Коензимите при каталитични реакции транспортират различни групи атоми, електрони или протони. Коензимите се свързват с ензими:
Ковалентни връзки;
Йонни връзки;
Хидрофобни взаимодействия и др.
Един коензим може да бъде коензим за няколко ензима. Много коензими са многофункционални (например NAD, PF). Специфичността на холоензима зависи от апоензима.
Всички коензими се разделят на две големи групи: витаминни и невитамини.
Коензими от витаминна природа– витаминни производни или химически модификации на витамини.
1-ва група: тиамин – производни на витамин В1. Те включват:
Тиамин монофосфат (TMP);
Тиамин дифосфат (TDP) или тиамин пирофосфат (TPP) или кокарбоксилаза;
Тиамин трифосфат (TTP).
TPF има най-голямо биологично значение. Част от кетокиселинната декарбоксилаза: PVK, а-кетоглутарова киселина. Този ензим катализира отстраняването на CO2.
Кокарбоксилазата участва в транскетолазната реакция от пентозофосфатния цикъл.
Група 2: флавинови коензими, производни на витамин В2. Те включват:
- флавин мононуклеотид (FMN);
- флавин аденин динуклеотид (FAD).
Ребитолът и изоалоксазинът образуват витамин В2. Витамин B2 и фосфорният остатък образуват FMN. FMN се комбинира с AMP, за да образува FAD.
[ориз. изоалоксазиновият пръстен е свързан с ребитол, ребитол с фосфор и фосфор с AMP]
FAD и FMN са коензими на дехидрогеназите. Тези ензими катализират отстраняването на водорода от субстрата, т.е. участват в окислително-редукционни реакции. Например, SDH - сукцинат дехидрогеназа - катализира превръщането на янтарна киселина във фумарова киселина. Това е FAD-зависим ензим. [ориз. COOH-CH 2 -CH 2 -COOH® (над стрелката - SDH, отдолу - FAD и FADN 2) COOH-CH=CH-COOH]. Флавиновите ензими (флавин-зависими DG) съдържат FAD, който е основният източник на протони и електрони. В процеса на хим реакции FAD се превръща в FADN 2. Работната част на FAD е 2-ри пръстен на изоалоксазин; в процеса на хим Реакцията включва добавянето на два водородни атома към азотните атоми и пренареждането на двойните връзки в пръстените.
Група 3: пантотенови коензими, производни на витамин В3 – пантотенова киселина. Те са част от коензим А, NS-CoA. Този коензим А е коензим на ацилтрансферазите, заедно с които пренася различни групи от една молекула в друга.
Група 4: никотинамид, производни на витамин РР - никотинамид:
представители:
Никотинамид аденин динуклеотид (NAD);
Никотинамид аденин динуклеотид фосфат (NADP).
Коензимите NAD и NADP са коензими на дехидрогеназите (NADP-зависими ензими), например malateDH, isocitrateDH, lactateDH. Участват в процесите на дехидрогениране и окислително-възстановителните реакции. В този случай NAD добавя два протона и два електрона и се образува NADH2.
Ориз. работна група NAD и NADP: рисунка на витамин РР, към който е прикрепен един Н атом и в резултат на това се получава пренареждане на двойни връзки. Начертана е нова конфигурация на витамин PP + H + ].
Група 5: пиридоксинови производни на витамин В6. [ориз. пиридоксал. Пиридоксал + фосфор = пиридоксал фосфат]
- пиридоксин;
- пиридоксал;
- пиридоксамин.
Тези форми се преобразуват по време на реакциите. Когато пиридоксалът реагира с фосфорна киселина, се получава пиридоксал фосфат (PP).
PF е коензим на аминотрансферази, пренася аминогрупа от AA към кето киселина - реакция трансаминиране. Производните на витамин В6 също са включени като коензими в АА декарбоксилазите.
Невитаминни коензими- вещества, които се образуват при метаболизма.
1) Нуклеотиди– UTF, UDF, TTF и др. UDP-глюкозата участва в синтеза на гликоген. За неутрализация се използва UDP-хиалуронова киселина различни веществапри напречни реакции (глюкуронил трансфераза).
2) Порфиринови производни(хем): каталаза, пероксидаза, цитохроми и др.
3) Пептиди. Глутатионът е трипептид (GLU-CIS-GLY), той участва в относно реакциите, е коензим на оксидоредуктазите (глутатион пероксидаза, глутатион редуктаза). 2GSH“ (горе стрелка 2H) G-S-S-G. GSH е редуцираната форма на глутатиона, а G-S-S-G е окислената форма.
4) Метални йони, например, Zn 2+ е част от ензима AlDH (алкохол дехидрогеназа), Cu 2+ - амилаза, Mg 2+ - АТФаза (например миозин АТФаза).
Може да участва в:
Прикрепване на ензимния субстратен комплекс;
В катализа;
Стабилизиране на оптималната конформация на активния център на ензима;
Стабилизиране на кватернерната структура.
Удобно е коензимите да се класифицират според структурно-физиологични характеристики и функционални (каталитични) свойства. Структурната и физиологичната класификация едновременно отчита произхода и химичната структура на коензимите:
Кофер ченгета
I. Витамин ноензими
1 тиамин (TMF, TDF, THF)
2 "Flavinaceous (FMN. FAD)
3 Пантотенова (CoA, дефосфо CoA. 4-$vogta ntothenate)
4 Никотамид (NAD. NADP) 5. Пиридоксин (PALF, PAMF) b. Фолиева киселина или птеридин (THFA) 7. Кобамид (метилкобалт и ми
d e n o z i l k o b a l m i h *
5 Биотин (карбоксибиотин) () Други (редуциран липоамид)
10. Хинон (убихинон, пластохинон) I Карнитин (карнитиум)
Изходните материали за образуването на коензими от първата група са витамини, поради което недостатъчният им прием от храна незабавно засяга синтеза на тези коензими и в резултат на това се нарушава функцията на съответните комплексни ензими. Коензимите от втората група се образуват от междинни метаболитни продукти, така че няма недостиг на тези коензими при физиологични условия и функцията на ензимите, с които те са свързани, не е нарушена.
| . д). |
Съществува и функционална класификация на коензимите, според която коензимите се класифицират, подобно на ензимите, в съответните шест класа (цифрите в скоби показват номера на ензимния клас):
Коензими
Коензими а
I Пиридоксин (PALP)
2. Пантотенови киселини (КоА, дефосфо-КоА)
3. Тиамин (TDP)
4. Кобамид (дезоксиаденозилкобаламин) коензими (5)
1. Пиридоксин (PALF)
2. Кобамид (дезоксиаденозилкобаламин)
3. Фосфати на монозахариди (глюкоза-1,6-ди- Коензим трансферази (2) фосфат. 2.3-дифосфоглиерат)
1 Пиридоксин (PALF, PAMF) 4 Пептид (глутат)
2 Пантотенова (CoA, дефосфо-CoA, 4-phos Коензими lmgaa (6) фопантотенат) I Нуклеотид (UDP-глюкоза, CDP-holpn A. Нуклеотидни коензими (UDP-глюкоза и др.)
CDP-holnn и др.) 2. Биотин (карбоксибиотици)
4 Птеридин или фолиева киселина (THFA) 3. Фолиева киселина (5,10-methenyl THFA)
5 Кобамид (метилкобаламин)
Могат да се отбележат две характеристики на коензимите. Първият е липсата на коензими от третия клас - хидролази и полифункционалността на редица коензими (пиридоксин, кобамид), т.е. способността на един и същ коензим да катализира различни реакции, в зависимост от активния център на кой ензим е част. на. Това служи като ясен пример за значението на апоензима в проявата на специфичното участие на коензима в катализата.
