Витамины. Классификация и номенклатура витаминов. Роль витаминов в обмене веществ, связь с ферментами
Понятие и характеристика витаминов, их основные группы, классификация и номенклатура. Биологическая роль витаминов в обмене веществ, последствия их недостатка в организме. Суточная потребность в витаминах разных групп. Связь витаминов с ферментами.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Федеральное Государственное бюджетное образовательно учреждение высшего образования «Оренбургская государственная медицинская академия Министерства здравоохранения Российской Федерации»
Кафедра биологической химии
на тему: Витамины. Классификация и номенклатура витаминов. Роль витаминов в обмене веществ, связь с ферментами
Выполнила: студентка 26 гр.
К.б.н. старший преподаватель
Цель реферата — с использованием научной литературы дать понятие витаминов и охарактеризовать их.
Понятием витамины в настоящее время объединяется группа низкомолекулярных веществ разнообразной природы, которые необходимы для биохимических реакций, обеспечивающих рост, выживание и размножение организма. Витамины обычно выступают в роли коферментов — таких молекул, которые непосредственно участвуют в работе ферментов.
Различают следующие группы витаминов:
1. Жирорастворимые А, D, E, K, F
2. Водорастворимые B1, B2, B3, B5, B6, B9= ВС, B12 , H, C
3. Также выделяют витаминоподобные вещества: жирорастворимые — Q, водорастворимые — B4, P, B8, U, N, BT B13, B15
Витамины являются незаменимыми факторами питания. В отличие от других частей клеток большинство витаминов не образуется в организме человека или образуется в недостаточных количествах. Они не являются источниками энергии и не используются как пластический материал для построения клеток и тканей. Витамины регулируют и активируют обмен веществ: они проявляют свое действие в очень малых количествах. Обычно суточная потребность в витаминах выражается в мг или мкг.
Витамины характеризуются следующими, только им присущими, качествами: витамин обмен вещество фермент
? наличие выраженной биологической активности при малых дозах вещества;
? витамины не являются источниками энергии или пластического материала;
? витамины необходимы для обеспечения жизненно важных функций организма;
? биосинтез витаминов осуществляется исключительно растительными клетками; в ряде случаев микрофлорой кишечника.
В организме человека и животных синтез витаминов не происходит, за исключением небольшого количества никотиновой кислоты. В ряде случаев витамины в организме образуются из так называемых провитаминов, например каротиноидов.
Проявляя высокую биологическую активность в очень малых дозах, витамины необходимы:
? для нормального клеточного метаболизма и трофики тканей;
? для трансформации энергии;
? для поддержания таких жизненных функций как репродукция, рост и регенерация тканей;
? для обеспечения иммунологической реактивности организма;
? для нормальной работоспособности всех органов и тканей.
При недостаточном поступлении витаминов в организм с пищей или при нарушении их усвоения в желудочно-кишечном тракте возникают специфические заболевания и нарушения обмена веществ, которые называются гиповитаминозами и авитаминозами. Избыток витаминов может привести к развитию гипервитаминоза — патологического состояния, которое возникает лишь при условии чрезмерного потребления в основном жирорастворимых витаминов (А, Д). В настоящее время среди населения всего мира, в том числе и населения развитых стран, реальную угрозу для здоровья составляют гиповитаминозы и особенно полигиповитаминозы.
Задача: Дать определение витаминов и описать биологическую роль витаминов
Современная классификация витаминов не является совершенной. Она основана на физико-химических свойствах (в частности, растворимости) или на химической природе, но до сих пор сохраняются и буквенные обозначения. В зависимости от растворимости в неполярных органических растворителях или в водной среде различают жирорастворимые и водорастворимые витамины.
К водорастворимым витаминам относятся: витамины С, В1, В2, В3 (РР), В6, В12, фолиевая кислота, пантотеновая кислота и биотин. Их основная особенность — не накапливаться в организме совсем либо их запасов хватает на очень продолжительное время. Поэтому, передозировка возможна лишь для некоторых из водорастворимых витаминов.
К жирорастворимым витаминам относятся: витамины А, Д, Е и К. Их основная особенность — способы накапливаться в тканях организма, в основном, в печени.
Название основано на использовании заглавных букв латинского алфавита с нижним цифровым индексом. Кроме того, в названии используются наименования, отражающие химическую природу и функцию витамина.
Витамины стали известны человечеству не сразу, и в течение многих лет ученым удавалось открывать новые виды витаминов, а также новые свойства этих полезных для человеческого организма веществ. Поскольку языком медицины во всем мире является Латынь, то и витамины обозначались именно латинскими буквами, а в дальнейшем и цифрами.
Присвоение витаминам не только букв, но и цифр объясняется тем, что витамины приобретали новые свойства, обозначить которые при помощи цифр в названии витамина, представлялось наиболее простым и удобным. Для примера, можно рассмотреть популярный витамин «В». Так, на сегодняшний день, этот витамин может быть представлен в самых разных областях, и во избежание путаницы он именуется от «витамин В1» и вплоть до «витамина В14». Аналогично именуются и витамины входящие в эту группу, например, «витамины группы В».
Когда химическая структура витаминов была определена окончательно, стало возможным именовать витамины в соответствии с терминологией, принятой в современной химии. Так в обиход вошли такие названия, как пиридоксаль, рибофлавин, а также птероилглутаминовая кислота. Прошло еще какое то время, и стало совершенно ясно, что многие органические вещества, уже давным-давно известные науке, также обладают свойствами витаминов. Причем таких веществ оказалось достаточно много. Из наиболее распространенных можно упомянуть никотинамид, лгезоинозит, ксантоптерин, катехин, гесперетин, кверцетин, рутин, а также ряд кислот, в частности, никотиновую, арахидоновую, линоленовую, линолевую, и некоторые другие кислоты.
1) К водорастворимым витаминам относят:
B2 (рибофлавин) антидерматитный;
B3 (пантотеновая кислота) антидерматитный;
B6 (пиридоксин, пиридоксаль, пиридоксамин) антидерматитный;
B9 (фолиевая кислота; фолацин) антианемический;
B12 (цианкобаламин) антианемический;
PP (никотиновая кислота; ниацин) антипеллагрический;
C (аскорбиновая кислота) антицинготный — участвуют в структуре и функционировании ферментов.
2) К жирорастворимым витаминам относят:
А (ретинол) антиксерофтальмический;
D (кальциферолы) антирахитический;
E (токоферолы) антистерильный;
К (нафтохинолы) антигеморрагический;
Жирорастворимые витамины входят в структуру мембранных систем, обеспечивая их оптимальное функциональное состояние.
В химическом отношении жирорастворимые витамины А, D, E и К относятся к изопреноидам.
РОЛЬ ВИТАМИНОВ В ОБМЕНЕ ВЕЩЕСТВ
Для регуляции обмена веществ необходимы весьма ничтожные количества витаминов, но они не имеют никакого энергетического значения. Роль витаминов подобна ферментам и гормонам. Многие витамины входят в состав ферментов.
Так как жизнь без витаминов невозможна, то необходимо постоянное их поступление в организм, в котором они подвергаются быстрому распаду.
Главный источник витаминов — растительная пища, но они содержаться также в рыбных и мясных продуктах, молоке, яйцах.
При отсутствии витаминов в пище в организме возникают нарушение функций и заболевания, которые обозначаются как авитаминоз (цинга, рахит, множественное воспаление нервов, кровоизлияния, задержка роста и др.).
При недостаточном содержании витаминов в пище или нормальном их содержании, но увеличении потребления возникают гиповитаминозы, при которых понижена работоспособность и имеется предрасположение к заболеваниям.
Витамин С — аскорбиновая кислота участвует чуть ли не во всех биохимических процессах организма. Обеспечивает:
· нормальное развитие соединительной ткани;
· нормальный иммунный статус;
· поддерживает процессы кроветворения.
