Текст книги "Биохимия доступным языком. Учебник-репетитор"

1. Кинетика ферментативных реакций

Как правило, к этой теме студенты подходят с опаской. Их пугает раздутая математическая часть. А зря. Ведь 90% этого «ужаса» можно спокойно пропустить. Из письменного материала вам необходимо запомнить лишь три легчайших графика и одно уравнение. Если разобраться, это довольно простая, логически стройная, интересная тема. Итак, приступим.

Кинетика – раздел физикохимии, изучающий скорость химических реакций и факторы, влияющие на нее.

Разберемся с терминами.

Энергия активации – минимальная энергия, необходимая для запуска реакции. Она количественно равна барьеру отталкивания между молекулами. Понятно: чем больше барьер (чем выше энергия активации), тем ниже скорость реакции. Значит, чтобы ускорить реакцию, надо понизить энергию активации (что и делают ферменты).

Молекулярность – число, равное количеству молекул, участвующих в акте реакции. Пример: если в одном акте реакции участвуют две молекулы (скажем: щелочь и кислота), молекулярность равна двум. Молекулярность может иметь только следующие значения: 1, 2 и 3.

Порядок реакций. В учебниках определение порядка дано настолько отвратительно, что 99% студентов не понимают его суть. Даю свое определение. Порядок – числовая величина, показывающая, от концентрации скольких веществ зависит скорость химической реакции. Как видите, все просто. Если скорость реакции зависит от концентрации двух веществ, порядок равен 2, если от одного – единице. Если порядок равен нулю, это говорит о том, что скорость вообще не зависит от концентрации.

Факторы, от которых зависит скорость реакции:

1. Концентрация реагирующих веществ;

2. Температура среды;

3. Давление (на ферментативные реакции не влияет);

4. рН;

5. Катализ.

В изучении ферментов два из пяти факторов отбрасываем сразу: катализ (ферменты и есть катализаторы, что уж тут говорить?) и давление. Почему убираем давление? Из школьного курса вы помните, что давление влияет только на реакции в газовых средах, а энзимы, как вы уже поняли, живут и работают в водной среде (все биохимические процессы протекают только в водной фазе). Значит, давление не влияет на ферментативные процессы.

Теперь разберемся по порядку с ключевыми факторами:

1. Концентрация реагирующих веществ

В ферментативных реакциях реагирующее вещество, как правило, одно – субстрат (фермент не считается реагентом, т. к. он – катализатор).

В простых реакциях эта зависимость описывается законом действующих масс (вспомните школу) – чем больше концентрация, тем выше скорость.

С ферментами сложнее. Посмотрите на график: «Зависимость между скоростью ферментативной реакции и концентрацией субстрата…» в вашем учебнике. Мы видим, что при повышении концентрации S, вначале скорость растет почти линейно (реакция 1-го порядка), но, если мы будем добавлять все больше S, темпы роста скорости падают и, в конце концов, ее рост останавливается, выходит на плато, т. е. скорость больше не зависит от концентрации субстрата (реакция 0-го порядка). Почему так? Ответ прост: наступил момент, когда все молекулы фермента насыщены субстратом (который в избытке), а вступает в реакцию только тот S, который связан с энзимом, остальные молекулы S пассивно висят в растворе и ждут своей очереди. Достигнута максимальная скорость. Бросьте в колбу хоть килограмм субстрата, скорость не изменится (повысить ее можно только одним способом – добавить еще фермента).

Этот процесс описывает уравнение Михаэлиса-Ментен:

v = v_max [S] / K_m + [S],

где v_max – максимальная скорость, [S] – концентрация субстрата, а K_m – константа Михаэлиса (посмотрите, она есть на графике), это концентрация S, при которой скорость равна половине от максимальной. Все ферменты различаются по активности. K_m – важнейшая характеристика, отражающая энергичность конкретного фермента. Чем она меньше, тем активнее фермент.

2. Температура среды – единственный фактор, который влияет на скорость всех, без исключения химических реакций.

