- •Основы биологической химии предисловие
- •Введение Предмет и задачи биохимии
- •Основные признаки живой материи
- •Глава 1. Химический состав организмов
- •Глава 2. Структура и свойства белков
- •2.1. Роль и определение белков.
- •2.2. Функции белков в организме
- •2.3. Элементный состав белков. Содержание белков в органах и тканях
- •2.4. Аминокислотный состав белков
- •2.5. Кислотно-основные свойства аминокислот
- •2.6. Стереохимия аминокислот
- •2.7. Строение белков
- •2.8. Уровни структурной организации белков
- •Первичная структура
- •Вторичная структура белков
- •Третичная структура белков
- •Четвертичная структура белков
- •2.9. Физико-химические свойства белков
- •Кислотно-основные свойства белков
- •Растворимость белков
- •Денатурация и ренатурация
- •2.10. Классификация белков
- •2.11. Методы выделения и очистки белков
- •Очистка белков
- •Глава 3. Углеводы
- •3.1. Понятие об углеводах и их классификация
- •3.2. Моносахариды
- •Оптические свойства моносахаридов
- •Структура моносахаридов
- •3.3. Химические свойства моносахаридов Реакции с участием карбонильной группы
- •Реакции с участием гидроксильных групп
- •3.4. Сложные углеводы
- •Олигосахариды
- •Полисахариды
- •Гомополисахариды
- •Гетерополисахариды
- •3.5. Биологические функции углеводов
- •Глава 4. Нуклеиновые кислоты
- •4.1. Общая характеристика нуклеиновых кислот
- •4.2. Химический состав и строение нуклеиновых кислот
- •4.3. Уровни структурной организации нуклеиновых кислот
- •Первичная структура нуклеиновых кислот
- •Вторичная структура днк
- •Вторичная структура рнк
- •Третичная структура рнк и днк
- •Глава 5. Липиды
- •5.1. Общая характеристика и классификация липидов
- •5.2. Липидные мономеры
- •5.3. Многокомпонентные липиды
- •5.4. Биологические функции липидов
- •Глава 6. Ферменты
- •6.2. Химическая природа и структура ферментов
- •6.3. Кофакторы ферментов Ионы металлов как кофакторы ферментов
- •Коферменты
- •6.4. Механизм действия ферментов
- •6.5. Свойства ферментов
- •6.6. Специфичность действия ферментов
- •6.7. Факторы, влияющие на скорость ферментативного катализа
- •Влияние температуры на активность ферментов
- •Влияние рН на активность ферментов
- •Влияние концентраций субстрата и фермента на скорость ферментативной реакции
- •Зависимость скорости реакции от времени
- •6.8. Регуляция активности ферментов
- •Активация ферментов
- •Ингибирование ферментов
- •Аллостерическая регуляций действия ферментов
- •6.9. Определение активности ферментов
- •6.10. Номенклатура и классификация ферментов
- •6.11. Локализация ферментов в организме и клетке
- •6.12. Применение ферментов
- •Глава 7. Витамины
- •7.1.Понятие о витаминах
- •7.2. Классификация витаминов
- •7.3. Жирорастворимые витамины
- •7.4. Водорастворимые витамины
- •7.5. Витаминоподобные вещества
- •Глава 8. Общие закономерности обмена веществ и энергии в организме
- •8.1. Обмен веществ
- •8.2. Обмен энергии
- •Глава 9. Биологическое окисление
- •9.2. Дыхательная цепь
- •9.3. Окислительное фосфорилирование
- •Глава 10. Обмен углеводов
- •10.1. Переваривание углеводов
- •10.2. Метаболизм глюкозы
- •10.3. Биосинтез гликогена
- •10.4. Распад гликогена
- •10.5. Анаэробный гликолиз
- •10.6. Аэробный распад глюкозы
- •Аэробный распад глюкозы в мозге
- •10.7. Пентозофосфатный цикл
- •10.8. Биосинтез глюкозы (глюконеогенез)
- •10.10. Регуляция обмена углеводов
- •Глава 11. Обмен липидов
- •11.1. Переваривание липидов
- •11.2. Метаболизм глицерина
- •11.3. Метаболизм жирных кислот
- •11.4. Биосинтез жиров
- •11.5. Регуляция обмена липидов
- •Глава 12. Обмен нуклеиновых кислот
- •12.1. Пути распада рнк и днк
- •12.2. Распад пуриновых и пиримидиновых оснований
- •12.3. Биосинтез нуклеотидов
- •Биосинтез пурииовых нуклеотидов
- •Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов
- •Биосинтез дезоксирибонуклеотидов
- •12.4. Биосинтез нуклеиновых кислот
- •Биосинтез днк (репликация)
- •Биосинтез рнк (транскрипция)
- •Безматричный синтез рнк
- •12.5. Путь информации от генотипа к фенотипу
- •Глава 13. Обмен белков
- •13.1. Понятие об обмене белков
- •13.2. Переваривание белков пищи и распад белков тканей Переваривание белков
- •Распад белков в тканях