Суточная потребность до 30 мг (дети до 3-х лет) до 120 мг (кормление грудью). Большое количество вызывает расстройство кишечника и плохо влияет на почки. Содержится в овощах и фруктах, больше всего — в болгарском перце, черной смородине, шиповнике, облепихе, листовой зелени, свежей капусте, цитрусовых.
Витамин В1 — тиамин обеспечивает проведение нервных импульсов. Суточная потребность 1,5 мг. Содержится в хлебе из муки грубого помола, сое, фасоли, горохе, шпинате, нежирной свинине и говядине, особенно в печени и почках.
Витамин В2 — рибофлавин обеспечивает: окисление жиров; защиту глаз от ультрафиолета. Суточная потребность: 1,8 мг. Содержится в яйцах, мясе, молоке и молочных продуктах, особенно в твороге, печени, почках, гречке.
Витамин В3 — ниацин (витамин РР) обеспечивает «энергетику» практически всех протекающих в организме биохимических процессов. Суточная потребность: 20,0 мг. Содержится в ржаном хлебе, гречке, фасоли, мясе, печени, почках.
Витамин В6 — пиридоксин обеспечивает: усвоение белка; производство гемоглобина и эритроцитов; равномерное снабжение клеток глюкозой. Суточная потребность: 2,0 мг. Содержится в мясе, печени, рыбе, яйцах, цельнозерновом хлебе.
Витамин В12 — кобаламин обеспечивает: нормальный процесс кроветворения; работу желудочно-кишечного тракта; клеточные процессы в нервной системе. Суточная потребность: 3,0 мкг. Содержится в продуктах животного происхождения: мясе, твороге и сыре.
Фолиевая кислота чрезвычайно важна при беременности — обеспечивает: нормальное формирование всех органов и систем плода. Обеспечивает: синтез нуклеиновых кислот (прежде всего ДНК); внутреннюю защиту от атеросклероза. Суточная потребность: 400,0 мг. Для беременных — 600 мг, для кормящих -500 мг. Содержится в зеленых листовых овощах, в бобовых, хлебе из муки грубого помола, печени.
Пантотеновая кислота обеспечивает обмен жирных кислот, холестерина, половых гормонов. Суточная потребность: 5,0 мг. Содержится в горохе, фундуке, зеленых листовых овощах, гречневой и овсяной крупе, цветной капусте, печени, почках и сердце, курином мясе, яичном желтке, молоке.
Биотин обеспечивает клеточное дыхание, синтез глюкозы, жирных кислот и некоторых аминокислот. Суточная потребность: 50,0 мкг. Содержится в дрожжах, помидорах, шпинате, сое, яичном желтке, грибах, печени.
Витамин А — ретинол обеспечивает:
процессы роста и размножения;
функционирование кожного эпителия и костной ткани;
поддержание имуннологического статуса;
восприятие света сетчаткой глаза.
Суточная потребность 900 мкг. Содержится в виде ретинола в животной пище (Рыбий жир, печень, особенно говяжья, икра, молоко, сливочное масло, сметана, творог, сыр, яичный желток) и в виде провитамина каротина в растительной (зеленые и желтые овощи, морковь, бобовые, персики, абрикосы, шиповник, облепиха, черешня).
Витамин Д — кальциферол чрезвычайно важен для новорожденного ребенка, без этого витамина невозможно нормальное формирование скелета. Кальциферол может образовываться в коже под действием солнечного света. Обеспечивает обмен кальция и фосфора в организме; прочность костной ткани. Суточная потребность 10,0 мкг (400 МЕ). Содержится в печени рыбы. В меньшей степени — в яйцах птиц. Часть витамина Д поступает в организм не с пищей, а синтезируется в коже под действием солнечных лучей.
Витамин Е — токоферол один из основных антиоксидантов нашего организма, инактивирующий свободные радикалы и предотвращающий разрушение клеток. Суточная потребность: 15 мг. Содержится в растительных маслах: подсолнечном, хлопковом, кукурузном, миндале, арахисе, зеленых листовых овощах, злаковых, бобовых, яичном желтке, печени, молоке.
Витамин К — обеспечивает в синтез в печени некоторых факторов свертывания крови, участвует в формировании костной ткани. Суточная потребность: 120,0 мкг. Содержится в шпинате, цветной и белокочанной капусте, листьях крапивы, помидорах, печени.
СВЯЗЬ ВИТАМИНОВ С ФЕРМЕНТАМИ
Связь витаминов с ферментами объясняет их важную роль в обмене веществ. Отсутствие витаминов в пище вызывает нарушение образования в организме ферментов, которое приводит к заболеваниям, характерным для многих авитаминозов.
Существует тесная связь между витаминами и ферментами, то витамины являются участниками ферментативных процессов в качестве активаторов (например, витамин С активирует папаин и катепсин), то они служат субстратом для действия ферментов или оказываются продуктами ферментативного превращения провитаминов (например, действие на витамин С оксидазы аскорбиновой кислоты или превращение в печени каротина в витамин А) наконец, витамины входят в качестве неотъемлемой составной части (кофермента) в молекулу самого фермента.
Витамины и коферменты, скорее всего, не только можно, но и необходимо рассматривать вместе, в одном разделе химии природных соединений, поскольку нельзя провести четкого разграничения определенной группы природных биологически активных веществ на два таких класса. С другой стороны, при освещении химии этих соединений мы неизбежно коснемся вопросов строения и свойств их, а отсюда неизбежен и выход на реакции, катализируемые ферментами (коферментами). Таким образом, эти три феномена химии живой природы — витамины, коферменты и ферментативный катализ не то чтобы тесно связаны, они завязаны в один узел, и комплексное их описание вполне уместно.
В настоящее время витамины можно охарактеризовать как низкомолекулярные органические соединения, которые, являясь необходимой составной частью пищи, присутствуют в ней в чрезвычайно малых количествах.
В заключении можно добавить, что значение витаминов для организма человека очень велико. Эти питательные вещества поддерживают работу абсолютно всех органов и всего организма в целом. Нехватка витаминов приводит к общему ухудшению состояния здоровья человека.
3. Биологическая химия 3е изд. Автор: Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф.
4. Биохимия витаминов. Учебное пособие. / Под ред. А.А. Никонорова. — Оренбург: ООО «Принт-Сервис».-2005. — 119 с.
5. Л.П. НИКИТИНА, Н.В. СОЛОВЬЕВА. КЛИНИЧЕСКАЯ ВИТАМИНОЛОГИЯ. — Чита, 2002.
Подобные документы
Витамины как один из факторов питания человека. Биологическая роль витаминов. Номенклатура и классификация витаминов. Понятие рекомендуемой суточной нормы. Понятие гипо-, гипер- и авитаминоза. Характеристика жирорастворимых и водорастворимых витаминов.
реферат [56,9 K], добавлен 27.05.2015
История открытия и изучения витаминов. Понятие о витаминах, и их значении в организме, понятие об авитаминозах, гипо- и гипервитаминозах. Классификация витаминов; жирорастворимые и водорастворимые витамины. Определение содержания витаминов в веществах.
курсовая работа [63,4 K], добавлен 19.02.2010
История витаминов, их основные химические свойства и структура, жизненная необходимость для нормальной жизнедеятельности организма. Понятие недостатка витаминов, сущность гипоавитаминоза и его лечение. Содержание витаминов в различных пищевых продуктах.
реферат [96,3 K], добавлен 15.11.2010
История открытия витаминов. Влияние на организм, признаки и последствия недостатка, основные источники витаминов А, С, D, Е. Характеристика витаминов группы В: тиамина, рибофлавина, никотиновой и пантотеновой кислот, пиридоксина, биотина, холина.