В обычной реакции зависимость линейная: чем выше температура (t), тем быстрее протекает процесс. Но у ферментов все не так. Посмотрите на график: «Влияние температуры на скорость катализируемой ферментом реакции…» в вашем учебнике. Мы видим, что при повышении t, вначале скорость реакции растет, но в какой-то момент она достигает пика и начинает резко падать до нуля. Это легко объяснить. Любой фермент – белок, и, как белок, он денатурирует (теряет активность) при сильном нагревании. Разве это сложно?

Теперь о цифрах. В разных учебниках по биохимии на этом графике приводятся различные цифры (иногда они вообще отсутствуют), поэтому даю максимально приближенные к истине. Их всего две: оптимум (самая высокая точка графика) – 36,6 ⁰С; полное ингибирование (когда кривая падает до 0) – 45 ⁰С. Некоторые энзимы «выключаются» уже при 42 ⁰С, поэтому на медицинских термометрах 42 ⁰С – крайняя точка, температура, которую человек, как правило, не переживает. Это в очередной раз доказывает, что ферменты – основа жизни, и угнетение даже одного из них чревато смертью.

3. Кислотность среды (рН)

Энзимы очень чувствительны к изменению кислотности раствора, и при сдвиге рН в ту или иную сторону, они прекращают работать. Идеальной рН для подавляющего большинства ферментов является значение 7,4, хотя они способны функционировать в диапазоне от 6,5 до 8,5. Это показано на графике: «Влияние рН на скорость катализируемой ферментов реакции» в вашем учебнике.

Есть исключения. К примеру, пепсин желудка активен в сильнокислой среде (рН 1,5—2,5), а аргиназа – в щелочной (рН около 10,0).

Обратите внимание: гомеостаз, постоянство внутренних параметров организма, направлено на оптимальную работу его величества фермента, он первичен, что доказывает сказанное выше. Почему нормальная температура тела человека – 36,6 ⁰С? Да потому, что именно в этих условиях большинство наших энзимов чувствуют себя великолепно. По этой же причине норма рН биологических жидкостей человека равна 7,4.

2. Механизм ферментативных реакций

Еще в начале прошлого века Анри Михаэлис доказал, что в ферментативной реакции обязателен контакт фермента (E) и S, образование фермент-субстратного комплекса:

E+S = ES = E+P (продукт),

который играет ключевую роль в процессе.

В ходе изучения этого вопроса, особого внимания заслуживают две теории механизма ферментативного катализа:

а) Теория Фишера (теория «ключа» и «замка»; теория соответствия). Согласно Фишеру, субстрат идеально соответствует активному центру фермента, как ключ соответствует «личинке» своего замка. S входит в активный центр (АЦ), заполняя его. При этом все функциональные группы субстрата вступают в связь с соответствующими группами АЦ. Таким образом, соответствие является как пространственным, так и химическим.

б) Теория Кошленда (теория «руки» и «перчатки»; теория индуцированного катализа). По Кошленду, АЦ фермента не полностью соответствует субстрату (как лежащая перчатка не повторяет форму руки), но, как только S приближается к активному центру (рука к перчатке), тот «расправляется», приобретая нужную форму и вступая в связь с S. Мы видим, что в этом случае субстрат выступает как активный реагент, воздействующий на энзим.

Какая же из этих теорий верна? Обе. Часть ферментов работают согласно версии Фишера, часть – по Кошленду.

Современные представления о механизме ферментативного катализа

Согласно современным данным, ферментативная реакция протекает в 4 стадии:

1) E+S = ES; 2) ES = EX; 3) EX = EP; 4) EP = E+P

Как видно из схемы, субстрат не сразу становится продуктом реакции (Р), до этого он превращается в Х – переходную форму, где старые связи еще не разрушены, а новые уже начинают образовываться. Весь фокус в постепенности превращения. Нет резких переходов, есть плавное медленное «перетекание» от S к Р, через переходную форму Х. При этом нет нужды в трате больших количеств энергии (как, если бы вы, вместо того, чтобы надрываться, карабкаясь на 5-й этаж по стене, вы не торопясь поднялись бы по лестнице). Именно эта плавность и обеспечивает значительное снижение энергии активации и, следовательно – ускорение реакции.