Витаминни коензими
Тиамин коензими. Източникът на тяхното образуване е тиаминът (витамин В), който по своята химична структура принадлежи към пиримидиновите производни на тиазола. Неговата най-активна коензимна форма е тиамин дифосфат (TDP). Останалите производни на тиамина са тиамин монофосфат (TMP), тиамин
трифосфат (TTP) също се считат за коензими, но тяхното значение не е ясно.TDP е част от ензимите, които катализират окислителното декарбоксилиране на α-кето киселини - пируват и 2-оксоглутарат, а също така е коензим на транскетолазата, която превръща субстратите на пентозофосфатния цикъл. Освен това, „активното“ място в молекулата на TDP, което служи като място на прикрепване на субстрата, е въглеродният атом в тиазоловия пръстен (в рамка).
Флавинови коензими Източникът на тяхното образуване е рибофлавин (витамин В 2), който по химична структура принадлежи към производните на нзоалоксазин.Коензимите флавин (4-ононуклеотид (FMN) и флавин аденин динуклеотид (FAD) се синтезират от рибофлавин):
н-с-на нхон
рибофлавин
(тук R са съответните радикали, затворени в рамки в предишните формули).
Окисленият рибофлавин и двата коензима са жълти на цвят. Когато се редуцират, те преминават в левкоформата и цветът на разтвора изчезва. Редуцираните коензими FMN H 2 и FAD ♦ H 2 се образуват в резултат на добавянето на водородни атоми към N-I и N-5 на изоалоксазния пръстен. Способността за лесно приемане и отдаване на протони и електрони определя участието на тези коензими в окислително-възстановителните реакции.
Пантотенови коензими. Пантотеновата киселина (витамин В3) служи като изходен материал за образуването на следните коензими: коензим А (KoASH), дефосфокоензим А (дефосфо-CoA5H), пантетеин-4-фосфат (Pf), които се намират в клетката в свободна форма или свързани с ензимни протеини. Коензимите участват в реакциите на пренос на ацилни групи. Оттук и името - коензим на ацилиране (А). Коензим А
H ,0-P-o-p-o-s n,-
съкратено до KoASH или просто KoA. SH групата на всички коензими на пантотеновата киселина е работната, закотвяща част на молекулата. Към него се добавят ацили и се образува метаболитната форма на CoA - ацил~CoA (тиоестерната връзка е макроергична, следователно е обозначена с вълнообразна линия). Dephospho-CoA и PF като коензими се използват по-малко от KoASH. Смята се, че дефосфо-КоА е коензим, който катализира разграждането на цитрата, а Pf е коензим на ацил-трансферната протеинова синтетаза мастни киселини.
мента - динуклеотиди, в които мононуклеотидите са свързани с фосфодиестерна връзка. Един от мононуклеотидите на тези коензими съдържа никотинамид; другият е представен от аденилова киселина. NADP има допълнителен остатък от фосфорна киселина, прикрепен към рибозния хидроксил.
И двата коензима са способни обратимо да приемат електрони и протони, така че те са част от дехидрогеназите. При реакции, катализирани от никотинамидни ензими, два водородни атома се отстраняват от субстрата. Един водороден атом се добавя към С-4 на никотинамидния пръстен; електронът на втория водороден атом отива към кватернерния азот на същия пръстен, а останалият свободен протон отива в средата. Окислените форми на коензимите са съкратени в реакции като NAD + и NADP +, а редуцираните форми са NAD ■ H + H" и NADP H + H; (или опростено NAD H 2 и NADP ■ H a):
В клетките на тялото от тях се образуват биологично активните коензими пиридоксал фосфат (PALP) и пиридоксамин фосфат (PAMP):
n-s=o ch 2 nh 2
палф памф
Първият от тях е основният коензим, който е част от много ензими. Въпреки това, в някои реакции PAMP действа като независим коензим, например в реакцията на образуване на 3,6-дидеоксихексози, необходими за синтеза на гликопротеини в бактериалните мембрани.
Фолиеви или птеридинови коензими. Фолацинът обединява група сродни витамини, основен представител на които е фолиева киселина. Тялото произвежда от него коензима тетрахидрофолиева киселина.
Кобамидни коензими. Източникът на образуване на кобамидни коензими е витамин B, 2. Основната част от този витамин е ко-комплексът на азотния макроцикъл, наречен корин. Corrin съдържа четири редуцирани пиролови пръстена, носещи различни заместители. Кобалтът, разположен в центъра на кориновия пръстен, може да има различни степени на окисление: от Co 3+ до Co 6+. Той е свързан чрез ковалентни и координационни връзки с азотните атоми на пироловите пръстени на корина. Във витамин B 12 останалите връзки са заети от 5,6-диметилбензимидазолил риботидния остатък и CN групата. Следователно витамин B|g се нарича цианокобаламин. Заместването на CN групата с хидрокси група или nttro група води до образуването на други витамини B, 2 - съответно оксокобаламин и нитриткобаламин. В организма се намира под формата на коензимни форми - метилкобаламин и 5-дезоксиаденозилкобаламин. По-долу е представена схематична структура на централната част на цианокобаламин (I) и неговите коензимни форми - метилкобаламин (II) и 5-деоксиаденозилко
баламин (III):
i ■II
(тук R е 5,6-диметилбензимидазолил риботид и R" е 5"-дезоксиаденозил). Тези коензими участват в реакции на групов трансфер, изомеризация и др.
Биотин коензими. Биотинът (витамин Н) образува активна коензимна форма - карбоксибиотин:
;НN__ _N Н" ;HN _ _ _N_~ CO 0_ J
H G ^NGGNO COOH H.C CH(CH,)„COOH
Ключова роля в молекулата на biotn играят азотните атоми, към които се добавя CO 2 . Биотинът участва в преноса на карбоксилни групи.
Липоеви коензими. Изходното съединение за образуването на коензими е липоевата киселина (витамин N). Липоевите коензими участват в редокс реакции по време на превръщането на α-кето киселини в пируват дехидрогеназния комплекс. Има окислена и редуцирана форма на липоева киселина, която е свързана с ензима (Е) чрез амидна връзка.
Хинонови коензими. Сред естествените хиноидни съединения убихинонът или коензим Q (KoQ), както и неговият аналог пластохинон, съдържащи се в растителни организми. Убихинонът се класифицира като липофилно витаминоподобно вещество. Според химичната си структура е хинон със странична изопреноидна верига.Броят на изопреноидните единици в страничната верига на природните убихинони е различен, поради което убихинопите се обозначават със символа Q„. Убихиноните Q, - Q 12 се срещат в природата. Най-често срещаните коензими са Q s -Q 10 - Много убихинон се намира в митохондриалните мембрани; Присъства и в мембраните на ендоплазмения ретикулум и клетъчните ядра. Убихинонът е способен на обратими редокс трансформации;
HzSO^C n 2 -c n=c-C n^n
Когато се редуцира, той се превръща в убихинол, който при окисляване се превръща обратно в убихинон. Благодарение на редокс свойствата си убихинонът участва в преноса на електрони и протони в дихателната верига на митохондриите, а неговият аналог пластоквинон играе същата роля в хлоропластите.
За други естествени хиноидни съединения - нафтохинони (витамин К) и токофероли (витамин Е), които са сходни по структура и редокс свойства с убнкинона, коензимните функции все още не са доказани.