презентация [3,4 M], добавлен 24.10.2012
Открытие витаминов. Голландский врач Христиан Эйкман. Биохимик Карл Петер Хенрик Дам. Установление структуры и синтеза каждого витамина. Исследование роли витаминов в организме. Артур Харден. Применение синтетических витаминов. Сбалансированное питание.
реферат [53,9 K], добавлен 07.06.2008
Физиологическое значение витаминов, их классификация, пути поступления в организм человека. Ассимиляция и диссимиляция витаминов, их способность регулировать течение химических реакций в организме. Особенности жирорастворимых и водорастворимых витаминов.
реферат [744,1 K], добавлен 24.07.2010
Классификация витаминов, их содержание в продуктах. Необходимость низкомолекулярных органических соединений с высокой биологической активностью для нормальной жизнедеятельности. Особенности витаминов различных групп, их применение и действие на организм.
презентация [1,5 M], добавлен 16.11.2013
Описание полезных свойств витаминов группы А, В, С, D, Е, К. Источники пополнения витаминов и последствия их нехватки. Витамин А — бережет зрение, регулирует обмен веществ. Витамины группы В — укрепляют нервную систему. Витамин С — укрепляет иммунитет.
презентация [529,9 K], добавлен 15.01.2012
Роль витаминов в продлении здоровой жизни. Болезни, причина которых – авитаминоз: цинга, рахит, пеллагра. Низкомолекулярные органические соединения. Функция витаминов в регулировании обмена веществ через систему ферментов и гормонов, биокатализаторы.
реферат [20,9 K], добавлен 26.02.2009
Биологическая химия как наука, изучающая химическую природу веществ живых организмов. Понятие витаминов, коферментов и ферментов, гормонов. Источники жирорастворимых и водорастворимых витаминов. Понятие обмена веществ и энергии, обмена липидов и белков.
курс лекций [442,2 K], добавлен 21.01.2011
Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.
77.Коферменты и их связь с витаминами
Коферменты, или коэнзимы — малые молекулы небелковой природы, специфически соединяющиеся с соответствующими белками, называемыми апоферментами, и играющие рольактивного центра или простетической группы молекулы фермента.
Комплекс кофермента и апофермента образует целостную, биологически активную молекулу фермента.
Роль коферментов нередко играют витамины или их метаболиты (чаще всего — фосфорилированные формы витаминов группы B). Например, коферментом фермента карбоксилазы являетсятиаминпирофосфат, коферментом многих аминотрансфераз — пиридоксаль-6-фосфат.
В роли кофактора могут выступать витамины. Например, кофактором АлАТ и АсАТ является витамин В6. витамин В1 –входит в состав мультиферментного комплекса, таким образом участвует в реакции окислительного декарбоксилирования ПВК и альфакетоглутарата. Витамин РР входит в состав НАД – никотинамидалениндинуклеотида, а витамин В2 в состав ФМН – флавин6мононуклеотида.
78. Регуляция действия ферментов: 1) частичный протеолиз – пепсиноген в пепсин под действием HCl, трипсиноген в трипсин под действием энтерокиназы, химотрипсиноген в химотрипсин под действием трипсина 2) ковалентная модификация – фосфорилирование (присоединение остатка фосфорной кислоты) и дефосфорилирование – пример – 2 фосфорилаза Б не активная + 4 АТФ 1 фосфорилаза А – Рн + 4 АДФ. И может быть все наоборот. Гликогенсинтетаза активная + АТФ гликогенсинтетаза – Рн не активная + АДФ. Адреналин повышает уровень глюкозы в крови и активируется фосфорилаза и расщепляется гликоген.
79.Активаторы ферментов: ионы Ме с 19 по 30 в системе Менделеева, восстановленные формы соединений НАДН2 ФАДН2, аллостерические активаторы, гормоны – адреналин, инсулин.
Ингибирование ферментов: 1) обратимое: а) конкурентное – когда ингибитор похож на субстрат (аллопуринол) б) не конкурентное – аллостерическое (ретроингибирование) и уменьшение доли субстрата
2) необратимое: а) специфическая – СО на цитохромы б) не специфическая – денатурация при t 0 С.
80. Классификация ферментов 1961 год – 5 международный конгресс в Москве: 1) оксидоредуктазы (имеют 5 подклассов) в основе ОВР; 2) трансферазы –перенос амино и метильной групп; 3) гидролазы – все ферменты пищеварительного тракта; расщепление с участием воды; 4) лиазы – расщепление связей без участия воды; 5) изомеразы – превращение глюкозо6фосфат в фруктозо6фосфат — реакции изомеризации; 6) лигазы (синтетазы) – синтез органических веществ с затратой энергии распада АТФ.
КФ 1: Оксидоредуктазы, катализирующие окисление или восстановление. Пример: каталаза, алкогольдегидрогеназа
КФ 2: Трансферазы, катализирующие перенос химических групп с одной молекулы субстрата на другую. Среди трансфераз особо выделяют киназы, переносящие фосфатную группу, как правило, с молекулы АТФ.
КФ 3: Гидролазы, катализирующие гидролиз химических связей. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипаза
КФ 4: Лиазы, катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов.
КФ 5: Изомеразы, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата.
КФ 6: Лигазы, катализирующие образование химических связей между субстратами за счет гидролиза АТФ. Пример: ДНК-полимераза
81. Энергетический обмен, катаболизм, источники восстановленных эквивалентов. Совокупность окислительных реакций, происходящих в живых организмах и обеспечивающих их энергией и метаболитами, необходимыми для осуществления процессов жизнедеятельности, называется биологическим окислением. Функции биологического окисления: 1) энергетический обмен, поддержание t тела, мышечная активность, осмотическая работа, транспорт, биосинтез 2) окисление ксенобиотиков 3) окисление токсических продуктов обмена 4) синтез ключевых метаболитов. Основными источниками энергии для организма являются белки, липиды и углеводы, поступающие с пищей. Три стадии катаболизма: 1) специфическое превращение в мономеры – аминокислоты, моносахариды, глицерин, жирные кислоты. 2) образование унифицированных продуктов – ПВК и АцКоА (моносахариды через ПВК). 3) АцКоА в ЦТК образуется СО2, вода; 3НАДН, которые в дых цепи дают воду и 3 АТФ; ФАД Н2, который в дых цепи дает воду и 2 АТФ. Источники восстановленных эквивалентов это ЦТК, все окислительно-восстановительные реакции, бета-окисление жирных кислот. В дых цепь поступает 3НАДН и ФАДН2, они образуются в следующих реакциях: НАДФН+НАДНАДФ+НАДН (трансдегидрогеназа).
82.Митохондриальная цепь окисления водорода. трансмембранный электрохимический потенциал. Перенос 2х протонов из матрикса в межмембранное пространство сопряжен с образованием градиента концентраций протонов водорода (дельта МюН). Именно в этом месте возникает пункт сопряжения, окисления и фосфорилирования. Трансмембранный электрохимический потенциал – это разница протонов между матриксом и наружной частью. Образуется АТФ (АДФ+Фн) путем фосфорилирования с использованием энергии окисления водорода.
83. НАД-зависимые дегидрогеназы – это сложные ферменты, относящиеся к классу оксидоредуктаз и состоящие из белковой и небелковой части. Небелковая часть представлена коферментами НАД или НАДФ. НАД – никотинамидадениндинуклеотид, в его структуре два мононуклеотида, соединенные фосфоэфирной связью. В состав одного мононуклеотида входит амид никотиновой кислоты (витамин ниацин), рибоза и остаток фосфорной кислоты. Второй мононуклеотид представлен аденином, Д-рибозой и также остатком фосфорной кислоты. НАД-зависимые дегидрогеназы акцептируют от субстрата два атома водорода, первый присоединяется к НАД с образованием НАДН, второй выделяется в виде протона. Изоцитрат под действием изоцитратдегидрогеназы образуется альфа-кетоглуторат СО2 НАДН+Н + . Источники НАДН: изоцитратдегидрогеназа, малатдегидрогеназа, мультиферментный комплекс окислительного декарбоксилирования альфа-кетоглутората, бета-окисление жирных кислот.