1. Виды регуляции

а) Изменение количества фермента. Т. к. все энзимы – белки, они синтезируются также, как белки – на рибосомах, при участии м-РНК, под управлением ядра. Если клетка «хочет» увеличить концентрацию фермента, в ядре включается ген этого белка, образуется его м-РНК, которая идет в цитоплазму и запускает образование фермента на рибосоме. Если необходимо уменьшить количество Е, его ген блокируется. Как понимаете, этот вид регуляции запускается довольно медленно, но действует долго.

б) Изменение активности фермента:

– Химическая модификация (в т.ч. проферменты). Модификация – это изменение. Чтобы запустить или выключить фермент, к его молекуле присоединяются (или отщепляются) различные химические группы: фосфат, пептидные участки и др. Пример: профермент пепсиноген превращается в активный пепсин путем отщепления от него крупного пептидного фрагмента.

– Аллостерическая регуляция – самый красивый и распространенный тип регуляции. Любой биохимический процесс состоит из нескольких последовательных реакций. Скорость всего процесса равна скорости лимитирующей (самой медленной) реакции. Эту реакцию (и только ее) катализирует аллостерический фермент (т. е. фермент с «выключателем»). Теперь вы понимаете, почему не все ферменты являются аллостерическими? Для каждого процесса достаточно одного такого энзима. Эволюционно так сложилось, что в каждом процессе исходные вещества являются активаторами аллостерического фермента, а продукты реакции – выключают (ингибируют) его. Это гармоничная система. Стоит процессу слишком разогнаться, он образует избыток продуктов, которые тормозят аллостерический фермент, а если процесс течет вяло, накапливаются исходные вещества, которые «подстегивают» его. Таким образом, процесс сам управляет собой, без внешнего вмешательства.

Замечу, что во втором семестре вам часто придется сталкиваться с аллостерической регуляцией того или иного процесса, так что обратите особое внимание на этот вопрос. Это поможет.

2. Активаторы – вещества, стимулирующие работу ферментов. Вот и все, собственно. И сказать-то нечего. Поэтому по данному вопросу преподаватель будет требовать примеры. Приведем их:

Пепсин + соляная кислота – активируют пепсиноген;

Колипаза + желчные кислоты – активируют липазу;

Энтерокиназа – активирует трипсиноген;

Трипсин – активирует химотрипсиногены и проэластазу.

Распространенными активаторами многих энзимов являются ионы двухвалентных металлов: Mg²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, Co²⁺, Fe²⁺ и др.

3. Ингибиторы (обозначаются – I) – вещества, замедляющие работу ферментов. Ингибирование делят на необратимое, приводящее к денатурации (кипячение, радиация, кислоты, щелочи и др.) и обратимое, которое, в свою очередь, делят на:

а) конкурентные I – имеют три особенности, причем, каждая из последующих является следствием предыдущей. Во-первых, молекула конкурентного ингибитора очень похожа на субстрат, во-вторых, он взаимодействует с активным центром энзима, в-третьих, активность ингибирования зависит от концентрации: чем I больше, тем сильнее он подавляет реакцию.

Поясню, бывает такое, что чужой ключ, волей случая, настолько сходен с вашим, что его можно вставить в замок, но провернуть не получится. Такие I, подобно S, связываются с АЦ фермента, временно выключая его из реакции. Предположим, что в растворе одинаковое количество I и S, тогда, примерно половина фермента будет связана с конкурентным ингибитором (т. е. – выключена из реакции). И только половина энзима будет работать с субстратом. Во сколько раз снизится скорость реакции в этом случае? Ответ очевиден – в два.

Примером конкурентных I являются сульфаниламидные лекарства (норсульфазол, фталазол, бисептол и др.). Они конкурентно вытесняют субстрат – ПАБК55
  ПАБК – парааминобензойная кислота (прим. автора).


[Закрыть] бактерий из синтеза фолиевой кислоты, необходимой для их размножения. В результате колония микробов угасает, человек выздоравливает. Но следует помнить, что эти лекарства (будучи конкурентными) активны только в высоких концентрациях. Поэтому, при применении сульфаниламидов, в первый день пьют ударную дозу (чтобы достичь нужной концентрации), затем – поддерживающие.

б) неконкурентные I имеют те же три особенности, только с противоположным знаком. Во-первых, их молекула не похожа на субстрат, во-вторых, она взаимодействует не с активным центром (чаще – с аллостерическим), в-третьих, активность ингибирования не зависит от концентрации, неконкурентные I активны даже в мизерных дозах.

