Регуляция скорости ферментативных реакций

Особенностью ферментативных реакций является наличие меха­низмов регуляции их скорости. Благодаря регуляторным механизмам ферментативные реакции протекают со скоростями, соответствующими потребностям организма. Например, при выполнении мышечной рабо­ты резко повышается скорость реакций окисления, сопровождающихся выделением энергии, и одновременным снижением скорости реакций синтеза, потребляющих энергию. Во время отдыха после работы на­блюдается возрастание скорости реакций синтеза химических соедине­ний, использованных при выполнении физических нагрузок.

К основным механизмам регуляции скорости ферментативных ре­акций можно отнести следующие:

• Изменение скорости синтеза ферментов.Ферменты, являясь белками, постепенно разрушаются, и поэтому в клетках постоянно син­тезируются новые ферментные белки. При повышении скорости образования новых ферментов их содержание в клетках возрастает. При этом скорость ферментативных реакций увеличивается, так как зави­симость скорости реакции от концентрации фермента носит прямоли­нейный характер.

При уменьшении выработки ферментов их концентрация в клетках постепенно снижается, что сопровождается падением скорости катали­зируемых ими реакций.

Изменение скорости синтеза ферментов обычно происходит под влиянием гормонов, которые ускоряют или замедляют первый этап синтеза ферментных белков - считывание генетической информации -транскрипцию. Поэтому данный механизм регуляции часто называется регуляцией на генетическом уровне.

• Модификация ферментов.Под модификацией понимается не­
значительное изменение химического состава молекулы фермента,
приводящее к изменению каталитической активности.

Модификация может быть обратимой и необратимой.

В первом случае изменение строения фермента носит обратимый характер и фермент может многократно менять свою активность.

На­пример, некоторые ферменты содержат в своей молекуле остаток фос­форной кислоты. При отщеплении фосфатного остатка у одних фер­ментов каталитическая активность снижается; при включении его сно­ва в состав ферментов активность их возрастает.

У других же фермен­тов фосфорилированная форма (содержащая фосфат), наоборот, мало­активна. Отщепление фосфорной кислоты от таких ферментов ведет к повышению их активности.

Примером необратимой модификации служит активация пищевари­тельных ферментов, действующих на пищевые белки. Так, в составе желудочного сока содержится белок пепсиноген, не обладающий ката­литической активностью. В полости желудка под действием соляной кислоты от этого белка отщепляется небольшой полипептид и образу­ется очень активный фермент, расщепляющий в пищевых белках пеп­тидные связи, - пепсин. (Белки, являющиеся предшественниками фер­ментов, называются проферментами.)

• Изменение конформации ферментов.Изменение конформации, т. е. пространственного строения ферментного белка, происходит под действием неконкурентных ингибиторов и активаторов, которыми могут быть гормоны, промежуточные и конечные продукты фермента­ тивных реакций, ионы металлов, лекарства. Изменение конформации ферментов возможно и при изменении условий среды,
например при повышении или снижении кислотности.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Как уже отмечалось, в процессе обмена веществ в организме проис­ходят различные реакции окисления, которые объединяют термином биологическое окисление.

Основным типом биологического окисления является тканевое ды­хание, протекающее в клеточных митохондриях (в связи с этим ткане­вое дыхание еще называется митохондриальным окислением).

ТКАНЕВОЕ ДЫХАНИЕ

Тканевое дыхание - это основной способ получения АТФ, исполь­зуемый всеми клетками организма (кроме красных клеток крови).

В процессе тканевого дыхания от окисляемого вещества отнимают­ся два атома водорода (два протона и два электрона) и по дыхательной цепи, состоящей из ферментов и коферментов, передаются на молеку­лярный кислород - О₂₎ доставляемый кровью из воздуха во все ткани организма. В результате присоединения атомов водорода к кислороду образуется вода. За счет энергии, выделяющейся при движении элек­тронов по дыхательной цепи, в митохондриях осуществляется синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Обычно образование одной моле­кулы воды сопровождается синтезом трех молекул АТФ.

В упрощенном виде тканевое дыхание может быть представлено следующей схемой:

АН₂ + 1/2 О₂ à А + Н₂О

Окисленное вещество

Окисляемое вещество

3 АДФ + 3 Н₃РО₄ à ЗАТФ

В качестве субстратов окисления (т. е. веществ, от которых отнима­ется водород) в тканевом дыхании используются разнообразные про­межуточные продукты распада белков, углеводов и жиров. Однако наиболее часто окислению подвергаются промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) - цикла Кребса (изолимонная, а-кетоглутаровая, янтарная и яблочная кислоты). Цикл Кребса - это за­вершающий этап катаболизма, в ходе которого происходит окисление остатка уксусной кислоты, входящей в ацетилкофермент А, до СО₂ и Н₂О.