84. Флавиновые ферменты – это сложные ферменты, состоящие из белковой и небелковой части, небелковой частью представлена простерическая группа ФМН – флавинмононуклеотид или ФАД – флавинадениндинуклеотид. ФМН состоит из витамина В2, пятиатомного спирта ретибола, остатка фосфорной кислоты; в структуре ФАД два мононуклеотида, соединенных фосфоэфирной связью. В состав одного мононуклеотида входит витамин В2, пятиатомный спирт ретибол, остаток фосфорной кислоты. Второй мононуклеотид представлен АМФ – Аденин, рибоза, остаток фосфорной кислоты.
85. Дыхательная цепь, железо-серопротеины, цитохромы. Железо-серопротеины относят к негемовым железопротеинам. Известно три вида FeS-белков: 1) один атом железа тетраэдрически связан с сульфгидрильными группами четырех остатков цистеина; 2) (Fe2S2) содержит 2 атома железа и 2 неорганических сульфида, присоединенных к четырем остаткам цистеина; 3) (Fе4S4) содержит четыре атома железа, четыре сульфгидридные группы и четыре остатка цистеина. Атом железа в этих комплексах может находиться в восстановленном (Fe ++ ) и окисленном (Fe +++ ) состояниях. НАДН-дегидрогеназа содержит второй и третий типы железо-серопротеинов. Цитохромы – это ферментные гемопротеины, транспортирующие только электроны. В качестве простетической группы они содержат гем. В дых цепи располагаются 5 цитохромов, отличающихся по строению простетических групп и имеющих разные спектры поглощения. В цитохроме b гем нековалентно связан с белковой частью, в то время как в цитохромах с и с1 – связь с белковой частью ковалентная. Цитохромы а и а3 имеют иную простетическую группу, называемую гемом-а. Она отличается от простетической группы цитохромов с и с1 наличием формильной группы вместо одной из метильных групп и углеводородной цепью вместо одного из остатков винила. В составе цитохромов а и а3 находятся два атома меди. Простетической группой цитохромов в, с1 и с служит протопорферин 1Х. Цитохром с имеет ковалентно связанный гем и выполняет челночные функции – передает электроны цитохрома с1 к цитохромоксидазе.
86. образование макроэргических связей в дыхательной цепи. Коэффициент Р/О. Разобщение дыхания и фосфорилирования в дыхательной цепи. Коэффициент Р/О – это количество АТФ, которое образовалось в дых цепи. Р/О может быть равно 3 или 2 АТФ. Три АТФ образуется при участии НАДН, две АТФ при участии ФАДН2. В окислительном фосфорилировании не образуется дельта МюН, т.к. есть вещества, которые принимают протоны на себя. В окислительном фосфорилировании не происходит образования АТФ и энергия выделяется в виде тепла.
87. Окислительное субстратное фосфорилирование в процессе биологического окисления. Образование АТФ в процессе метаболизма идет двумя путями – окислительного и субстратного фосфорилирования. Основными источниками поставляющими энергию являются: 1) дых цепь 2) ЦТК 3) гликолиз. Возникновение макроэргической связи в момент окисления субстрата с дальнейшей активацией неорганического фосфата и его переносом на АДФ с образованием АТФ называют субстратным фосфорилированием. В данном случае окисление субстрата связано с фосфорилированием АДФ. Примерами реакций субстратного фосфорилирования являются две реакции гликолиза – окисление 3-фосфоглицеринового альдегида в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту, и окисление 2-фосфоглицериновой кислоты в 2-фосфоэнолпировиноградную кислоту; а также одна реакция ЦТК — окисление сукцинил-КоА в янтарную кислоту.Основная масса АТФ образуется путем окислительного фосфорилирования. В процессе окислительного фосфорилирования окисляемый субстрат участия не принимает, а активирование неорганического фосфата сопряжено с переносом электронов и протонов водорода с коферментов дегидрогеназ (принимающих участие в окислении субстрата) к молекулярному кислороду. Сопряжение окисления с фосфорилированием АДФ и последующим образованием АТФ называют окислительным фосфорилированием. Процессы сопряжения окисления и фосфорилирования идут в дых цепи.
88. Образование СО2 в процессе биологического окисления. СО2 в организме образуется двумя путями – путем прямого и окислительного декарбоксилирования. Основная масса СО2 образуется в ЦТК. Первая молекула СО2 образуется путем прямого декарбоксилирования изоцитрата, при этом изоцитратдегидрогеназа обладает декарбоксилирующим эффектом. Вторая молекула СО2 путем окислительного декарбоксилирования альфа-кетоглутората. Одна молекула СО2 образуется в результате окислительного декарбоксилирования ПВК. Человек за сутки выделяет около 500 мл СО2.
89. Виды декарбоксилирования в ЦТК. В ЦТК есть только два типа декарбоксилирования – прямое и окислительное. 1) Прямое декарбоксилирование изоцитрата под действием изоцитратдегидрогеназы, которая обладает декарбоксилирующим эффектом, превращается в альфа-кетоглуторат и НАДН, который является источником водорода для дыхательной цепи, окисление которого приводит к образованию 3х АТФ и воды. Кроме того в этой реакции образуется СО2. 2) Окислительное декарбоксилирование альфа-кетоглутората происходит под действием альфа-кетоглуторатдегидрогеназного комплекса, который включает три фермента и пять кофакторов – ТДФНSКоА, НАД, ФАД, липоевая кислота. Продуктом реакции является образование макроэргического соединения – сукцинил-КоА. В результате этой реакции образуется еще одна молекула восстановительного эквивалента НАДН и СО2.
90. Микросомальное окисление также как митохондриальное, происходит в митохондриях. Но в микросомальном окислении кислород используется с пластической целью, он включается в субстрат. Примерами микросомального окисления являются – окисления ксенобиотиков, синтез стероидных гормонов, активных форм витаминов, жирных кислот, холестерина. Источником водорода в микросомальном окислении служит НАДФН. При микросомальном окислении энергии не образуется.
91. Пути использования, токсичность кислорода, механизмы защиты. 1) митохондриальные окисления – образование воды – оксидазный способ. 2) в микросомальным окислением с пластической целью – оксигеназный способ. 3) для образования Н2О2 – пероксидазный способ. Токсичность кислорода связано с тем, что в ходе окислительных реакций кислород может принимать дополнительный электрон и превращаться в супероксидный радикал (анион). Присоединение двух дополнительных электронов к супероксидному аниону (О2 — ) ведет к образованию пероксидных анионов (О2 -2 ). О2 — +е+2Н + Н2О2; О2 — е+О2. В результате реакции дисмутации, катализируемой супероксиддисмутазой (СОД), образуется перикись водорода: О2 — +О2 — +2Н + Н2О2+О2. Такие формы кислорода имеют высокую химическую активность, реагируют со многими веществами в организме, в том числе с нуклеиновыми кислотами, белками, липидами, оказывая повреждающее действие. Активные формы кислорода запускают цепные реакции перекисного окисления липидов. В процессе ПОЛ образуются органические перекиси. ПОЛ приводит к повреждающему воздействию мембран клеток. Активные формы кислорода образуются в организме и в реакциях неферментативного окисления ряда веществ. В связи с тем, что образование активных форм кислорода ведет к повреждающему эффекту, можно говорить о токсичности кислорода и механизмах защиты. Имеется два способа защиты: 1) ферментативные пути – активируют пероксидаза и каталаза. Пероксиды выступают в роли акцепторов водорода, донорами которых являются органические субстраты. 2Н2О22Н2О+О2 (катализирует каталаза). 2) неферментативные пути – используются препараты-ловушки активных форм О2 – витамин Е, К, различные хиноны.
