химический каталог




Химия биологически активных природных соединений

Автор Н.А.Преображенский, Р.П.Евстигнеева

кальциевый насос» мембраны). Поставщиками АТФ в мышечных клетках служат как гликолиз, так и дыхание. Однако при нарушении этих процессов мышца (скелетная мышца позвоночных животных) при стимуляции продолжает сокращаться благодаря тому, что в ней содержится богатое энергией вещество — креатинфосфат (см. стр. 416), концентрация которого более чем в 4 раза превышает концентрацию АТФ. В мышце идет реакция:

Креатинфосфат + АДФ < > Креатин + АТФ

Концевая фосфатная группа АТФ при сокращении мышцы отщепляется и вновь присоединяется к креатинфосфату. При максимальной активности мышц запасы энергии креатинфосфата истощаются. Быстрый гидролиз АТФ при сокращении увеличивает концентрацию АДФ, стимулирующую перенос электронов в дыхательной цепи. Часть АДФ превращается в АМФ

2АДФ ¦<—ъ АТФ + АМФ который стимулирует гликолиз.

430

Чтобы познакомиться с превращением химической энергии АТФ в осмотическую работу клеточных мембран, рассмотрим активный транспорт через мембрану [3, 8, 14]. Клеточная мембрана непроницаема для большинства полярных молекул. Для клеток характерно наличие специфических систем переноса, обеспечивающих проникновение некоторых типов веществ через мембрану. Перемещение веществ через мембрану с помощью специальных систем называют опосредованным переносом. Как правило, вещества транспортируются через мембрану по градиенту концентрации (т. е. в сторону более низкой концентрации), это — пассивный перенос (например, перенос глюкозы в эритроцитах). Наиболее важен для клетки перенос против градиента концентрации, т. е. в направлении более высокой концентрации (активный перенос). Рассмотрим некоторые термодинамические основы активного переноса, а именно, какое количество энергии обеспечивает перенос растворенных веществ против градиента концентрации.

Увеличение концентрации сопровождается уменьшением энтропии (распределение молекул становится менее хаотичным), что, как известно, не может протекать самопроизвольно (см. стр. 407). Однако активный перенос растворенных веществ возможен, если он сопряжен с другой реакцией, идущей с уменьшением свободной энергии, например с гидролизом АТФ, но при этом должен существовать механизм, обеспечивающий передачу свободной энергии гидролиза АТФ процессу переноса вещества. Сложнее, если растворенное вещество заряжено. Уравнение, описывающее изменение свободной энергии в процессе переноса такого вещества, зависит от градиента концентраций и градиента электрического заряда (или потенциала):

AG = RT\n(Ci/C1) + zFAxV .

где С4 — низкая концентрация вещества, Сг — высокая концентрация вещества, zFAW— изменение свободной энергии за счет перемещения электрического заряда (z — заряд растворенной молекулы, F — число Фарадея, AW — трансмембранный потенциал).

При подсчете суммарной эффективности механизмов активного переноса через мембрану, составляющей всего 10—20% от теоретически возможного, следует указать, что на точность расчета влияет сложность определения трансмембранного потенциала. Кроме того, надо учитывать, что значительная часть свободной энергии теряется при переходе транспортируемого вещества в направлении градиента концентрации.

В основе представления об активном транспорте через мембрану лежит тот факт, что удаление какого-то одного вещества из клетки является движущей силой активного переноса других веществ. Так, активный перенос ионов Na+ из клетки («натриевый насос») приводит к образованию градиента концентрации этих ионов, направленного внутрь клетки, который и обусловливает активный перенос ионов калия, глюкозы и аминокислот внутрь клетки. Если удаление ионов Na+ из клетки не компенсируется поступлением внутрь других ионов, по-видимому, происходит возникновение градиента электрического потенциала («электрогенный насос»). Предполагают, что этот тип натриевого насоса является первичным механизмом при возникновении трансмембранного потенциала в мышечных клетках (обеспечение действия «кальциевого насоса») (см. стр. 430). Необходимо отметить, что все системы переноса через мембрану работают за счет энергии АТФ или других носителей энергии.

431

Одной из самых распространенных систем переноса у высших клеток является (Na++К+)-АТФ-аза. Перенос идет в две стадии. На первой стадии наблюдается фосфорилирование фермента за счет АТФ и связывание внутриклеточного Na+ (ингибитор Са2+). На второй стадии (стимулятор К+) происходит гидролиз фосфорилированного фермента и освобождение ионов Na+ снаружи мембраны.

