уровне креатинфосфата в мышечной клетке сразу же обращает креатинфосфокиназную реакцию в сторону переноса макроэргической фосфатной группы с креатинфосфата на АДФ. Поэтому такие упражнения, как бег на короткие отрезки 100-метровой дистанции, прыжок с места, одноразовый подъем штанги или выполнение какого-либо гимнастического элемента, могут не сопровождаться сколько-нибудь заметным повышением уровня молочной кислоты в крови, несмотря на то, что потребность организма в кислороде во время их выполнения удовлетворяется всего на 5-7%. Это говорит о том, что ресинтез АТФ в этих случаях происходит почти исключительно за счет креатинфосфата. При более длительной интенсивной работе все в большей степени используется гликолиз. Интенсивная работа длительностью более 5-10 сек. всегда сопровождается повышением содержания молочной кислоты в крови, образующейся в мышцах в результате быстро протекающего процесса гликолиза. Набольших величин оно достигает при выполнении упражнений максимальной и субмаксимальной интенсивности (например, при беге на 100, 200 и 400 м). Причем повышение уровня молочной кислоты тем больше, чем больше длительность работы.
При выполнении упражнений средней и умеренной интенсивности, небольшой длительности ресинтез АТФ за счет креатинфосфата и гликолиза имеет место лишь в начале работы, затем постепенно сменяется дыхательным фосфорилированием. Содержание молочной кислоты в крови, повысившееся в начале работы, по мере ее продолжения постепенно снижается, а к концу работы может достигать даже нормального уровня, так как молочная кислота в процессе работы подвергается аэробному окислению до углекислоты и воды, а частично используется для ресинтеза углеводов (гликогена). Это наблюдается, например, во время лыжных гонок, различных кроссов, марафонского бега и т. д.
Если по ходу длительных упражнений средней или умеренной интенсивности мощность работы увеличивается (например, ускорения во время бега или при финишировании), то увеличивается и содержание молочной кислоты в крови, т. е. усиливается гликолиз.
Таким образом, в начале всякой работы (а при работе максимальной и субмаксимальной интенсивности на всем ее протяжении) ресинтез АТФ осуществляется анаэробным путем - сначала за счет креатинфосфата, а затем за счет гликолиза; по мере же продолжения работы гликолиз постепенно сменяется дыхательным фосфорилировнием. При этом в зависимости от интенсивности работы может наблюдаться то или иное соотношение гликолитического и дыхательного фосфорилирования Гликолиз максимально преобладает при беге на 400 и 800 м, когда фактическое потребление кислорода еще далеко от удовлетворения потребности в нем, а сравнительно малых количеств креатинфосфата в мышцах недостаточно для обеспечения ресинтеза АТФ в течение 2-3 мин. работы. Далее интенсивность гликолиза снижается, все более уступая место аэробному окислению [5].
Каков же непосредственный химизм усиления гликолиза и дыхательного фосфорилирования при мышечной деятельности? Фактором, активирующим процессы, связанные с фосфорилированием, является наличие фосфатных акцепторов (т. е. веществ, способных воспринимать макроэргические фосфатные группы). К таким веществам относятся аденозиндифосфорная кислота (АДФ), аденозинмонофосфорная кислота (АМФ) и креатин. Увеличение содержания этих веществ в мышцах приводит прежде всего к усилению расщепления углеводов, которое идет по гликолитическому пути до пировиноградной кислоты. Оно обеспечивает ресинтез лишь части АТФ вследствие своей малой эффективности в энергетическом отношении. После окончания работы, характеризующейся гликолитическим ресинтезом АТФ, содержание последней в мышцах по сравнению с состоянием покоя оказывается значительно сниженным (на 30-40%), а содержание АДФ, АМФ и креатина - повышенным [2].
Дальнейшего увеличения концентрации молочной кислоты не происходит, так как активная реакция внутренней среды (рН) смещается в кислую сторону, происходит торможение активности гликолитических ферментов, что снижает скорость образования АТФ. Уменьшение рН приводит также к нарушению деятельности нервных клеток и развитию в них охранительного торможения и ухудшению передачи возбуждения с нерва на мышцу.
Этот момент следует рассмотреть более подробно. После того, как запасы КрФ в мышцах начинают исчерпываться, и скорость креатинфосфатной реакции начинает уменьшаться, к процессу ресинтеза АТФ все больше подключается гликолиз. Наибольшая мощность энергообразования в процессе анаэробного гликолиза достигается в упражнениях с предельной продолжительностью от 20 до 40-45 секунд, затем, в результате накопления молочной кислоты и снижения внутриклеточного рН, происходит снижение скорости гликолиза, поэтому, после достижения наибольшей мощности к 40-45 секунде, следует период удержания мощности до 60-65 секунды. К 60-65 секунде работы предельной продолжительности в мышцах накапливается максимальное количество молочной кислоты. Максимум молочной кислоты, который может не причинить вреда организму тренированного человека, составляет 2-2,5 г/л в крови, и несколько больше в мышцах. После достижения максимальных величин накопления молочной кислоты в работающих мышцах, мощность гликолиза начинает снижаться и ко 2-3 минуте работы роль основного поставщика энергии принимает на себя аэробный процесс, осуществляющийся в митохондриях.
Резюмируя всю вышеизложенную информацию, можно сделать вывод, что наибольшее расщепление белковых структур происходит при выполнении работы максимальной продолжительности от 40 секунд до 65 секунд [6].
водный баланс организм фермент
|
|
|