Витамины и ферменты
Витамины – это довольно сложные органические вещества, которые содержатся в продуктах питания в достаточно малых количествах. Они не являются источником энергии, но очень необходимы для нормальной жизнедеятельности человеческого организма. Недостаточность определенного витамина приводит к системному нарушению обмена веществ; это состояние принято называть авитаминозом. Его можно прекратить, просто добавляя необходимый витамин в рацион.
Ферменты – это глобулярные белки, которые синтезируются живыми клетками. В каждой отдельной клетке есть сотни ферментов. Они помогают проводить биохимические реакции, действуя при этом как катализаторы. Без них в клетке реакции протекали бы очень медленно и не могли бы в полной мере поддерживать жизнь. Ферменты принято делить на анаболические (реакции синтеза), а также катаболические (реакции полного распада).
Говоря о биологической роли ферментов, стоит отметить, что ферменты играют самую важную роль во всех процессах жизнедеятельности, регулируя и направляя полный обмен веществ человеческого организма.
Существует тесная связь между ферментами и витаминами. Коферменты – это отдельные органические соединения абсолютно небелковой природы, которые принимают активное участие в проведении ферментативной реакции в качестве отдельных акцепторов отдельных атомов или же специализированных атомных групп, отщепляемых от молекулы субстрата непосредственно ферментом.
Интересно знать, что роль коферментов очень часто играют витамины или же их метаболиты (очень часто — фосфорилированные формы витаминов отдельной группы B). К примеру, коферментом фермента карбоксилазы является именно витамин тиаминпирофосфат, коферментом множества аминотрансфераз — исключительно пиридоксаль-6-фосфат. Как уже было сказано, коферменты являются производными витаминов, поэтому нарушение обмена веществ при витаминной недостаточности опосредовано через понижение активности определенных ферментов.
Каким является сочетание приема витаминов и ферментных препаратов? Для того, чтобы каким-то образом улучшить переносимость препаратов железа, а также существенно улучшить их всасывание за час до приема препаратов железа рекомендуют принимать Фестал, Панреатин и прочие ферментные препараты.
Хотя витамины не являются источником энергии, они необходимы для живого организма. Недостаток, какого – либо витамина в пище неблагоприятно отражается на общем состоянии организма и ведёт к заболеванию отдельных органов. Длительное отсутствие витаминов в пище приводит к характерным заболеваниям получивших название авитаминозов. Учёные выделяют две группы витаминов, которые получили название от своих химических свойств. Группа жирорастворимых витаминов обозначается буквами « A, D, E, K», а к водорастворимым относятся витамины группы «В». Жирорастворимые витамины. Витамин «А» Необходим для обеспечения процессов зрения, роста, а также нормального состояния кожных и слизистых покровов. Суточная потребность взрослого человека в витамине А составляет около 5000 интернациональных единиц (И. Е.), или 1,5миллиграма чистого витамина. Витамин А – сравнительно сложное органическое соединение, хорошо растворимое в жирах. Большое количество его содержится в жирах, которые добывают из печени трески, палтуса, морского окуня и других рыб. Витамин «D» Участвует в обмене кальция и фосфора и, прежде всего в обеспечении нормального отложения кальция в костях. Недостаточность витамина D в пище особенно отражается на здоровье ребёнка. Однако недостаточность витамина D влияет не только на отложение кальция в костях, но понижает скорость всасывания солей кальция и фосфора из кишечника в кровь и вызывает возникновения в организме глубоких расстройств фосфорнокальциевого обмена.Недостаток витамина D вызывает рахит. Избыток витамина D ускоряет развитие атеросклеротических процессов и вызывает отложение кальция в сосудах. Витамин «Е» Является мощным антиоксидантом, защитная мембрана клеток от окисления. Кроме этого, витамин Е предотвращает гемолиз и дегенеративные изменения в мышцах. Витамин «К» Необходим для синтеза некоторых факторов, которые участвуют в процессах свёртывания крови. Водорастворимым витамины. Витамин «В1» Принимает непосредственное участие в обмене углеводов и, в частности, в обмене пировиноградной кислоты, которая является основным промежуточным продуктом при окислении глюкозы. При недостаточности этого витамина в организме дальнейшее превращение пировиноградной кислоты затормаживается и в результате увеличивается её содержание в крови и тканях. Взрослый человек в среднем нуждается в 1,5 – 2,0 миллиграммах витамина В1 в день. Потребность в этом витамине меняется в зависимости от затрат энергии, характера питания и работы. Чем больше в пище углеводов, тем больше требуется витамина В1 . Если же в рационе увеличено количество жиров, то потребность организма в витамине В1 уменьшается. В среднем можно считать, что на каждые 1000 килокалорий расходуемой организмом энергии необходимо предусмотреть в рационе питания 0,5 миллиграмма витамина В1. Витамин «В2» Этот витамин принимает участие в процессах тканевого дыхания и, следовательно, способствует выработки энергии в организме. Особенно необходим витамин В2 детям в период их развития. Недостаточность витамина В2 в питании детей приводит к замедлению их роста и прибавления в весе. Потребность взрослого человека в витамине В2 – 2,5-3,5 миллиграмма в день. Потребность в этом витамине возрастает примерно на 1 миллиграмм у женщин во время беременности и в период кормления грудью. Витамин «РР» Или никотиновая кислота, необходим для обеспечения процессов биологического окисления в организме. С дефицитом ниацина связывают возникновение такой болезни, как пеллагра. Суточная дозировка никотинамида зависит от калорийности питания. Минимальная потребность в этом витамине составляет 6,6 миллиграмм на каждые 1000 килокалорий суточного рациона. Витамин «С» Ни об одном витамине не написано столько статей и книг, как о витамине С. Это и неудивительно, так как от недостатка его в пище в недавнем прошлом страдало огромное количество людей. Цинга – авитаминоз С – ещё в начале нашего столетия была бичом жителей Заполярья. Мы видели её вновь в некоторых районах в годы войны. Цинга страшна: воспалены и кровоточат дёсны, выпадают зубы, появляются кровоизлияния, слабость, резко падает сопротивляемость организма к различным инфекционным заболеваниям. Организм намного труднее переносит недостаточность витамина С при малом содержании белка в пище. Взрослый человек нуждается в 70-120 миллиграммах аскорбиновой кислоты в день. Витамин «В5» Необходим для преобразования холина в важнейший медиатор нервной системы – ацетилхолин. Суточная потребность в пантотеновой кислоте не установлена. Витамин «В6» (пиридоксин) Необходим для синтеза белка. Этот витамин участвует также в активизации гликоген-фосфорилазы – ключевого фермента метаболизма. Известно также, что недостаток витамина В6 приводит к нарушениям метаболизма триптофана. Обычно рекомендуемая ежедневная доза составляет 25-50 миллиграмм, однако некоторые специалисты рекомендуют меньшие дозировки – 0,03 миллиграмма на килограмм массы тела в день. Витамин «В12» Витамин В12 синтезируется не животными и растениями, а, скорее, микроорганизмами типа анаэробных бактерий. Однако недостаток кобаламина наблюдается крайне редко, так как этот витамин присутствует практически во всех животных тканях. Витамины группы В имеют одну особенность. Они усваиваются лучше при приёме их всех вместе. Специалисты рекомендуют принимать витамины В-комплекса три раза в день с пищей по 25-30 миллиграмм. Гиповитаминоз Гиповитаминозы возникают при нарушении нормального функционирования печени, кишечника и других органов. Длительное неоправданное применение антибактериальных средств (антибиотиков, сульфамидных препаратов и др.) вызывает обычно резкие изменения кишечной микрофлоры и может быть причиной возникновения своеобразных гиповитаминозных состояний, например гиповитаминоза К, характеризуется повышенной кровоточивостью. Другой причиной возникновения гиповитаминозов при достаточном содержании витаминов в пище могут быть расстройства процессов переваривания и всасывания жиров, в частности при уменьшении поступления в кишечник желчи. При заболеваниях печени могут возникнуть значительные нарушения в снабжении организма жирорастворимыми витаминами А, D, К. Заболевания печени могут быть также причиной нарушения обмена витаминов В1, РР и др.