Необходимо отметить, что «натриевые насосы» как системы активного транспорта характерны для структурных мембран клетки, первыми принимающими на себя воздействие внешней среды и не требующими для функционирования высокого электрического сопротивления. Иначе обстоит дело с сопрягающими мембранами, выполняющими главную функцию — аккумулирование энергии — и требующими высокого электрического сопротивления [15, 33]. В этом случае действуют протонные насосы, которые служат главными узлами механизма сопряжения процессов окисления и фосфорилирования при генерации мембранного потенциала дыхательной цепью и АТФ-азой. При этом одна система разделяет водород на Н+ и I, а вторая — молекулу НгО, гидролизующей АТФ, на Н+ и НО-.

Следует также отметить, что трансформируемая мембранами при переносе электронов и гидролизе АТФ энергия может полностью рассеиваться в виде тепла. Считают, что в клетках существуют механизмы, функции которых сводятся к освобождению энергии в виде тепла (свободное окисление) f 14].

РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА В КЛЕТКЕ

В живом организме множество различных химических процессов протекает согласованно благодаря наличию сложнейшей саморегулирующейся системы, которая обеспечивает необходимую сопряженность процессов обмена веществ и заставляет клетку функционировать с максимальной эффективностью.

В настоящее время практически невозможно представить, каким образом в целом организме или даже в отдельных клетках происходит тонкое согласование, саморегуляция всех протекающих процессов обмена веществ.

Регуляторные механизмы, по-видимому, действуют как в пределах одной клетки, так и между клетками, далеко отстоящими друг от друга. В отличие от низших форм высокоорганизованные организмы обладают дополнительными регуляторными механизмами — нервной и гормональной системами.

Известно, что химические реакции, протекающие в клетке, катализируются ферментами, поэтому предполагают, что регуляция в животном организме возможна на уровне непосредственного влияния различных факторов на скорость ферментативных реакций и биосинтез ферментов. Различают два основных типа регуляции клеточного обмена:

1) регуляция активности ферментов непосредственно при их участии в ферментативной реакции (ингибирование или активирование ферментативной активности);

2) регуляция биосинтеза ферментов (индукция или репрессия процесса биосинтеза белков-ферментов), осуществляемая на генетическом и рибосомальном уровнях.

432

Эти два типа регуляции связаны между собой и являются частью общей системы. Изменение активности ферментов приводит к более быстрой и чувствительной регуляции, чем в случае изменения количества ферментов.

Под системой регулирования метаболической цепи понимают те дополнительные взаимодействия, которые связывают воедино ферменты метаболической цепи и координируют их работу. Эта система функционирует таким образом, что управляемый цикл ферментативных реакций сохраняет состояние устойчивого равновесия при разнообразных воздействиях и непрерывно поддерживает концентрацию промежуточных и конечных продуктов этих реакций на «определенном» уровне. Как правило, это достигается за счет синхронизации скоростей превращения и синтеза ¦метаболита.

Синтез любого вещества в организме является многостадийным процессом и осуществляется с помощью полиферментных систем, в каждую из которых входит ряд ферментов и коферментов, катализирующих отдельные реакции в цепи превращений. Действие каждого фермента строго координировано с действием других ферментов, причем продукт одной реакции является субстратом следующей за ней ферментативной реакции.

В некоторых полиферментных системах ферменты действуют независимо друг от друга (ферменты цитоплазмы). В этом случае субстраты переходят от одного фермента к другому благодаря высокой степени специфичности фермента к определенному субстрату.

Регулирование и координация каталитического действия отдельных ферментов в многостадийных процессах может осуществляться также путем образования полиферментных систем, в которых ферменты ассоциированы друг с другом и функционируют совместно в форме ферментных комплексов. Такие комплексы с трудом распадаются на отдельные ферменты, причем после диссоциации становятся неактивными. Примером такой сложной мультиферментной системы может служить дрожжевая синтетаза, катализирующая синтез высших жирных кислот. Она представляет собой комплекс, состоящий из семи различных ферментов.

Существуют и более высокоорганизованные ферментные системы, которые связаны с надмолекулярными структурами — мембранами и рибосомами. Так, оксидоредуктазы дыхательной цепи, в которой происходят процессы переноса водорода и электронов от промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот к молекулярному кислороду, связаны с внутренней мембраной митохондрий и являются частью ее структуры [3].

Скорость многостадийного процесса, протекающего в полиферментной системе, зависит от концентрации промежуточных продуктов, а также от концентрации соответствующего фермента л кофактора. Скорость каждой стадии определяется стационарной концентрацией данного промежуточного продукта, а также концентрацией соответствующего фермента. Стационарная концентрация всех промежуточных продуктов, а также кофакторов определяется соотношением скоростей их образования и потребления и зависит не только от активности одной какой-то ферментативной системы, но и от скоростей других ферментативных реакций, в которых эти соединения используются.

В метаболических последовательностях существует какая-то одна реакция, скорость которой определяет скорость всей системы, причем ли-

433

митирующим фактором может быть либо концентрация фермента, либо концентрация субстрата.