Карнитиум коензими. Битаминоподобното вещество карнитин (витамин Bt), като коензим на трансферази, участва в преноса на ацилни групи (остатъци оцетна киселинаи висши мастни киселини) през липидния слой на митохондриалните и евентуално други мембрани. Карнитинът може да бъде в разширени и циклични форми:
| R-C-0-HC< |
Ацилите се добавят към ОН групата на карнитина, за да образуват съответния ацилкарнитин:
Тъй като „цикличната форма е по-разтворима в мазнини (поради екраниране на зарядите от метилови групи), именно в тази циклична форма, както S.E. Severin et al. вярват, че карнитинът може да дифундира през липидния слой на мембраната и трансферни ацили.
Невитаминни коензими
Нуклеотидни коензими. Към нуклеотидни коензими, които не са производни на витамини (по това се различават от разглежданите нуклеотидни коензими - НАД, НАДФ, ФАД, КоА, в изграждането на които участват
витамини), включват нуклеозид дифосфати и нуклеозид монофосфати, свързани чрез крайния фосфат e чрез различни субстрати.
Всички нуклеотидни коензими са разделени на пет групи в зависимост от вида на нуклеозида: уридин, цитидин, тимидин, аденозин и гуанозин. Индивидуалните нуклеотидни коензими във всяка група се различават един от друг по субстрата, прикрепен към тях. Вече са известни над 60 различни нуклеотидни коензими, съдържащи остатъци от захари, алкохоли, аминокиселини, липиди и неорганични вещества. Най-представителна сред тях е групата на нуклеозиддифосфатните захари. По-долу е структурата на някои представители на нуклеотидните коензими:
 |
Повечето от известните нуклеотидни коензими са представени от нуклеозидни дифосфати; Но има n нуклеозидни монофосфати, например CM-сиалова киселина. Реакциите, в които участват нуклеотидни невитаминни коензими, могат да бъдат разделени на два вида. Първият включва реакции, свързани с трансформацията на субстрата в коензимната молекула. В този случай коензимът се оприличава на косубстрат. Със субстрата в коензима могат да се появят различни трансформации: стереоизомеризация (например UDP-глюкозата се превръща в UDP-галактоза), окисление или редукция (например ензимно окисление на С6 атома на глюкозата се случва в черния дроб и последната се превръща в UDP-глюкуронова киселина) и т.н.
Реакциите от втори тип са свързани с участието на нуклеотидни коензими като субстратни донори в реакциите на групов трансфер. В този случай фосфоестерните връзки, свързващи коензима и субстрата, се разкъсват. Този тип реакция се използва при синтеза на различни вещества. Така UDP-глюкозата е донор на глюкоза в биосинтезата на гликоген, UDP-глюкороновата киселина е донор на остатъка от глюкуронова киселина в реакции на конюгиране на естествени (например билирубин) и чужди вещества, CDP-холин е донор на холин в биосинтезата на холин фосфатиди и др.
Въглехидратните фосфати като коензими. Някои въглехидратни фосфати функционират като коензими. Така глюкозо-1,6-дифосфатът действа като коензим на ензима глюкозофосфат изомераза, който катализира обратимата изомеризация на глюкозо-6-фосфат и фруктозо-6-фосфат; 2,3-дифосфоглицерат - като коензим на фосфоглицерат мутаза, който участва в превръщането на 2-фосфоглицерат в 3-фосфоглицерат и обратно. Трябва да се отбележи, че 2,3-дифосфоглицератът също е регулатор на функциите на хемоглобина.
Метални порфиринови коензими. Те включват обсъдените по-рано хеми, които участват като коензими в окислително-редукционни реакции, катализирани от оксидоредуктази (цитохроми, каталаза, пероксидаза, триптофан оксигеназа и др.)> и хлорофили, участващи в окислителното разлагане на водата по време на фотосинтезата (виж Глава Образуване на енергия във фотосинтезиращи организми).
Пептидни коензими. Те включват глутатион. По своята химична структура е трипептид - глутаминстеинилглицин.
Неговата функционална група е SH групата на цистеина, която е способна на обратими редокс трансформации. Следователно има две форми на глутатион: редуциран (съкратено G-SH) и окислен или дисулфиден (G-S-ST):
HOOC-CH-CH 2 -CH 2 - CO-NH-CH-CO-NH-CH*-COOH
HOOC-CH-CH,-CHj-CO-NH-CH-co-NH-CH 2 -COOH
HOOC-CH-CH 5 -CHj-CO-NH-CH-CO-NH-CH g -COOH
глутатионов прозорец ff-S-ST]
Глутатионът е коензим на редица оксидоредуктази, например глутатион пероксидаза.
5. Метални йони като ензимни кофактори
Металните йони също могат да бъдат кофактори. Met allo ензимите са много често срещана група ензими, които съставляват "/< от всех ферментов. Роль металлов в этих ферментах различна. Металлоферменты делятся на две группы:
I. Ензими, при които металните йони действат като активатор (тези ензими могат да катализират без метал).
II. Ензими, при които металните йони действат като кофактор (без метални йони тези ензими са неактивни).
1) Дисоцииращи металоензими (металният йон лесно се дисоциира от апоензима).
2) Недисоцииращи металоензими (металният йон е здраво свързан с апоензима):
а) загуба на активност при свързване на метала с реагент;
б) не губят активност при свързване на метала с реагент.
Металните йони като кофактори са част от ензими, принадлежащи към различни класове. Металоензимите, които катализират окислително-редукционните реакции, са многобройни. Металният йон може да се намира^
Таблица 21. Примери за металоензими различни класове
|
в активния център или да бъде част от по-голяма органична молекула (например хем), или може да бъде директно свързан с аминокиселинни остатъци на апоензима. Тъй като преносът на електрони се извършва под действието на оксидоредуктази и степента на окисление на субстратите се променя, металите с променлива валентност действат като кофактори: желязо, мед, молибден, кобалт. v
Ако металът не участва пряко в катализата, но служи за други цели, например свързва субстрата, тогава оксидоредуктазите включват метали с постоянна степен на окисление.
Металните ензими, които катализират реакциите на хидролиза на субстратите, съдържат метали с постоянна валентност: цинк, калций, магнезий. Метали с различни степени на окисление, като манган, рядко се срещат в хидролазите (виж таблица 21).
Каква е ролята на металите в каталитичното действие на ензима? Няколко са доказани възможни вариантиучастие на метални йони в ензима. Първо, металът, като вид електрофилна група на активния център, може да взаимодейства с отрицателно заредени групи на субстрата. Такъв комплекс метал-субстрат се атакува по-лесно от ензима. Например, Mg 2+ (или Mn 2+ ) йони образуват комплекс с ATP или ADP в реакции, катализирани от креатин фосфокиназа и ATPase. В резултат на това ензимната активност се проявява напълно, а при липса на метали ензимите са неактивни или неактивни.
Второ, метал с променлива валентност може сам да участва в транспорта на електрони, т.е. да изпълнява функцията на каталитично място.
Трето, металът насърчава образуването на каталитично активна конформация на третичната и кватернерната структура на апоензима. Стабилизирането е възможно чрез образуването на солеви мостове между металния йон и карбоксилните групи на киселинните аминокиселини по време на образуването на третичната структура на ензимната протеинова молекула или между субединиците по време на образуването на кватернерната структура. Например калциевите йони стабилизират а-амилазата, а цинковите йони стабилизират алкохолдехидрогеназата. Лишената от цинк алкохолна дехидрогеназа се разпада на субединици и губи активност.