Витамины, растворимые в жирах 1. Витамин А (антиксерофтальмический); ретинол 2. Витамин D (антирахитический); кальциферолы 3. Витамин Е (антистерильный, витамин размножения); токоферолы 4. Витамин К (антигеморрагический); нафтохиноны Витамины, растворимые в воде 1. Витамин B1(антиневритный); тиамин 2. Витамин В2 (витамин роста); рибофлавин 3. Витамин В6 (антидерматитный, адермин); пиридоксин 4. Витамин B12(антианемический); цианкобаламин; кобаламин 5. Витамин РР (антипеллагрический, ниацин); никотинамид 6. Витамин Вc (антианемический); фолиевая кислота 7. Витамин В3 (антидерматитный); пантотеновая кислота 8. Витамин Н (антисеборейный, фактор роста бактерий, дрожжей и грибков); биотин 9. Витамин С (антискорбутный); аскорбиновая кислота 10. Витамин Р (капилляроукрепляющий, витамин проницаемости); биофлаво-ноиды 
Установлено, что окисление жирных кислот протекает в печени, почках, скелетных и сердечной мышцах, в жировой ткани. В мозговой ткани скорость окисления жирных кислот весьма незначительна; основным источником энергии в мозговой ткани служит глюкоза. В 1904 г. Ф. Кнооп (F. Knoop) выдвинул гипотезу β-окисления жирных кислот на основании опытов по скармливанию собакам различных жирных кислот, в которых один атом водорода в концевой метильной группе (ω-углеродного атома) был замещен радикалом (С6Н5–). Ф. Кнооп высказал предположение, что окисление молекулы жирной кислоты в тканях организма происходит в β-положении. В результате от молекулы жирной кислоты последовательно отщепляются двууглеродные фрагменты со стороны карбоксильной группы. Жирные кислоты, входящие в состав естественных жиров животных и растений, имеют четное число углеродных атомов. Любая такая кислота, от которой отщепляется по паре углеродных атомов, в конце концов проходит через стадию масляной кислоты. После очередного β-окисления масляная кислота становится ацетоуксусной. Последняя затем гидроли-зуется до двух молекул уксусной кислоты. Теория β-окисления жирных кислот, предложенная Ф. Кноопом, в значительной мере послужила основой современных представлений о механизме окисления жирных кислот. Доставка жирных кислот к месту их окисления – к митохондриям – происходит сложным путем: при участии альбумина осуществляется транспорт жирной кислоты в клетку; при участии специальных белков (fatty acid binding proteins, FABP) – транспорт в пределах цитозоля; при участии карнитина – транспорт жирной кислоты из цитозоля в митохондрии. Процесс окисления жирных кислот складывается из следующих основных этапов. Активация жирных кислот. Свободная жирная кислота независимо от длины углеводородной цепи является метаболически инертной и не может подвергаться никаким биохимическим превращениям, в том числе окислению, пока не будет активирована. Активация жирной кислоты протекает на наружной поверхности мембраны митохондрий при участии АТФ, коэнзима A (HS-KoA) и ионов Mg2+. Реакция катализируется ферментом ацил-КоА-синтетазой: В результате реакции образуется ацил-КоА, являющийся активной формой жирной кислоты. Считают, что активация жирной кислоты протекает в 2 этапа. Сначала жирная кислота реагирует с АТФ с образованием ациладенилата, представляющим собой эфир жирной кислоты и АМФ. Далее сульфгидрильная группа КоА действует на прочно связанный с ферментом ациладенилат с образованием ацил-КоА и АМФ. Транспорт жирных кислот внутрь митохондрий. Коэнзимная форма жирной кислоты, в равной мере как и свободные жирные кислоты, не обладает способностью проникать внутрь митохондрий, где, собственно, и протекает их окисление. Переносчиком активированных жирных кислот с длинной цепью через внутреннюю митохондриальную мембрану служит карнитин. Ацильная группа переносится с атома серы КоА на гидроксильную группу карнитина с образованием ацилкарнитина, который диффундирует через внутреннюю митохондриальную мембрану: Реакция протекает при участии специфического цитоплазматического фермента карнитин-ацилтрансферазы. Уже на той стороне мембраны, которая обращена к матриксу, ацильная группа переносится обратно на КоА, что термодинамически выгодно, поскольку О-ацильная связь в кар-нитине обладает высоким потенциалом переноса группы. Иными словами, после прохождения ацилкарнитина через мембрану митохондрий происходит обратная реакция – расщепление ацилкарнитина при участии HS-KoA и митохондриальной карнитин-ацилтрансферазы: Внутримитохондриальное окисление жирных кислот. Процесс окисления жирной кислоты в митохондриях клетки включает несколько последовательных энзиматических реакций. Первая стадия дегидрирования. Ацил-КоА в митохондриях прежде всего подвергается ферментативному дегидрированию, при этом ацил-КоА теряет 2 атома водорода в α- и β-положениях, превращаясь в КоА-эфир ненасыщенной кислоты. Таким образом, первой реакцией в каждом цикле распада ацил-КоА является его окисление ацил-КоА-де-гидрогеназой, приводящее к образованию еноил-КоА с двойной связью между С-2 и С-3: Существует несколько ФАД-содержащих ацил-КоА-дегидрогеназ, каждая из которых обладает специфичностью по отношению к ацил-КоА с определенной длиной углеродной цепи. Стадия гидратации. Ненасыщенный ацил-КоА (еноил-КоА) при участии фермента еноил-КоА-гидратазы присоединяет молекулу воды. В результате образуется β-оксиацил-КоА (или 3-гидроксиацил-КоА): Заметим, что гидратация еноил-КоА стереоспецифична, подобно гидратации фумарата и аконитата (см. с. 348). В результате гидратации транс-Δ2-двойной связи образуется только L-изомер 3-гидроксиацил-КоА. Вторая стадия дегидрирования. Образовавшийся β-оксиацил-КоА (3-гидроксиацил-КоА) затем дегидрируется. Эту реакцию катализируют НАД+-зависимые дегидрогеназы: Тиолазная реакция. В ходе предыдущих реакций происходило окисление метиленовой группы при С-3 в оксогруппу. Тиолазная реакция представляет собой расщепление 3-оксоацил-КоА с помощью тиоловой группы второй молекулы КоА. В результате образуется укороченный на два углеродных атома ацил-КоА и двууглеродный фрагмент в виде ацетил-КоА. Данная реакция катализируется ацетил-КоА-ацилтрансферазой (β-ке-тотиолазой): Образовавшийся ацетил-КоА подвергается окислению в цикле трикар-боновых кислот, а ацил-КоА, укоротившийся на два углеродных атома, снова многократно проходит весь путь β-окисления вплоть до образования бутирил-КоА (4-углеродное соединение), который в свою очередь окисляется до 2 молекул ацетил-КоА (рис. 11.2). Например, при окислении пальмитиновой кислоты (С16) повторяется 7 циклов β-окисления. Запомним, что при окислении жирной кислоты, содержащей п углеродных Рис. 11.2. Окисление жирной кислоты («спираль Линена»). Подробно представлен первый цикл окисления — укорочение цепи жирной кислоты на два углеродных атома. Остальные циклы аналогичны первому (по А.Н. Климову и Н.Г. Никульче-вой). 