4. Классификация ферментов по типу реакции:

а) оксидоредуктазы – обеспечивают окислительно-восстановительные реакции. Примеры: дегидрогеназы, цитохромы, гидроксилазы;

б) трансферазы – катализируют реакции переноса;

в) гидролазы – самая распространенная группа, обеспечивает реакции гидролиза, распада. Примеры: пептидазы – расщепляют белок, гликозидазы – гидролизуют углеводы;

г) лиазы – катализируют реакции отщепления с образованием двойной связи;

д) изомеразы – проводят реакции изомеризации, т. е. изменения внутри молекулы;

е) синтетазы (лигазы) – катализируют реакции синтеза, т. е. образования крупных молекул из более мелких. Важно: они работают только при обеспечении энергией (АТФ и др.).

5. Медицинская энзимология

Энзимология – наука о ферментах. Медицинская энзимология имеет три направления:

а) Энзимопатология – изучает энзимопатии – заболевания, связанные с нарушением работы фермента. Энзимопатии делят на приобретенные (панкреатит) и врожденные, примеры которых приведены ниже:

Фенилкетонурия – поломка фермента66
  Если в данной книге я не привожу конкретное название фермента, значит запоминание названия необязательно (прим. автора).


[Закрыть], обеспечивающего превращение фенилаланина в тирозин. При этом токсические продукты поражают мозг ребенка, вызывая слабоумие. Единственный способ борьбы с осложнениями – ограничивать употребление продуктов, содержащих фенилаланин.

Алкаптонурия – отсутствие фермента, расщепляющего гомогентизиновую кислоту. Это пигмент, придающий темный цвет моче, а в запущенных случаях – кончикам ушей и носа.

Альбинизм – поломка одного из ферментов, участвующих в синтезе меланина – покровного пигмента человека, защищающего кожу от ультрафиолета. У альбиносов бледная кожа, белые волосы и розовая радужка (из-за просвечивания сквозь нее сетчатой оболочки глаза).

б) Энзимодиагностика – постановка диагноза с помощью ферментов. Имеет два направления:

– Определение фермента в крови. В качестве примера рассказываете все об ЛДГ (см. выше). Этого достаточно.

– Определение в крови другого вещества с помощью фермента, имеющегося в лаборатории. Пример – иммуноферментный анализ (ИФА).

в) Энзимотерапия – лечение с помощью ферментов. Примеры: пищевые ферментативные препараты (Панкреатин, Фестал, Энзистал, Мезим, Креон и др.) – эффективны не только при лечении заболеваний ЖКТ, но и при банальном переедании; гиалуронидаза («Лидаза») – применяется для предотвращения разрастания рубцов; раствор трипсина – для очисти гнойных ран и т. д.

Глава III ВИТАМИНЫ

Важнейшей группой незаменимых веществ являются витамины. Подтверждением их метаболической значимости служит вся история человечества, в процессе которой отмечались регулярные страшнейшие вспышки гиповитаминозов, уносившие десятки и сотни тысяч жизней.

Цинга (скорбут) – гиповитаминоз С; чаще встречался в средних и полярных широтах, т. е. на тех территориях, где не так распространены овощи и фрукты, богатые витамином С. Цинга являлась тяжелейшим бичом российского народа на протяжении столетий. Нередко этот гиповитаминоз охватывал целые страны и группы стран. На пике вспышек летальность от этой патологии достигала 80%!

Бери-бери – алиментарный недостаток витамина В₁. Масштабы человеческих потерь от бери-бери были выше, чем от цинги, т. к. эта болезнь распространена в районах с высокой плотностью населения – южной и юго-восточной Азии (Индия, Бангладеш, Бирма, Китай, Индокитай, Индонезия, Япония и др.). Основным пищевым продуктом населения этих регионов является рис, который чаще употребляют в пищу в шелушенном виде, а содержание В₁ в нем очень невелико.

По разделу «Витамины» на кафедрах биохимии, как правило, проводят контрольную работу, вопросы в которой можно условно разделить на две подтемы: ключевые понятия о витаминах в общем (об этом речь пойдет ниже) и вопросы по конкретным витаминам (частная витаминология).