Четвърто, металите понякога служат като вид мост между апоензима и коензима. Например при алкохол дехидрогеназата цинковият йон свързва NAD+.
Трябва да се помни, че подобно на витаминните коензими, металите влизат в тялото с храната. Ето защо нормална функцияголямо семейство металоензими зависи от нормалното снабдяване с метали, повечето от които принадлежат към групата на микроелементите. Оттук и високата биологична активност на тези метали: недостатъчният прием с храна може да причини сериозни метаболитни нарушения в организма.
6. Механизъм на действие на ензимите
Сложната структурна и функционална организация на ензимите е отчасти ключът към разбирането на характерните свойства на ензимите - висока специфичност и скорост на катализа, което не е постижимо за неензимните катализатори. Една от първите хипотези, обясняващи действието на ензимите, е хипотезата за адсорбция, предложена в началото на 20 век. английският физиолог Бейлис и немският биохимик Варбург. Когато обосноваваме основните положения на тази хипотеза, ние изхождаме от механизма на действие на небиологичните катализатори. Според хипотезата за адсорбция, повърхността на ензима, подобно на порестата платина, е мястото на адсорбция на молекулите на реагента. Това улеснява тяхното взаимодействие и ускорява реакцията. Тази хипотеза обаче не обяснява спецификата на ензимното действие и сега има само историческо значение.
Основна роля в развитието на идеите за механизма на действие на ензимите изиграха класическите произведения на Михаелис и Ментен, които разработиха концепцията за ензимно-субстратните комплекси. Според идеите на Михаелис-Ментен, целият процес на ензимна катализа се описва с просто уравнение (rns. 21).
Процесът на ензимна катализа може да бъде разделен на три етапа, всеки от които има свои собствени характеристики.
Част 1. Дифузия на субстрата към ензима и пространственото му свързване с активния център на ензима (образуване на ензим-субстратен комплекс
2. Превръщане на първичния ензим-субстратен комплекс в един или повече активирани ензим-субстратни комплекси (обозначени ES* и ES** в уравнението).
3. Отделяне на реакционните продукти от активния център на ензима и дифузията им в заобикаляща среда(EP комплексът се дисоциира на E и P).
Първият етап, обикновено кратък по време, зависи от концентрацията на субстрата в средата и скоростта на неговата дифузия към активния център на ензима. Образуването на ES комплекса става почти мигновено. На този етап промяната в енергията на активиране е незначителна. Ориентацията на субстратите в активния център на ензима благоприятства тяхното приближаване и протичане на реакцията.
Вторият етап е най-бавен и неговата продължителност зависи от енергията на активиране на дадена химична реакция. На този етап субстратните връзки се разхлабват, разкъсват или се образуват нови връзки в резултат на взаимодействието на каталитичните групи на ензима. Именно поради образуването на активирани преходни комплекси енергията на активиране на субстрата намалява.Вторият етап ограничава скоростта на цялата катализа.
Третият етап е краткотраен, както и първият. Определя се от скоростта на дифузия на реакционните продукти в околната среда.
Молекулярните механизми на действие на ензима все още са до голяма степен неясни. Сред изследваните механизми на действие на ензима може да се отбележи следното:
1) ефектът от ориентацията на реагентите (приближение);
2) ефектът от деформацията на субстрата (опън, огъване, напрежение);
3) киселинно-алкална катализа;
4) ковалитова катализа.
Ефектът на ориентация на реагентите е много характерно свойство на ензимите, което прави възможно ускоряването на трансформацията (увеличаване на реактивността на субстратите) с хиляди или десетки хиляди пъти. Контактните зони на актиновия център на ензима специфично свързват субстратите и осигуряват тяхната взаимна ориентация и подход по начин, който е полезен за действието на каталитичните групи. Тази взаимна ориентация на две или повече молекули, която е невъзможна по време на произволни сблъсъци във водна среда и на повърхността на неорганичен катализатор, спомага за увеличаване на скоростта на реакцията. Подреденото разположение на субстратите води до намаляване на ентропията и следователно спомага за намаляване на енергията на активиране.
Ефектът от деформацията на субстрата (или т. нар. теория на "рейка") добре обяснява действието на хидролазите, лиазите и някои трансферази. Преди да се присъедини към ензима, субстратът има „отпусната“ конфигурация. След свързване с активния център, молекулата на субстрата изглежда се разтяга („напрегната“ или „деформирана“ конфигурация). Колкото по-голяма е дължината на междуатомната връзка в субстрата, толкова по-ниска е енергията на нейното разкъсване (т.е. енергията на активиране намалява). Местата на деформация (разтягане) се атакуват по-лесно, например от водни молекули.
Киселинно-алкална катализа. Особеността на активния център на ензима, за разлика от други катализатори, е, че той съдържа функционални групи от аминокиселинни остатъци, които проявяват свойствата както на киселина, така и на основа. Следователно, ензимът проявява киселинно-алкални свойства по време на каталитичния акт, т.е. играе ролята както на акцептор, така и на донор на протони, което е невъзможно за конвенционалните катализатори.
Таблица 22. Някои ензими, способни на ковалентна катализа
e продукт
Химотриапсин, трипсин, тромбин, естераза
2. Фосфоглюкомутаза, алкална фосфатаза
O-R-O-CHj-CH-
Когато субстратът е фиксиран в активния център, неговата молекула се влияе от електрофилни и нуклеофилни групи на каталитичното място, което причинява преразпределение на електронната плътност в областите на субстрата, атакувани от киселинно-алкални групи. Това улеснява пренареждането и разкъсването на връзките в молекулата на субстрата. Ензимите, които имат хистидин в своя каталитичен център, имат изразена способност за киселинно-алкална катализа. Хистидинът има различни киселинно-алкални свойства. Когато хистидинът е блокиран, ензимът се инактивира. Киселинно-алкалната катализа е характерна за хидролазите, лиазите и изомеразите. Често се комбинира с ковалентна катализа.
Ковалентна катализа се наблюдава при ензими, които образуват ковалентни връзки между каталитичните групи на активния център и субстрата. Междинните продукти на ковадентния ензим-субстрат са много нестабилни и лесно се разграждат, освобождавайки продукти от реакцията. В табл 22 показва някои ензими, които имат способността за ковалентна катализа. Повечето ензими се характеризират с комбинация от описаните механизми, което осигурява високата им каталитична активност.
7. Специфика на ензимното действие
Ензимите имат различна специфика спрямо субстратите. Въз основа на степента на специфичност ензимите се разделят на следните основни типове, посочени в низходящ ред на специфичност.
1. Стереохимична субстратна специфичност – ензимът катализира превръщането само на един от възможните стереоизомери на субстрата. Това е краен случай на специфичност. Например, фумарат хидратът катализира превръщането само на фумарова киселина (добавянето на водна молекула към нея), а не на нейния стереоизомер, малеинова киселина.
2,
Абсолютна субстратна специфичност – ензимът катализира превръщането само на един субстрат. Например уреазата катализира превръщането само на урея.
3. Абсолютна групова субстратна специфичност - ензимът катализира трансформацията на сходна група субстрати.Например, алкохолдехидрогеназата катализира трансформацията не само на етанол, но и на други алифатни алкохоли, макар и с различна скорост.
4. Относителна групова субстратна специфичност - ензимът специфично действа не върху група субстратни молекули, а върху отделни връзки на определена група субстрати. Например храносмилателните ензими - пепсин, трипсин - са специфични за пептидните връзки, образувани от определени аминокиселини в различни протеини.