1 — ацил-КоА-дегидрогеназа (КФ 1.3.99.3) ; 2 — еноил-КоА-гидратаза (КФ 4.2.1.17.); 3 — β-гидро-ксиацил-КоА-дегидрогеназа (КФ 1.1.1.35); 4 — тиолаза (КФ 2.3.1.9). атомов, происходит n/2–1 цикл β-окисления (т.е. на один цикл меньше, чем n/2, так как при окислении бутирил-КоА сразу происходит образование 2 молекул ацетил-КоА) и всего получится п/2 молекул ацетил-КоА. Следовательно, суммарное уравнение β-окисления активированной кислоты можно записать так: Пальмитоил-КоА + 7ФАД + 7НАД+ + 7Н2O + 7HS-KoA –> –> 8Ацетил-КоА + 7ФАДН2 + 7НАДН + 7Н+. Баланс энергии. При каждом цикле β-окисления образуются одна молекула ФАДН2 и одна молекула НАДН. Последние в процессе окисления в дыхательной цепи и сопряженного с ним фосфорилирования дают: ФАДН2 – 2 молекулы АТФ и НАДН – 3 молекулы АТФ, т.е. в сумме за один цикл образуется 5 молекул АТФ. При окислении пальмитиновой кислоты образуется 5 х 7 = 35 молекул АТФ. В процессе β-окисления пальмитиновой кислоты образуется 8 молекул ацетил-КоА, каждая из которых, «сгорая» в цикле трикарбоновых кислот, дает 12 молекул АТФ, а 8 молекул ацетил-КоА дадут 12 х 8 = 96 молекул АТФ. Таким образом, всего при полном β-окислении пальмитиновой кислоты образуется 35 + 96 = 131 молекула АТФ. С учетом одной молекулы АТФ, потраченной в самом начале на образование активной формы пальмитиновой кислоты (пальмитоил-КоА), общий энергетический выход при полном окислении одной молекулы пальмитиновой кислоты в условиях животного организма составит 131 – 1 = 130 молекул АТФ. Изменение свободной энергии ΔF при полном сгорании 1 моля пальмитиновой кислоты составляет 2338 ккал, а богатая энергией фосфатная связь АТФ характеризуется величиной 7,6 ккал/моль. Нетрудно подсчитать, что примерно 990 ккал (7,6 х 130), или 42% от всей потенциальной энергии пальмитиновой кислоты при ее окислении в организме, используется для ресинтеза АТФ, а оставшаяся часть, очевидно, теряется в виде тепла. Следовательно, эффективность накопления энергии в результате окисления жирных кислот при стандартных условиях составляет
40%, что близко к соответствующей величине для гликолиза, цикла трикарбоновых кислот и окислительного фосфорилирования.
24. Окисление пирувата до ацетил-КоА происходит при участии ряда ферментов и коферментов, объединенных структурно в мультиферментную систему, получившую название «пируватдегидрогеназный комплекс». На I стадии этого процесса пируват (рис. 10.8) теряет свою карбоксильную группу в результате взаимодействия с тиаминпирофосфатом (ТПФ) в составе активного центра фермента пируватдегидрогеназы (E1). На II стадии оксиэтильная группа комплекса E1–ТПФ–СНОН–СН3 окисляется с образованием ацетильной группы, которая одновременно переносится на амид липоевой кислоты (кофермент), связанной с ферментом дигидроли-поилацетилтрансферазой (Е2). Этот фермент катализирует III стадию – перенос ацетильной группы на коэнзим КоА (HS-KoA) с образованием конечного продукта ацетил-КоА, который является высокоэнергетическим (макроэргическим) соединением. На IV стадии регенерируется окисленная форма липоамида из восстановленного комплекса дигидролипоамид–Е2. При участии фермента дигидролипоилдегидрогеназы (Е3) осуществляется перенос атомов водорода от восстановленных сульфгидрильных групп дигидролипоамида на ФАД, который выполняет роль простетической группы данного фермента и прочно с ним связан. На V стадии восстановленный ФАДН2 дигидро-липоилдегидрогеназы передает водород на кофермент НАД с образованием НАДН + Н+. Процесс окислительного декарбоксилирования пирувата происходит в матриксе митохондрий. В нем принимают участие (в составе сложного мультиферментного комплекса) 3 фермента (пируватдегидрогеназа, ди-гидролипоилацетилтрансфераза, дигидролипоилдегидрогеназа) и 5 кофер-ментов (ТПФ, амид липоевой кислоты, коэнзим А, ФАД и НАД), из которых три относительно прочно связаны с ферментами (ТПФ-E1, ли-поамид-Е2 и ФАД-Е3), а два – легко диссоциируют (HS-KoA и НАД). Рис. 10.8. Механизм действия пируватдегидрогеназного комплекса. Е1 — пируватдегидрогеназа; Е2 — ди-гидролипоилацетилтрансфсраза; Е3 -дигидролипоилдегидрогеназа; цифры в кружках обозначают стадии процесса. Все эти ферменты, имеющие субъединичное строение, и коферменты организованы в единый комплекс. Поэтому промежуточные продукты способны быстро взаимодействовать друг с другом. Показано, что составляющие комплекс полипептидные цепи субъединиц дигидролипоил-ацетилтрансферазы составляют как бы ядро комплекса, вокруг которого расположены пируватдегидрогеназа и дигидролипоилдегидрогеназа. Принято считать, что нативный ферментный комплекс образуется путем самосборки. Суммарную реакцию, катализируемую пируватдегидрогеназным комплексом, можно представить следующим образом: Пируват + НАД+ + HS-KoA –> Ацетил-КоА + НАДН + Н+ + СO2. Реакция сопровождается значительным уменьшением стандартной свободной энергии и практически необратима. Образовавшийся в процессе окислительного декарбоксилирования аце-тил-КоА подвергается дальнейшему окислению с образованием СО2 и Н2О. Полное окисление ацетил-КоА происходит в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Этот процесс, так же как окислительное декарбо-ксилирование пирувата, происходит в митохондриях клеток.
Свободное окисление. Одна из задач свободного (несопряженного) окисления – превращения природных или неприродных субстратов, называемых в этом случае ксенобиотиками (ксено – несовместимый, биос – жизнь). Они осуществляются ферментами диоксигеназами и монооксигеназами. Окисление протекает при участии специализированных цитохромов, локализованных чаще всего в эндоплазматическом ретикулуме, поэтому иногда этот процесс называют микросомальным окислением [Арчаков А.И., 1975]. В реакциях свободного окисления участвуют также кислород и восстановленные дыхательные переносчики (чаще всего НАДФН). Акцептором электронов является цитохром Р-450 (иногда цитохром b5). Окисление субстрата протекает по следующей схеме: SH + O2–> SOH. (5) Функции пероксисом. Пероксисомы (наряду с митохондриями) — главный центр утилизации кислорода в клетке. В результате окисления аминокислот, углеводов и других соединений в клетках образуется сильный окислитель — перекись водорода (Н202), которая далее благодаря действию каталазы пероксисом распадается с вьщелением кислорода и воды. Пероксисомы защищают клетку от действия перекиси водорода, оказывающей сильный повреждающий эффект. Крупные пероксисомы печени и почек играют важную роль в обезвреживании ряда веществ. Например, в них окисляется около 50% поглощенного этилового спирта. Помимо реакций детоксикации, ферменты пероксисом катализируют расщепление жирных кислот, участвуют в ряде катаболических и анаболических реакций, в частности, в обмене аминокислот, оксалата и полиаминов. Некоторые из этих реакций протекают исключительно в пероксисомах, отчего их повреждение может привести к серьезным обменным нарушениям.