В свою очередь, ацетилкофермент А - это универсальный метабо­лит организма, в который при своем распаде превращаются главные органические вещества - белки, углеводы и жиры.

Тканевое дыхание представляет собой сложный ферментативный процесс.

Все ферменты тканевого дыхания делятся на три группы:

· никотинамидные дегидрогеназы,

· флавиновые дегидрогеназы и

· цитохромы.

Никотинамидные дегидрогеназы отнимают два атома водорода от окисляемого субстрата и временно присоединяют их к своему коферменту НАД (никотинамидадениндинуклеотид). По строению НАД яв­ляется динуклеотидом, в котором два нуклеотида соединяются между собой остатками фосфорной кислоты. В состав одного из нуклеотидов в качестве азотистого основания входит амид никотиновой кислоты (никотинамид, витамин РР), вторым нуклеотидом является аденозинмонофосфат (АМФ):

Отнимаемые от окисляемого вещества атомы водорода присоеди­няются непосредственно к никотинамиду (отсюда название данных ферментов - никотинамидные дегидрогеназы), при этом НАД перехо­дит в свою восстановленную форму НАД Н₂:

АН₂ + НАД à А + НАД-Н₂

Окисляемое вещество

Флавиновые дегидрогеназы отщепляют два атома водорода от об­разовавшегося НАД-Н₂ и временно присоединяют их к своему кофер-менту ФМН (флавинмононуклеотид). По строению этот кофермент яв­ляется мононуклеотидом, содержащим витамин В₂ (рибофлавин):

Рибофлавин (витамин В₂)

Два атома водорода, отнимаемые флавиновыми дегидрогеназами от восстановленного НАД (НАД-Н₂), присоединяются к флавину, выпол­няющему роль акцептора водорода. В результате этой стадии образует­ся восстановленная форма кофермента - ФМН-Н₂:

НАД-Н₂ + ФМН — —> НАД + ФМН-Н₂

В некоторых случаях флавиновые дегидрогеназы, подобно никоти-намидным, отнимают два атома водорода непосредственно от окисляе-

мых веществ. Такие флавиновые дегидрогеназы используют кофермент

ФАД (флавинадениндинуклеотид), похожий по строению на ФМН и тоже содержащий витамин В₂:

АН₂ + ФАД à А + ФАД- Н₂

Окисляемое вещество Окисленное вещество

Следующая группа ферментов - цитохромы.Эти ферменты участ­вуют только в переносе электронов. По строению цитохромы похожи на одну из субъединиц гемоглобина. Молекула цитохрома состоит из полипептида и гема. Но в отличие от гемоглобина железо, входящее в гем цитохромов, имеет переменную валентность. Способность железа обратимо переходить из окисленной формы в восстановленную

(Fе³⁺ + е à Fе²⁺) обеспечивает возможность переноса электронов данными ферментами.

С помощью цитохромов (их имеется несколько: b, с, а, a₃) электро­ны от восстановленных коферментов ФМН-Н₂ и ФАД-Н₂ передаются на молекулярный кислород (О₂), который при этом переходит в активную, анионную, форму - О²~. Далее активный кислород (О²~) связывается с ионами водорода (протонами), которые тоже отщепляются от ФМН-Н₂ или от ФАД-Н₂. Присоединение ионов водорода к аниону кислорода приводят к образованию воды.

Таким образом, на всем протяжении дыхательной цепи наблюдается передвижение электронов. Движение электронов вызвано тем, что все участники дыхательной цепи располагаются по мере возрастания их окислительно-восстановительных потенциалов.

Окислительно-восстановительный потенциал, или редокс-потенциал, характеризует способность вещества принимать и удерживать электроны. Поэтому электроны переносятся от вещества с низким редокс-потенциалом к веществу с более высоким редокс-потенциалом.

Поскольку самое низкое значение редокс-потенциала имеет окис­ляемое вещество, а самое высокое - кислород, то в итоге электроны от окисляемого вещества поступают на молекулу кислорода.

Как уже отмечалось, движение электронов по дыхательной цепи со- провождается выделением энергии. Около половины энергии движения, электронов аккумулируется в макроэргических связях молекул АТФ. Другая часть энергии выделяется в виде тепла. Синтез АТФ происходит при переносе электронов с НАД-Н₂ на ФМН, с цитохрома b на цитохром с и c цитохрома а на цитохром а₃. Всего при переносе двух атомов водорода на кислород (г. е. в расчете на одну образовавшуюся молекулу воды) синтезируется три молекулы АТФ.