Вопросов по частной витаминологии мы коснемся минимально, т. к. там нечего объяснять, надо просто сесть и выучить. Но пару советов на эту тему я дам. Дело в том, что раздел «Витамины» в учебниках по биохимии непомерно раздут (особенно в книге Т. Т. Березова), очень много «лишнего», чего нет в контрольной. Каждому витамину отводится аж по 4—5 стр. Пусть вас это не пугает. Запомните, по любому из витаминов вам достаточно выучить всего пять фактов: 1) название; 2) формула; 3) биологическая роль – здесь не заморачивайтесь, биологическую роль я подробно дам ниже; 4) патология – название и очень краткое описание симптомов конкретного гиповитаминоза; 5) содержание в продуктах. Все! Согласитесь, не так уж и много. Остальное можете смело пропускать.

Итак, с частной витаминологией закончили, переходим к общей.

1. Общие сведения

В России изучению витаминов значительную роль уделили Н.И.Лунин и Н. Д. Зелинский.

Первым витамином, полученном в чистом виде был тиамин (В₁), который получил Казимир Функ в 1912 году и назвал это вещество «витамином». В дальнейшем, название конкретного вещества постепенно превратилось в наименование целой группы.

Витамины – группа незаменимых органических веществ, присутствующих в клетках в очень малых концентрациях и обеспечивающих их нормальную жизнедеятельность.

Согласитесь, не очень удачное определение, поэтому ниже перечислим критерии витаминов:

а) Незаменимость. Классический витамин обязательно незаменим (не синтезируется в организме), поэтому должен присутствовать в пище в необходимых количествах. Здесь особо стоит отметить витамин Д, который способен синтезироваться в коже человека под действием ультрафиолета, но его недостаток в организме также вызывает серьезный гиповитаминоз. Следовательно, витамин Д, по сути, не является витамином.

б) Витамины не выполняют энергетических или пластических функций. Они являются слишком «дорогим» материалом, чтобы просто расходоваться на подобные потребности.

в) Коферментная роль – о ней скажу ниже.

2. Витаминопатология

Существует ряд паталогических состояний, причиной возникновения которых является изменение количества витаминов в организме. Наиболее значимыми из них являются следующие:

Гипервитаминоз – заболевание, развивающееся в результате избыточного поступления витамина в организм.

Важно: гипервитаминозы чаще встречаются при передозировке жирорастворимых витаминов (А, Д, Е, К). Это объяснимо: избыток водорастворимых витаминов легко выводится с мочой (т. к. это – водный раствор). Избавление от избытка жирорастворимых витаминов более сложно, т. к. эти вещества плохо растворимы в воде. При передозировке они быстро накапливаются в тканях, что приводит к токсическому эффекту вплоть до летального исхода.

Гиповитаминоз – заболевание, развивающееся в результате недостаточного поступления витамина в организм.

Авитаминоз – заболевание, развивающееся в результате полного нарушения поступления витамина в организм.

Авитаминоз – теоретическое понятие, его не встретишь на практике, чего не скажешь о гиповитаминозах.

Гиповитаминозы делят на две группы:

а) Экзогенные (первичные, алиментарные). Они возникают при дефиците витамина в пище. Исторические гиповитаминозы, такие как цинга, бери-бери, пеллагра, рахит и др. принадлежат к этой группе.

б) Эндогенные (вторичные) гиповитаминозы – развиваются по «внутренним» причинам, даже если количество витамина в пище соответствует норме. Их причины делят на три группы:

– Заболевания ЖКТ77
  ЖКТ – желудочно-кишечный тракт (прим. автора).


[Закрыть], приводящие к нарушению всасывания витаминов в кишечнике. Такое возможно при гастритах, дуоденитах, панкреатитах, желчнокаменной болезни, дискинезиях желчевыводящих путей и, особенно, при хронических энтеритах.

– «Перехват» вещества чужеродными организмами, когда витамин пищи просто не доходит до пациента. Такое происходит при дисбактериозе или глистной инвазии.

– Повышенная потребность в витаминах. Подобное отмечается при беременности, кормлении грудью, усиленной физической нагрузке, тиреотоксикозе, истощении и др.