5. Относителна субстратна специфичност - ензимът катализира трансформацията на субстрати, принадлежащи към различни групи химични съединения. Например, ензимът cntochrome участва в хидроксилирането на различни съединения (около 7000 имена). Това са най-малко специфичната ензимна система, участваща в превръщането естествени вещества, лекарства и отрови.
Какво обяснява спецификата на ензимното действие? Има две гледни точки по този въпрос. Една от тях, хипотезата на Е. Фишер, или, както се нарича, хипотезата за "ключ и ключалка" или "шаблон", предвижда, че специфичността се основава на стриктното пространствено съответствие на субстрата и активния център на ензима .
Според Фишер ензимът е твърда структура, активният център на която е отливка от субстрата. Ако подложката се доближи до активната
център, като ключ към ключалка, тогава ще настъпи реакцията. Ако субстратът ("ключ") е леко променен, тогава той не съответства на активния център ("ключалка") и реакцията става невъзможна. Хипотезата на Фишер е привлекателна със своята простота при обяснение на спецификата на ензимното действие. Въпреки това, от гледна точка на хипотезата за „шаблон“, е трудно да се обясни, да речем, абсолютна и относителна групова субстратна специфичност, тъй като конфигурацията на „ключовете“ (субстратите), които отговарят на една и съща „ключалка“, е твърде разнообразна.
Друга хипотеза, предложена от Кошланд, обяснява тези външни противоречия. Нарича се хипотезата за „принудително съответствие“. Според Кошланд ензимната молекула не е твърда, а гъвкава, еластична (което се потвърждава от съвременни методиизследване); конформацията на ензима и неговия активен център се променя при добавяне на субстрат или други лиганди; И. накрая, активният център не е твърда отливка на субстрата, но субстратът го принуждава да приеме подходящата форма в момента на закрепване (оттук и името на хипотезата за „принудително съответствие“).
С други думи, " ключалка“, според Кошланд, е направен от ковък материал и следователно приема крайната форма на „ключ“ при контакт.
Хипотезата за „принудителното съответствие” получи експериментално потвърждение, след като беше регистрирана промяна в подреждането на функционалните групи на активния център на редица ензими след добавянето на субстрат. Тази хипотеза също ни позволява да обясним защо се случва трансформацията на близки аналози на субстрати. Ако „фалшивият” субстрат (квазисубстрат) се различава леко от естествения и активният център придобива конформация. близо до истината, тогава подреждането на каталитичните групи в t
 |
такъв ензимно-субстратен комплекс ще позволи протичането на реакцията (фиг. 22). Ензимът изглежда не забелязва тази „измама“. Ензимната реакция обаче няма да протече толкова бързо, колкото при истинския субстрат, тъй като няма идеално подреждане на каталитичните групи в активното място на ензима.
Само ако конфигурацията на квазисубстрата не позволява правилното разполагане на каталитичните групи, реакцията няма да протече (фиг. 22, в). Очевидно различната степен на специфичност на различните ензими отразява, така да се каже, обхвата на конформационните пренареждания на активния център. Ако е ограничен до една възможна конформация, ензимът е силно специфичен. Ако възможностите за преструктуриране са големи, тогава ензимът работи и върху квази-субстрати.
8. Кинетика на ензимните реакции
Кинетиката на ензимното действие е клон на ензимологията, който изучава зависимостта на скоростта на реакцията, катализирана от ензимите, от химическата природа и условията на взаимодействие на субстрата с ензима, както и от факторите на околната среда. С други думи, ензимната кинетика ни позволява да разберем природата на молекулярните механизми на действие на факторите, влияещи върху скоростта на ензимната катализа.
Скоростта на ензимната реакция се определя от количеството вещество (или вещества), което се преобразува за единица време. Скоростта на тези реакции зависи от влиянието на външните условия (температура, pH на околната среда, влиянието на природни и чужди съединения и др.).
Основите на кинетиката на ензимните реакции са положени в трудовете на Михаелис и Ментен. Скоростта на ензимната реакция е мярка за каталитичната активност на ензима и се нарича просто активност на ензима. Ензимната активност може да бъде измерена само индиректно: чрез количеството преобразуван субстрат или чрез увеличаване на концентрацията на продукта за единица време.
Зависимост на скоростта на ензимната реакция от концентрацията на субстрата и ензима.Ензимната реакция е схематично описана от уравнението, където k са скоростните константи на правата (+) и обратната реакции (-).
Използвайки това уравнение, Бригс и Халдейн извеждат математически израз за зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията на субстрата:
v=iw),
където v е наблюдаваната скорост на реакцията; - максимална скорост на реакция; Kt - константа на Михаелис. Това уравнение се нарича уравнение
Михаелиса - Ментен. Когато и = "/ 2 и tlx след подходящи трансформации
ta, т.е. K m = [S]. Следователно, константата на Михаелис има размерността на концентрацията." Тя е равна на концентрацията на субстрата, при която скоростта на реакцията е половината от максималната, n се изразява в молове на литър. K t при k-x^k+t е или константа на скоростта на ензимната реакция Колкото по-висока е Kt, толкова по-ниска е скоростта на каталитична трансформация на субстрата от този ензим.Според стойността на Kt ензимите могат да бъдат разделени на „бързи” (с ниска Kt) и „бавни” (с висок Kt).Ако някой ензим катализира реакция с два субстрата, тогава всеки субстрат има свой собствен Km и те могат да варират значително.При ензими с групова субстратна специфичност всеки субстрат има свой собствен Km.
За афинитета на субстрата към ензима се съди по субстратната константа, означена със символа K s - Това е константата на дисоциация на ES комплекса. Колкото по-плътно е свързан субстратът, толкова по-бавно ES се разлага на E и S, което означава, че такъв субстрат има висок афинитет (специфичност на свързване) към активния център на ензима и обратно.
Графично зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията на субстрата се описва с хипербола, наречена крива на Михаелис (фиг. 23). Формата на кривата показва, че с увеличаване на концентрацията на субстрата всички активни центрове на ензимните молекули са наситени. Това съответства на максималното образуване на ензим-субстратни комплекси и максималната скорост на реакция vta» Km лесно се намира на такава графика. Понякога се начертава графика на скоростта на реакция спрямо концентрацията на субстрата, като се използва двойният реципрочен метод (метод на Лайнуивър-Бърк) (фиг. 23.6). Стойността на константата на Михаелис се намира, както е показано на графиката.
От това как се променя скоростта на реакцията при различни концентрации на субстрата, може да се прецени редът на реакцията, който трябва да се знае, за да работи с ензими и да се определи правилно тяхната активност в клиничните лаборатории. Редът на реакцията може да варира от нула до по-висок. При нулев ред скоростта на реакцията е постоянна и не зависи от концентрацията на субстрата. В този случай скоростта на реакцията е максимална (Ppi*) - В първия ред скоростта на реакцията е правопропорционална на концентрацията на един от субстратите и т.н. За да се определи правилно активността на ензима, е необходимо да се постигне нулева скорост на реакцията, т.е. да се определи скоростта на ензимната реакция при насищащи субстратни концентрации. В този случай всички промени в скоростта на реакцията ще зависят само от количеството фермекг.
За да се оценят условията на работа на всеки ензим в клетките на тялото, е необходимо да се знаят действителните концентрации на наличните в тях субстрати. При физиологични условия ензимите почти никога не работят с пълна сила, тъй като концентрациите на техните субстрати са далеч от насищане. Може би единственият субстрат, необходим за хидролазите, е водата, която присъства в клетките в насищащи концентрации, освен в случаите, когато структурната локализация на ензима ограничава достъпа на вода до активния център.