- •13.3. Метаболизм аминокислот
- •Трансаминирование аминокислот
- •Дезамииирование аминокислот
- •Превращение углеродных скелетов аминокислот. Реакции декарбоксилирования
- •13.4. Удаление аммиака из организма. Орнитиновый цикл
- •13.5. Синтез аминокислот
- •13.6. Биосинтез белков (трансляция)
- •Глава 14. Водно-солевой и минеральный обмен
- •14.1. Водно-солевой обмен Содержание воды в организме и клетке
- •Роль и функции воды в процессе жизнедеятельности
- •14.2. Регуляция водно-солевого обмена
- •Регуляция рН
- •14.3. Минеральный обмен Минеральные вещества
- •Функции минеральных веществ
- •Минеральные вещества и обмен нуклеиновых кислот
- •Минеральные вещества и обмен белков
- •Минеральные вещества и обмен углеводов и липидов
- •14.4. Регуляция минерального обмена
- •Глава 15. Взаимосвязь обмена белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот
- •Глава 16. Гормоны, нервно-гормональная регуляция обмена веществ
- •16.1. Понятие о гормонах. Основные принципы регуляции обмена веществ
- •16.2. Классификация гормонов
- •16.3. Общие представления о действии гормонов
- •16.4. Гормоны щитовидной и паращитовидных желез Гормоны щитовидной железы
- •Гормоны паращитовидных желез
- •16.5. Гормоны поджелудочной железы
- •16.6. Гормоны надпочечников
- •16.7. Гормоны половых желез
- •16.8. Гормоны гипоталамо-гипофизарной системы
- •16.9. Гормоны тимуса и эпифиза
- •16.10. Простагландины
- •16.11. Биохимическая адаптация
- •Рекомендуемая литература
- •Оглавление
Влияние концентраций субстрата и фермента на скорость ферментативной реакции
Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата носит гиперболический характер (рис. 18). При постоянной концентрации фермента скорость реакции постепенно увеличивается достигая максимума; когда дальнейшее увеличение концентрации субстрата уже не влияет на скорость реакции, в этом случае говорят, что фермент насыщен, а субстрат в избытке.
Зависимость скорости реакции от концентрации фермента (рис.18) является прямо пропорциональной; чем больше концентрация фермента, тем выше скорость реакции.
-
а)
б)
Рис. 18. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации: а - субстрата; б - фермента
Зависимость скорости реакции от времени
Как известно, скорость любой химической реакции (активности фермента) уменьшается со временем (рис.19). Уменьшение скорости ферментативной реакции во времени может быть связано с рядом причин:
- уменьшение концентрации субстрата;
- увеличение скорости обратной реакции;
- ингибирование фермента продуктом реакции;
-денатурация фермента.
Рис.19. Зависимость скорости ферментативной реакции от времени ([Р] и [S] - концентрации продукта и субстрата)
6.8. Регуляция активности ферментов
Регуляция активности ферментов может осуществляться путем взаимодействия с ними различных эндогенных биоактивных соединений или чужеродных веществ (например, лекарств и ядов).
Под действием одних регуляторов (активаторов) ферментативная реакция может ускоряться, под действием других (ингибиторов) - замедляться.
Активация ферментов
В большинстве случаев активирующее действие на фермент оказывают вещества, влияющие на активный центр фермента. К таковым относятся кофакторы ферментов и субстраты. Таким образом, кофакторы являются не только обязательными структурными компонентами ферментов-протеидов, но и их активаторами. Кроме ионов металлов и коферментов активирующее влияние могут оказывать предшественники и активные аналоги коферментов, субстрат в известных пределах концентрации, некоторые органические и неорганические анионы. Так соляная кислота (анион СI¯ ) активирует действие пепсина, желчные кислоты - действие панкреатической липазы.
Ингибирование ферментов
Ингибиторы - вещества, тормозящие действие ферментов. Различают обратимое и необратимое ингибирование (инактивация). Примерами необратимого ингибирования является действие солей тяжелых металлов, йодацетата, синильной кислоты и др.
В случае необратимого ингибирования молекула ингибитора вызывает стойкие, необратимые изменения или модификацию активного центра фермента. Чаще имеет место обратимое ингибирование, которое, в свою очередь, делят на конкурентное и неконкурентное.