Вопрос: зачем нужно делить гиповитаминозы на экзо– и эндогенные? Это объяснимо. В зависимости от этого зависит тактика их лечения. Особенностью терапии экзогенных гиповитаминозов является несоответствие тяжести заболевания и легкости его лечения. Трудно найти примеры других заболеваний, уносящих такое количество жизней, которые лечились бы так легко. Чаще, для полного выздоровления, достаточно назначение таблетированных витаминов.

А вот в случае эндогенного гиповитаминоза таблетка не поможет, она просто не всосется. Эту патологию лечат инъекциями витаминов.

3. Биологическая роль витаминов

Чем же объясняется такая высокая биологическая роль этих веществ?

Подавляющее большинство витаминов (кроме Д и Е), поступая в организм, превращаются в соответствующие коферменты важнейших ферментативных систем. Таким образом, витамины, обеспечивая работу ферментов, лежат в основе практически всех жизненно важных процессов организма на молекулярном уровне.

Самая распространенная группа вопросов в контрольной: «Какова биологическая роль витамина …?», В этом случае вы отвечаете следующим образом: данный витамин превращается в кофермент такой-то, который участвует в таких-то реакциях организма. Все.

Привожу информацию по биологической роли основных витаминов в последовательности: название витамина – наименование его кофермента – биологическая роль:

В₁ (тиамин) – ТДФ – окисление пирувата и α-кетоглутарата

В₂ (рибофлавин) – ФМН, ФАД – биологическое окисление

РР (никотиновая кислота) – НАД – биологическое окисление

В₅ (пантотеновая кислота) – КоА – перенос ацильных групп, взаимосвязь обменов

В₆ (пиридоксин) – Пиридоксальфосфат, пиридоксаминфосфат – трансаминирование и декарбоксилирование

Н (биотин) – Биотин-коэнзим – карбоксилирование и транскарбоксилирование

В_с (фолиевая кислота) – ТГФК – перенос одноуглеродных групп, рост и размножения клеток

А (ретинол) – Ретиналь – акт светоощущения, защита эпителия

D (кальциферол) – депонирование кальция и фосфатов

К (нафтохиноны) – синтез протромбина, свертывание крови

Е (токоферол) – антиоксидант

В₁₂ (кобаламин) – кроветворение

С (аскорбиновая кислота) – синтез коллагена, антиоксидант

Р (рутин) – укрепляет сосуды

4. Антивитамины. Провитамины.

Антивитамины – вещества, снижающие биологическую активность витаминов. По механизму действия эти соединения делятся на две группы:

а) Конкурентные антивитамины – их строение очень сходно со структурой витамина. Таким образом, при достаточной концентрации они вытесняют кофермент-витамин из фермента. Пример: фтивазид – конкурентный ингибитор В₆.

б) Необратимые антивитамины – это белки, способные разрушать витамин. Пример: белок авидин расщепляет витамин Н.

Очевидно, что при действии антивитамина на организм, развивается соответствующий гиповитаминоз.

Провитамины – экзогенные органические соединения, способные превращаться в витамин внутри организма. Наиболее ярким примером является бета-каротин, являющийся провитамином А. Если витамин А содержится исключительно в животных жирных продуктах, то β-каротин – типичный компонент растительных плодов красно-оранжевого цвета. (морковь, свекла, перец, смородина и др.). Чем интенсивнее окраска, тем больше концентрация этого вещества в продукте. В клетках человека β-каротин претерпевает распад, превращаясь в ретинол.

5. Витаминоподобные вещества (витаминоиды) – это органические вещества, отличающиеся по механизму действия от витаминов, но при их недостаточном поступлении в организм развиваются патологические состояния, подобные гиповитаминозам.

Ниже приведены примеры этих веществ в последовательности: витаминоид – его функция:

Холин и инозит – пластическая роль, являются компонентами фосфолипидов

В₁₅ (пангамовая кислота) и витамин U – доноры метильных групп

ПАБК – провитамин фолиевой кислоты

Кофермент Q и липоевая кислота – коферментная функция

Ну и напоследок замечу: к контрольной следует выучить формулы всех витаминов, кроме В₁₂, а также: формулы холина, инозита, ПАБК и липоевой кислоты.