Зависимостта на скоростта на реакцията от количеството на ензима е линейна, което, както вече беше споменато, отличава ензима от небиологичните катализатори. От това можем да направим определено практическо заключение, че колкото по-голям е броят на молекулите на даден ензим в една клетка на организма в сравнение с други, толкова по-висока е скоростта на химичните трансформации, катализирани от този ензим. Ако някой ензим е недостатъчен (синтезът е нарушен), тогава скоростта на реакцията, катализирана от него, ограничава хода на свързаните биохимични процеси.
Увеличаването на броя на ензимните молекули, постигнато чрез естествено стимулиране на тяхното образуване или с помощта на лекарства, позволява или да се възстанови нарушената скорост на реакцията, или да се адаптират необходимите биохимични реакции към новите условия на живот.
Зависимост на скоростта на реакцията от pH на средата. Обикновено кривата на зависимостта на скоростта на ензимната реакция от рН на средата е камбановидна (фиг. 24), тъй като всеки ензим има свое собствено оптимално рН, при което скоростта на реакцията, която катализира, е максимална . Отклонението на pH в една или друга посока води до намаляване на скоростта на ензимната реакция.
Оптимални стойности на pH за някои ензими
Ензим.. Пепсин киселина уреаза, трипсин аргиназа
Фосфатна панкреатична амилаза
Оптимално рН 1,5-2,5 4,5-5,0 6,4-7,2 7,8 9,5-9,9
От представените данни става ясно, че оптималното pH не е еднакво за различните ензими. Повечето клетъчни ензими обаче имат рН оптимум, близък до неутрален, т.е. съвпадащ с физиологични стойности pH.
Зависимостта на скоростта на ензимната реакция от рН показва главно състоянието на функционалните групи на активния център на ензима. Промяната в рН на средата влияе върху йонизацията на киселинни и основни групи от аминокиселинни остатъци на активния център, които участват или в свързването на субстрата (в контактното място), или в неговата трансформация (в каталитичното място ). Следователно може да се предизвика специфичният ефект на pH
или чрез промяна в афинитета на субстрата към ензима, или чрез промяна в каталитичната активност на ензима, или и двете.
Повечето субстрати имат киселинни или основни групи, така че pH влияе върху степента на йонизация на субстрата. Ензимът преференциално се свързва към йонизираната или нейонизираната форма на субстрата. Очевидно при оптимално рН функционалните групи на активния център са в най-реактивно състояние и субстратът е във форма, предпочитана за свързване от тези ензимни групи.
Практическо значение има зависимостта на ензимната реакция от рН на средата. На първо място, определянето на ензимната активност трябва да се извърши при оптимално рН за даден ензим. За да направите това, изберете необходимия буферен разтвор с необходимата стойност на pH.
Диапазонът на колебанията на pH при физиологични условия е незначителен, но може да има промени в pH в ограничена област на клетката. Те влияят върху активността на ензимите. Например, по време на активна мускулна работа се натрупва млечна киселина, която временно измества pH на околната среда мускулни клеткикъм киселинната страна, което променя скоростта на ензимните реакции. T
Познаването на оптимумите на рН за отделните ензими е важно за практическата медицина. Например пепсинът изисква силно кисела среда за активна хидролиза на протеини в стомаха, така че за възстановяване на нарушената активност на ендогенния пепсин е необходимо да се приемат киселинни вещества. Пепсинът се приема със солна киселина, която създава желаното pH.
 |
Зависимост на скоростта на ензимната реакция от температурата. С повишаване на температурата на околната среда скоростта на ензимната реакция се увеличава, като при някои достига максимум оптимална температура, а след това пада до нула (фиг. 25). За химичните реакции има правило, че когато температурата се повиши с 10°C, скоростта на реакцията се увеличава два до три пъти. За ензимните реакции този температурен коефициент е по-нисък: за всеки 10°C скоростта на реакцията се увеличава 2 пъти или дори по-малко. Последващото намаляване на скоростта на реакцията до нула (низходящ клон на фиг. 25) показва денатурация на ензимния блок. Оптимални температурни стойности
За повечето ензими те са в диапазона 20-40°C. Термолабилността на ензимите е свързана с тяхната протеинова структура. Някои ензими се денатурират още при температура около 40°C, но повечето от тях не се активират при температури над 40-50°C. Някои ензими се инактивират от студ, т.е. при температури близки до 0°C настъпва денатурация.
Някои ензими обаче не се подчиняват на тези модели. Така ензимът каталаза е най-активен при температури, близки до 0°C. Има и термостабилни ензими. Например, аденилат киназата може да издържи на температури от 100°C за кратко време без инактивиране. Микроорганизмите, живеещи в горещи извори, съдържат много протеини, включително ензими, които се характеризират с висока термична стабилност. Както бе споменато по-рано, такива ензими са гликопротеини, тъй като въглехидратният компонент дава на протеина топлинна стабилност.
Ефектът на температурата върху ензимната активност е важен за разбирането на жизнените процеси. Когато температурата спадне, някои животни влизат в състояние на хибернация или преустановена анимация. Скоростта на ензимните реакции в това състояние се забавя, което осигурява ниска консумация на натрупаното в тялото хранителни веществаи намалена активност на клетъчните функции. Затоплянето на тялото ускорява хода на ензимните реакции и връща тялото на животното към активна дейност.
При хирургични операции в клиниката се използва изкуствено охлаждане на тялото, т. нар. хибернация. Охлаждането на тялото също забавя скоростта на ензимните реакции, което намалява консумацията на вещества и запазва жизнеспособността на телесните клетки за по-дълъг период.
Повишена телесна температура ( фебрилно състояние), например по време на инфекции, ускорява биохимичните реакции, катализирани от ензими. Лесно е да се изчисли, че всеки градус повишаване на телесната температура увеличава скоростта на реакцията с около 20%. При високи температури от около 39-40°C разточителната употреба на ендогенни субстрати в клетките на болния организъм трябва да се попълни с храна. Освен това при температура около 40°C някои много термолабилни ензими могат да бъдат денатурирани, което нарушава естествения ход на биохимичните процеси. Така че познаването на температурната зависимост на ензимните реакции им позволява да се използват в практическата работа на лекаря.
За определяне на активността на ензимите в лабораторната практика винаги се избират определени стандартни или оптимални температурни условия, като се вземе предвид термолабилността на конкретен ензим. Сравняването на промените в активността на ензим, определен, да речем, за идентифициране на нарушения в тялото, е възможно само при същите температурни условия.
Термичната зависимост на ензимите се използва на практика за разработване на температурни условия за съхранение на храни. Безопасността им по време на ниски температурие резултат от ниска активност на собствените си ензими, които не „ядат“ своите субстрати (например в зеленчуци, плодове и др.), Или ензими на микроорганизми, които могат да развалят храните.
9. Методи за определяне и единици на ензимната активност
Ензимите, съдържащи се в клетките, тъканите и органите, се екстрахират предварително чрез специални методологични техники. По време на екстракцията се добавят необходимите ензимни стабилизатори, за да ги предпазят от инактивиране. За определяне на ензимите се използва ензимен разтвор (екстракт от биологичен материал). Серум или кръвна плазма, други биологични течности са готови разтвори на ензими, така че незабавно се използват за определяне. Ако целта на изследването е да се получи пречистен или кристален ензим, тогава активността се определя след всеки етап на пречистване.