На активность ферментов в организме, а следовательно на скорость ферментативной реакции, влияет ряд факторов: сродство к субстрату, константа Михаэлиса, температура, рН среды, концентрация субстрата и различных кофакторов, необходимых для действия ферментов, наличие активаторов и ингибиторов.

Особую роль в регулировании активности ферментов играют коферменты. Так, некоторые дегидрогеназы обладают различным сродством к окисленным и восстановленным формам коферментов. Кроме того, одни и те же коферменты могут как активировать ферменты внутри одной цепи, так и функционировать между различными цепями реакций. Так, взаимосвязь между циклами Кребса, окисления жирных кислот и других происходит не только через промежуточные метаболиты, но и за счет общих коферментов — НАД, НАДФ, KoA-SH, ФАД и др. Перечисленные кофакторы находятся в клетке в значительно меньшем количестве, чем это необходимо для ферментативных реакций, в которых они участвуют. Эти коферменты связывают различные циклы между собой и приводят к взаимодействию, основанному на конкуренции за коферменты.

В случае отсутствия в организме достаточного количества коферментов и кофакторов активность ферментов снижается. Известно, что синтез коферментов осуществляется в организме человека и животных на основе поступающих в него витаминов. И в том случае, если в пище отсутствует этот существенный компонент, кофермент не образуется и апофермент остается каталитически неактивным, что в свою очередь приводит к паталогическим изменениям (авитаминозам и гиповитамино-зам). При добавлении в пищу соответствующих витаминов происходит превращение их в коферменты и восстановление нарушенных ферментативных процессов. По-видимому, лечебное действие витаминов основано на регулировании активности соответствующих ферментов в животном организме.

Активность фермента зависит от концентрации субстрата, участвующего в ферментативной реакции. При стационарном состоянии реакции субстрат поступает с такой же скоростью, с какой он используется в реакции. Повышение концентрации субстрата вызывает ускорение реакции до нового стационарного состояния, где новая скорость реакции соответствует новой концентрации субстрата.

Известны полиферментные системы, в которых скорость ферментативных реакций регулируется концентрацией конечного продукта в цепи последовательных превращений. В основе этого вида регуляции лежит ингибирование (или активация) ферментов первой стадии биосинтеза конечными продуктами реакции, называемое ингибиро-ванием (или активацией) по типу обратной связи. Ингибиторы и активаторы, действующие по принципу обратной связи, называются эффекторами.

Метаболит может ингибировать или активировать фермент по пути конкурентного или аллостерического взаимодействия. Регулирование биосинтеза может происходить как по типу отрицательной, так и по типу положительной обратной связи.

В цикле Кребса щавелевоуксусная кислота, являющаяся продуктом полиферментной системы, регулирует активность фермента сукцинатдегидрогеназы (Ei), катализирующего реакцию дегидрирования янтарной кислоты:

434

CH2COOH Ei СН-СООН е2

I —> II —

сн2соон СН—СООН

янтарная кислота

СООН

I

*¦ Н-С-ОН

СН2СООН

СОСООН

I

СНоСООН

щавелевоуксусная кислота

Как только концентрация щавелевоуксусной кислоты достигает определенного значения, ее синтез прекращается вследствие ингибирования сукцинатдегидрогеназы конечным продуктом — щавелевоуксусной кислотой, которая по структуре близка к янтарной кислоте и занимает активный центр фермента сукцинатдегидрогеназы, предназначенный для янтарной кислоты. По мере расходования щавелевоуксусной кислоты ее концентрация уменьшается, что приводит к включению цепи ферментативных реакций. Данный тип регулирования основан на конкурентном ингибировании и осуществляется по типу отрицательной обратной связи.

Примером регуляции биосинтеза по принципу положительной обратной связи является образование гликогена в животных клетках. Синтез гликогена многостадийный; первой реакцией в цепи последовательных превращений является реакция перехода глюкозо-6-фосфата в глюкозо-1-фосфат:

Глюкозо-6-фосфат

Глюкозо-1 -фосфат

Е2

Ез

Уридиндифосфат глюкозы ->- Гликоген

Накопление в клетке глюкозо-6-фосфата стимулирует синтез гликогена, т. е. глюкозо-6-фосфат активирует фермент, катализирующий синтез гликогена на последней стадии биосинтетической цепи из уридиндифос-фатглюкозы. В этом случае глюкозо-6-фосфат — начальный субстрат в ферментативной цепи реакции — является активатором фермента последней стадии [28].

Регулирование ферментативной активности по принципу обратной связи возможно и в том случае, когда продукт реакции значительно отличается от субстрата первой ферментативной реакции в цепи биохимических превращений. При этом продукт реакции взаимодействует с особым регуляторным аллостерическим центром, пространственно удаленным от активного центра

страница 64
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

Скачать книгу "Химия биологически активных природных соединений" (6.60Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
стул самба сильвер
лавочки парковые аренда

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(01.05.2017)