При конкурентном ингибировании ингибитор, обладая структурным сходством с субстратом, соединяется с ферментом, подменяя собой субстрат, конкурируя с ним. Так как часть фермента расходуется на образование комплекса фермент-ингибитор, то количество фермент-субстратного комплекса снижается, и падает скорость ферментативной реакции. Конкурентные ингибиторы, таким образом, подавляют активность только одного фермента или группы ферментов со сходным активным центром. Механизм конкурентного ингибирования можно выразить следующей схемой:
F + S = FS = F + P;
F + I = FI,
где F - фермент; S - субстрат; I - ингибитор, Р - продукт.
Если повышать концентрацию субстрата, то доля комплекса FS увеличивается, а комплекса FI уменьшается. При достаточно высокой концентрации субстрата весь фермент будет в форме комплекса FS, и скорость реакции будет максимальной, несмотря на присутствие ингибитора.
В качестве примера конкурентного ингибирования рассмотрим торможение действия фермента холинэстеразы при помощи диизопропилфторфосфата, который является ингибитором также и других эстераз и пептидгидролаз, имеющих серии в активном центре.
Холинэстераза - фермент, каталитически ускоряющий гидролиз ацетилхолина на холин и уксусную кислоту:
Ацетилхолин |
Уксусная кислота |
Холин |
Реакция идет с большой скоростью: одна молекула холинэстеразы разлагает за одну минуту несколько миллионов молекул ацетилхолина. Этот процесс имеет огромное значение для нервной системы, так как ацетилхолин является промежуточным соединением в передаче нервного импульса. Действие холинэстеразы угнетается сильнейшим нервным ядом - диизопропилфторфосфатом, структура которого в некоторой части молекулы подобна структуре ацетилхолина:
Ацетилхолин |
диизопропилфторфосфат |
К активному центру холинэстеразы вместо группировки
- ацетилхолина легко присоединяется группировка диизопропилфторфосфата: наступает торможение работы фермента со всеми вытекающими отсюда для организма последствиями.
Примером конкурентного ингибирования служит также торможение сукцинатдегидрогеназы (СДГ) малоновой кислотой. Этот фермент катализирует окисление путем дегидрирования янтарной кислоты (сукцината) в фумаровую:
Малонат в результате структурного сходства с субстратом (сукцинат) реагирует с активным центром СДГ с образованием фермент–ингибитор -комплекса, однако при этом перенос водорода от малоната не происходит.
Метод конкурентного торможения нашел широкое применение в медицинской практике. Например, для лечения некоторых инфекционных заболеваний, вызываемых бактериями, применяют сульфаниламидные препараты. Эти препараты имеют сходство с парааминобензойной кислотой, которую бактериальная клетка использует для синтеза фолиевой кислоты, являющейся составной частью ферментов бактерий. Благодаря этому структурному сходству, сульфаниламид блокирует действие фермента путем вытеснения параминобензойной кислоты из комплекса с ферментом, синтезирующим фолиевую кислоту, что ведет к торможению роста бактерий:
-
n-аминобензойная кислота
сульфаниламид
Некоторые аналоги витамина В6 и фолиевой кислоты, например, дезоксипиридоксин и аминоптерин, действуют как конкурентные коферментные ингибиторы (или антивитамины), тормозящие многие биохимические процессы в организме.
Неконкурентное ингибирование вызывается веществами, не имеющими структурного сходства с субстратами. При этом ингибитор влияет на каталитическое превращение, но не на связывание субстрата с ферментом. Неконкурентный ингибитор или связывается непосредственно с каталитическим участком активного центра, или, связываясь с ферментом в одном из аллостерических центров, изменяет конформацию активного центра таким образом, что затрагивает структуру каталитического участка. Так как неконкурентный ингибитор не влияет на связывание субстрата, то в отличие от конкурентного ингибирования наблюдается образование тройного комплекса по уравнению
F + S +I→ FSI.
Однако превращения этого комплекса в продукты реакции не происходит.
Примером неконкурентного ингибирования может служить блокирование ферментов ионами тяжелых металлов (Hg , As , Pb, Cd ), которые присоединяются к сульфогидрильным (-SH) группам полипептидной цепи каталитического участка. Торможение солями синильной кислоты, угарным газом основано на том, что анионы СN¯ или молекулы СО прочно соединяются с трехвалентным железом, входящим в каталитический участок геминового фермента - цитохромоксидазы. Блокада этого фермента выключает дыхательную цепь, и клетка погибает.
Снять действие неконкурентного ингибитора избытком субстрата (как действие конкурентного) нельзя, а можно лишь веществами, связывающими ингибитор. Эти вещества называют реактиваторами.
Ионы тяжелых металлов лишь в небольших концентрациях являются неконкурентными ингибиторами. В больших концентрациях они выступают как инактиваторы (оказывают денатурирующее действие).
Неконкурентные ингибиторы применяются как фармакологические средства, отравляющие вещества для борьбы с вредителями сельского хозяйства и в военных целях.