Качествените и количествените тестове за ензима се извършват индиректно чрез загуба на субстрат или натрупване на реакционни продукти в средата. Директното измерване на количеството ензим по принцип е възможно само за хомогенен, кристален ензим. Количеството протеин, измерено чрез директни химични методи, трябва да съответства на количеството ензим. На практика и в този случай се използва индиректен метод, тъй като количеството протеин в разтвор на хомогенен ензим все още не е критерий за активността на ензима (някои от молекулите могат да бъдат в неактивно или денатурирано състояние ).
Скоростта, с която субстратът изчезва или количеството на реакционните продукти се увеличава за единица време, служи като мярка за ензимната активност.
Стандартни условия. За да се определи правилно активността на даден ензим, е необходимо да се извърши при стандартни условия, които са установени за всеки ензим от предварителни кинетични изследвания, и да се измери точно промяната в съдържанието на субстрата или реакционния продукт за определен период от време. от време.
Необходимо е да се поддържа оптимална стойност на pH за определяния ензим (4eHHt) (използвайте подходящ буфер). Концентрацията на субстрата трябва да бъде по-голяма от насищащата, при която се поддържа максималната скорост на реакцията (концентрациите на супернасищащия субстрат са специално установени за ензими, подложени на субстратно инхибиране).За сложни ензими, които изискват кофактори (метални йони, коензими), концентрацията на кофакторите също трябва да надвишава насищащата.Стандартната температура се приема за 25°C (измерването при други температури е специално уточнено в експеримента).Тези стандартни условия осигуряват реакция от нулев ред, при която промяната в концентрацията на субстрата или реакционния продукт зависи само от количеството ензим, добавен към средата.
За правилно измерванеактивността на ензима, е необходимо да се определи началната скорост на реакцията, т.е. в началото на реакцията, когато концентрацията на субстрата или продукта се променя пропорционално за равни периоди от време.
Методи за определяне на съдържанието на субстрат или реакционен продукт. Определянето се извършва по произволен метод (колориметричен, спектрофотометричен, флуориметричен, полярографски и др.) след спиране на реакцията след определен период от време или се записва непрекъснато по време на реакцията. Последният метод е по-удобен. Възможно е, ако субстратът или продуктът абсорбира в определена област на спектъра (промяната в тяхната абсорбция по време на реакцията се записва на спектрофотометър) или флуоресцира (промяната във флуоресценцията за определено време се записва непрекъснато на спектрофлуорни метри), и т.н. С други думи, изборът на метод за определяне Ензимната активност е ограничена от възможността за определяне на субстрата или реакционните продукти.
Единици за ензимна активност. Международната единица за ензимна активност е количеството ензим, способно да преобразува един микромол (µmol) субстрат за 1 минута при стандартни условия. Международните единици за количеството на ензима се обозначават със символа E или U.
Специфичната активност на ензима е равна на масата на ензима (r милиграма), способна да преобразува 1 µmol субстрат за 1 минута при стандартни условия, изразена в µmol/(min mg протеин"). Нова единица за каталитична активност, katal (символ - kat), също се препоръчва, което е количеството ензим, способно да преобразува 1 мол субстрат за 1 секунда при стандартни условия.
10. Регулация на ензимната активност
Ензимите, както вече споменахме, са катализатори с контролирана активност. Следователно чрез ензими е възможно да се контролира скоростта на потока химична реакцияв организма. Регулирането на ензимната активност може да се извърши чрез взаимодействие с тях на различни биологични компоненти или чужди съединения (например лекарства и отрови), които обикновено се наричат ензимни модификатори или регулатори. Под въздействието на модификаторите върху ензима реакцията може да се ускори (в този случай те се наричат активатори) или да се забави (в този случай те се наричат инхибитори).
Ензимна активация
Активирането на ензима се определя от ускоряването на биохимичните реакции, което настъпва след действието на модификатора. Една група активатори се състои от вещества, които засягат областта на активния център на ензима. Те включват ензимни кофактори и субстрати. Кофакторите (метални йони и коензими) са не само задължителни структурни елементи на сложни ензими, но и по същество техни активатори.
Металните йони са доста специфични активатори. Често някои ензими изискват йони не на един, а на няколко метала. Например Na^K^-ATPase, която транспортира едновалентни катиони през клетъчната мембрана, изисква магнезиеви, натриеви и калиеви йони като активатори.
Активирането с метални йони става чрез различни механизми. В някои ензими те са част от каталитичното място. В някои случаи металните нонони улесняват свързването на субстрата с активния център на ензима, образувайки своеобразен мост. Често металът се свързва не с ензима, а със субстрата, образувайки метално-субстратен комплекс, който е предпочитан за действието на ензима.
Спецификата на участието на коензимите в свързването и катализата на субстрата обяснява тяхното активиране на ензимни реакции. Активиращият ефект на кофакторите е особено забележим, когато действа върху ензим, който не е наситен с кофактори.
Субстратът също е активатор в определени граници на концентрация. След достигане на насищащи концентрации на субстрата, ензимната активност не се повишава. Субстратът повишава стабилността на ензима и улеснява образуването на желаната конформация на активния център на ензима. ,
Метални йони, коензими и техните прекурсори и активни аналози, субстрати могат да се използват на практика като лекарства, които активират ензимите.
Активирането на някои ензими може да се извърши чрез модификации, които не засягат активния център на техните молекули. Възможни са няколко варианта за такава модификация: 1) активиране на неактивен прекурсор - проензим или зимоген; 2) активиране чрез прикрепване на всяка специфична модифицираща група към ензимната молекула; 3) активиране чрез дисоциация на комплекса неактивен протеин-активен ензим.
Ензимно инхибиране
Инхибиторите са от голям интерес за разбирането на механизма на ензимната катализа. Използването на различни вещества, които свързват функционалните групи на контактните и каталитичните места на активния център на ензима, може да изясни значението на определени групи, участващи в катализата. Инхибиторите ни позволяват да разберем не само същността на ензимната катализа, но също така са уникален инструмент за изследване на ролята на отделни химични реакции, които могат да бъдат специално изключени с помощта на инхибитор на даден ензим. Изследването на инхибирането на ензимните реакции е от практическо значение за изследване и дешифриране на механизма на действие на лекарства, пестициди и др.
Трябва да внимавате, когато използвате термина инхибитор, като имате предвид само това вещество, което причинява специфично намаляване на ензимната активност. Само фактът, че дадена реакция е инхибирана, не означава, че имаме работа с инхибитор. Всички денатуриращи агенти също инхибират ензимната реакция. Следователно, в случай на действие на денатуриращи вещества, е по-правилно да се говори не за „инхибиране“, а за „инактивиране“. Често веществото в малки концентрации е инхибитор, а в големи концентрации е инактиватор, така че това разделение е до известна степен произволно.
Инхибиторите се характеризират преди всичко с това обща черта, като силата на свързване с ензима. На тази основа инхибиторите се разделят на две групи: обратими и необратими. Критерият за възстановяване на ензимната активност след диализа или силно разреждане на разтвор на ензима с инхибитора позволява да се класифицира инхибиторът в една от двете групи. Необратимите инхибитори се свързват плътно с ензима и след тези процедури ензимната активност не се възстановява. Напротив, ензимно-обратимият инхибиторен комплекс е крехък и бързо се дисоциира. Активността на ензима се възстановява.