Каталаза использует H2O2, образованную другими ферментами в пероксисоме, для окисления множества субстратов — например, фенолов, мурвьиной кислоты, формальдегида и спирта — с помощью «окислительной реакции»:
Этот тип окислительных реакций особенно важен в клетках печени и почек , пероксисомы которых обезвреживают множество ядовитых веществ , попадающих в кровоток.
Процесс тканевого дыхания обеспечивается содержащимся во всех без исключения клетках организма набором ферментов, составляющих дыхательную цепь ферментов. Начало процесса окисления осуществляется ферментами, непосредственно реагирующими с субстратом и получившими название дегидрогеназ. Субстратом может быть любое из окисляющихся в тканях органических соединений (углеводы, жиры, белки и различные промежуточные продукты, их расщепления). Окисляемый субстрат (суб. Нг) при участии различных специфических (реагирующих лишь с определенным субстратом) дегидрогеназ подвергается окислению (дегидрированию): соответственно величине их окислительно-восстановительного потенциала (см. общую схему цепи дыхательных ферментов). Из всех цитохромов только цитохром а3 способен передавать свои электроны на кислород, восстанавливая его, в связи с этим он получил название цитохромоксидазы — фермента, непосредственно реагирующего с молекулярным кислородом. Суммируя все реакции цепи дыхательных ферментов, опустив при этом промежуточные переносчики протонов и электронов, получим Создается впечатление, что кислород присоединяется прямо к субстрату. К такому написанию часто прибегают для обозначения процесса окисления в сокращенном виде, но это справедливо лишь по валовому результату, в действительности же механизм этого процесса, как мы в этом убедились, совсем иной. Дыхательная цепь ферментов может и удлиняться, и укорачиваться. Некоторые ферменты, например флавиновые, способны взаимодействовать с субстратом, минуя зависимые дегидрогеназы, и цепь окисления такого субстрата будет короче. Количество функционирующих в цепи цитохромов может изменяться, отчего длина цепи дыхательных ферментов также будет различной. Но, как бы то ни было, перенос электронов в цепи дыхательных ферментов всегда является процессом многоступенчатым. Это, по-видимому, следует расценивать как одно из важнейших эволюционных приобретений живых организмов. Проходя через длинную цепь дыхательных ферментов, электроны отдают свою энергию постепенно. При этом энергия выделяется не одномоментно, как это имеет место при окислении (горении) на воздухе, а небольшими порциями, что создает благоприятные возможности для высокой степени ее аккумуляции. Значительная часть энергии, освобождаемой электронами, запасается в форме энергии фосфатных связей АТФ (см. раздел 5.2), которая образуется в реакции фосфорилирования — в результате присоединения неорганического фосфата к АДФ (АДФ): энергия окисления. Поскольку фосфорилирование непосредственно связано с окислением, этот процесс называют окислительным фосфорилированием, или сопряженным с окислением фосфорилированием. Как видно из рисунка, перенос одной пары электронов к молекулярному кислороду сопровождается выделением 212 кДж. Установлено, что на одну концевую макроэргическую связь АТФ приходится 29 кДж. Таким образом, общий энергетический перепад в цепи дыхательных ферментов достаточен для образования нескольких молекул АТФ. Оказалось, что в дыхательной цепи имеется три участка с энергетическим перепадом, достаточным для обеспечения сопряженного с окислением образования АТФ из АДФ и Н3Р04. Следовательно, окисление всех проходящих черед НАД субстратов сопровождается образованием трех молекул АТФ на каждую пару электронов, переносимых от НАДН2 к кислороду. Исходя из этого можно легко подсчитать общий энергетический выход (в молекулах АТФ) любого окисляемого субстрата. Степень сопряжения, как и длина дыхательной цепи, однако, может варьировать, и образование трех молекул АТФ следует принимать как оптимальный вариант. Более того, с помощью некоторых веществ (разобщающих агентов) удается, не подавляя дыхания, блокировать фосфорилирование. Таким образом, окисление и фосфорилирование — два взаимосвязанных, способных к сопряжению и разобщению процесса. Однако если элементы дыхательной цепи в настоящее время изучены достаточно полно, то о факторах фосфорилиро-вания известно еще мало. Вместе с тем имеющиеся данные о степени сопряжения окисления с фосфорилированием дают возможность получить представление об эффективности биологических механизмов извлечения энергии. Форум об ортопедических матрасах. Живые организмы не способны выполнять работу за счет тепловой энергии, поскольку у них нет достаточного температурного перепада, за счет которого удалось бы получить энергетический выход. Живые организмы используют энергию химических связей окисляемых субстратов, частично переводя ее в энергию химических же связей специализированных молекул (АТФ и др.). Далее только такого типа энергия (запасенная в макроэргических соединениях) используется организмами для выполнения свойственной им работы. Вычислив величину химической энергии, запасаемой в макроэргических фосфатных связях АТФ в результате сопряженного с окислением фосфорилирования, можно определить долю той энергии, которая может быть использована организмом для выполнения различного рода работ. Она превышает 40% и, таким образом, оказывается значительно выше к. п. д. современных тепловых машин. Столь высокая эффективность функционирования живых систем обусловлена тем, что химическая энергия, запасаемая ими в виде АТФ и других макроэргических соединений, используется для выполнения различных видов работ прямо, без промежуточного выделения теплоты. Та же часть энергии, которая не аккумулируется в макроэргических фосфатных связях, а рассеивается в виде тепла, тоже частично используется организмом, в частности для поддержания постоянства температуры тела. Окисление субстратов, как отмечалось выше, происходит в клетках тканей (тканевое дыхание). В свою очередь каждая клетка содержит большое количество специальных органоидов — митохондрий, в которых непосредственно и происходит окислительное фосфорилирование — образование макроэргов, потому митохондрии иногда образно называют «фабриками энергии». Дыхательная цепь и факторы сопряжения расположены во внутренней мембране митохондрий. Они как бы вмонтированы в мембрану, образуя дыхательные ансамбли — многократно повторяющиеся вдоль внутренней мембраны цепочки дыхательных цепей ферментов и факторов сопряжения. Внутренняя мембрана образует многочисленные выпячивания внутрь митохондрии; чем больше крист в митохондрии, тем больше поверхность внутренней мембраны митохондрии, и, следовательно, тем большее число дыхательных ансамблей может быть в ней расположено. Клетки тканей, отличающихся высокой интенсивностью дыхания, содержат и большее число (до десятков тысяч) митохондрий, и внутренние мембраны этих митохондрий, кроме того, отличаются большой складчатостью— большим количеством кристаллов.
Спиртовое брожение — химическая реакция брожения, осуществляемая дрожжами, в результате которой одна молекула глюкозы преобразуется в 2 молекулы этанола и в 2 молекулы углекислого газа.
Реакция спиртового брожения подобна гликолизу. Расхождение начинается только после образования пирувата. Конечный этап гликолиза заменяется двумя ферментативными реакциями. Сначала пируват подвергаетсядекарбоксилированию, продуктом которого является ацетальдегид. Данная реакция происходит при участии пируватдекарбоксилазы, ТПФ и ионов магния.
После ацетальдегид восстанавливается водородом, который отщепляется от кофермента NADH. При этом ацетальдегид восстанавливается до этанола. Собственно, цель спиртового брожения — это окисление NADH, чтобы он мог снова принять участие в гликолизе. Катализатором является алкогольдегидрогеназа.
Таким образом, продуктами спиртового брожения являются этанол и 
, а не молочная кислота, как вмолочнокислом брожении.
В результате получается реакция:
Спиртовое брожение сопровождается запасанием энергии в виде АТФ. Суммарно реакцию можно записать так:
При введении специфических ингибиторов формы брожения спиртового изменяются.