Некоторые субстраты (жирные кислоты, янтарная кислота и др.) имеют более высокий редокс-потенциал, чем НАД. Поэтому они не могут окисляться ншкотинамидными дегидрогеназами. В этом случае отнятие атомов водорода от таких субстратов осуществляется флавиновыми дегидрогеназами. Из-за отсутствия никотинамидных дегидрогеназ при окислении таких веществ образуется только две мо­лекулы АТФ.

На рис. представлена схема тканевого дыхания, включающая все группы ферментов.

АДФ

Рис. Схема тканевого дыхания

Ф_н+АДФ АТФ Ф_н +АДФ АТФ

Образование АТФ в процессе тканевого дыхания часто обозначает­ся терминами: окислительное фосфорилирование, дыхательное фосфорилирование, аэробное фосфорилирование, или аэробный синтез АТФ.

В сутки в организме за счет тканевого дыхания возникает не менее 40 кг АТФ, а у спортсменов еще больше. Поэтому этот процесс потреб­ляет большое количество окисляемых веществ и кислорода.

При незначительной потребности клеток в АТФ тканевое дыхание протекает с низкой скоростью. Если клетка начинает использовать большое количество АТФ, то скорость тканевого дыхания возрастает и может достигнуть максимальных величин. Такой характер изменения скорости обусловлен тем, что активатором ферментов тканевого дыха­ния является избыток АДФ, который возникает в клетке только при ин­тенсивном использовании АТФ.

Митохондрии, в которых протекает тканевое дыхание, имеются во всех клетках (кроме красных клеток крови) и представляют собою вы­тянутые палочковидные образования длиной 2-3 мкм* и толщиной около 1 мкм. Количество митохондрий в клетках может достигать тысячи и более. Митохондрии снаружи окружены двойной мембраной. Внешняя мембрана гладкая, а внутренняя складчатая, с большой поверхностью Ферменты тканевого дыхания встроены во внутреннюю мембрану и располагаются в ней в виде отдельных скоплений, называемых дыхательными ансамблями.Каждый дыхательный ансамбль содержит все необходимые ферменты для обеспечения переноса электронов в процессе тканевого дыхания. Благодаря строго упорядоченному расположению ферментов в дыхательных ансамблях передвижение электронов по дыхательной цепи осуществляется с большой скоростью.

В клетках митохондрии часто располагаются в том месте, где ис­пользуется энергия АТФ. В мышечных клетках митохондрии находятся около сократительных элементов - миофибрилл - и обеспечивают энергией их сокращение в процессе мышечной работы. Под влиянием систематических тренировок количество митохондрий в мышечных клетках значительно увеличивается.

Как выше отмечалось, тканевое дыхание (митохондриальное окисление) является основным способом биологического окисления,т. е. окисления органических соединений в живом организме. Однако наря­ду с тканевым дыханием в организме еще имеются и другие способы окисления.

АНАЭРОБНОЕ ОКИСЛЕНИЕ

В некоторых случаях отнятие атомов водорода от окисляемых веществ происходит в цитоплазме и здесь же отщепленный водород присоединяется не к кислороду (как в случае тканевого дыхания), а к какому-то другому веществу. Наиболее часто таким акцептором водорода является пировиноградная кислота,возникающая при распаде углеводов и аминокислот. В результате присоединения ато­мов водорода пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту(лактат). Таким образом, при данном типе окисления вме­сто конечного продукта - воды - образуется другой конечный про­дукт - молочная кислота, причем это происходит без потребления кислорода, т. е. анаэробно.За счет выделяющейся при этом энергии в цитоплазме осуществляется синтез АТФ, который получил назва­ние анаэробное, иди субстратное фосфорилирование,или же ан­аэробный синтез АТФ.Биологическое назначение данного типа окисления - получение АТФ без участия тканевого дыхания и кис­лорода.

ОКИСЛЕНИЕ

В некоторых случаях при окислении кислород включается в моле­кулы окисляемых веществ. Такое окисление протекает на мембранах цитоплазматической сети и носит название микросомальное окисле­ние.За счет включения кислорода в молекуле окисляемого субстрата возникает гидроксильная группа (-ОН), в связи с чем этот вид окисле­ния часто называют гидроксилированием.В гидроксилировании при­нимает участие витамин С (аскорбиновая кислота).

Микросомальное окисление не сопровождаетсясинтезом АТФ, его биологическая роль заключается в следующем.

Во-первых, за счет микросомального окисления осуществляется включение атомов кисло­рода в синтезируемые вещества (например, при синтезе белка коллаге­на, гормонов надпочечников).

Во-вторых, микросомальное окисление участвует в обезвреживании различных токсичных соединений, посту­пающих в организм извне или образующихся в процессе метаболизма. Включение кислорода в молекулу яда уменьшает его токсичность и де­лает его более водорастворимым, что облегчает его выведение из орга­низма почками.