Според механизма на действие ензимните инхибитори се делят на основни видове: 1) конкурентни: 2) неконкурентни; 3) неконкурентен 4) субстрат; 5) алостеричен
Конкурентното инхибиране е инхибирането на ензимна реакция, причинена от свързването към активния център на ензим на инхибитор, който е подобен по структура на субстрата и предотвратява образуването на ензим-субстратен комплекс. При конкурентното инхибиране инхибиторът и субстратът, които са сходни по структура, се конкурират за активния център на ензима. Съединението с повече молекули се свързва с активния център. С ензима е свързан или субстрат, или инхибитор, така че за този тип инхибиране е валидно следното уравнение:
където I е инхибитор; EI - ензим-инхибиторен комплекс. Но по време на конкурентно инхибиране никога не се образува троен комплекс ESI (ензим - субстрат - инхибитор), по което този тип инхибиране се различава от другите.
Инхибирането възниква поради факта, че субстратоподобният инхибитор свързва някои ензимни молекули, които вече не са в състояние да образуват ензимно-субстратен комплекс. Инхибирането може да бъде отстранено чрез използване на излишък от субстрат, който измества инхибитора от активните центрове на ензимните молекули, като по този начин възстановява способността им да катализират.
Поради сходството на конкурентния инхибитор със субстрата, такова инхибиране се нарича изостерично , Конкурентните (изостерични) инхибитори могат да бъдат метаболити, чието натрупване регулира активността на ензимите и чужди вещества.
Пример за конкурентно инхибиране е ефектът на различни вещества върху активността на сукцинат дехидрогеназата. Този ензим е част от цикличната ензимна система – цикълът на Кребс. Неговият естествен субстрат е сукцинат, а подобен конкурентен инхибитор е оксалоацетатът, междинен продукт от същия цикъл на Кребс:
OOCt-CHJ- CH*-SOSG -OOC-C-CHJ-COO-
Подобен конкурентен инхибитор на сукцинат дехидрогеназата е малоновата киселина, често използвана в биохимичните изследвания. На фиг. 26 схематично показва механизма на конкуренция между сукцинат и малонат за ензима.
Ярък пример за конкурентно инхибиране е ефектът на група субстрати върху ензими, които имат групова субстратна специфичност. Квази-субстратите са конкурентни инхибитори на ензими по отношение на истинските субстрати.
Принципът на конкурентното инхибиране е в основата на действието на много фармакологични лекарства, пестициди, използвани за унищожаване на селскостопански вредители, и химически бойни агенти.
Например, група антихолинестеразни лекарства, които включват производни на кватернерни амониеви бази и органофосфор
Лекарства като прозерин, физостигмин, севин инхибират ензима обратимо и фосфор
органоформени препарати като армин, нибуфин, хлорофос. 4арина и зома действат необратимо, като фосфорилират каталитичната група на ензима.В резултат на тяхното действие ацетилхолинът се натрупва в онези синапси, където той е медиатор на нервната възбуда, т.е.организмът се отравя от натрупания ацетилхолин. Ефектът на обратимите инхибитори постепенно изчезва, тъй като колкото повече се натрупва ацетилхолин, толкова по-бързо той измества инхибитора от активния център на холинестеразата. Токсичността на необратимите инхибитори е несравнимо по-висока, така че те се използват за борба с селскостопански вредители, домашни насекоми и гризачи (например хлорофос) и като бойни химически агенти (например зарин, зоман и др.).
Чрез селективно изключване на един или друг ензим е възможно да се проведе уникален анализ на участието на даден ензим в метаболизма. Феноменът на конкурентното инхибиране отваря възможността за търсене на антиметаболити, които, имайки подобна конфигурация на истинския субстрат, могат да попаднат в категорията на конкурентни инхибитори. Антиметаболитите са обещаващи като специфични фармакологични средства.
Не трябва обаче да забравяме, че са възможни конкурентни отношения не само между субстрата и инхибитора, но и между инхибитора и коензима.
Антикоензимите (аналози на коензими, които не са в състояние да изпълняват своята функция) също действат като конкурентни инхибитори, дезактивирайки ензимните молекули, с които се комбинират. Антикоензимите (или техните прекурсори, антивитамини) се използват широко както в биохимичните изследвания, така и в медицинската практика като ефективни лекарства.
Неконкурентното инхибиране на ензими е инхибиране, свързано с влиянието на инхибитора върху каталитичната трансформация, но не и върху свързването на субстрата с ензима. Неконкурентен инхибитор или се свързва директно с каталитичните групи на активното място на ензима, "или, чрез свързване с ензима извън активния център, променя конформацията
образуване на активния център по такъв начин, че да повлияе на структурата на каталитичното място, пречейки на взаимодействието на субстрата с него. Тъй като неконкурентният инхибитор не засяга свързването на субстрата, за разлика от конкурентното инхибиране, образуването на троичен ESI комплекс се наблюдава съгласно уравнението
E + S + I - ESI
Този комплекс обаче не се превръща в продукти.
Неконкурентни инхибитори са например цианидите, които се свързват здраво с фери желязото, което е част от каталитичното място на ензима хем, цитохромоксидазата. Блокадата на този ензим изключва дихателната верига и клетката умира. Неконкурентните ензимни инхибитори включват йони на тежки метали и техните органични съединения. Следователно йоните на тежките метали на живак, олово, кадмий, арсен и други са много токсични. Те блокират, например, SH групи, включени в каталитичното място на
За да се преобразува енергията, съдържаща се в мастните киселини, в енергията на АТФ връзките, има метаболитен път за окисление на мастните киселини до CO 2 и вода, който е тясно свързан с цикъла на трикарбоксилната киселина и дихателната верига. Този път се нарича β-окисление, защото настъпва окисление на 3-тия въглероден атом на мастната киселина (β-позиция) в карбоксилна група и в същото време ацетилната група, включително С1 и С2 на оригиналната мастна киселина, се отцепва от киселината.
Елементарна схема на β-окисление
Реакциите на β-окисление протичат в митохондриитеповечето клетки в тялото (с изключение на нервните клетки). Мастните киселини, които навлизат в цитозола от кръвта или се появяват по време на липолизата на техните собствени вътреклетъчни TAG, се използват за окисляване. Общото уравнение за окисляването на палмитинова киселина е както следва:
Палмитоил-SCoA + 7FAD + 7NAD + + 7H 2 O + 7HS-KoA → 8Acetyl-SCoA + 7FADH 2 + 7NADH
Етапи на окисление на мастни киселини
1. Преди да проникне в митохондриалната матрица и да се окисли, мастната киселина трябва да активиратев цитозола. Това се постига чрез добавяне на коензим А към него, за да се образува ацил-SCoA. Acyl-SCoA е високоенергийно съединение. Необратимостта на реакцията се постига чрез хидролиза на дифосфат в две молекули фосфорна киселина.
Ацил-SCoA синтетазите се намират в ендоплазмения ретикулум, върху външната мембрана на митохондриите и вътре в тях. Има широка гама от синтетази, специфични за различни мастни киселини.
Реакция на активиране на мастни киселини
2. Acyl-SCoA не може да премине през митохондриалната мембрана, така че има начин да се транспортира в комбинация с витаминоподобно вещество карнитин. На външната мембрана на митохондриите има ензим карнитин ацилтрансфераза I.
Карнитин-зависим транспорт на мастни киселини в митохондриите
Карнитинът се синтезира в черния дроб и бъбреците и след това се транспортира до други органи. в вътрематочнопериод и в ранните годиниВ живота значението на карнитина за организма е изключително голямо. Снабдяване с енергия нервна система на децататялото и по-специално мозъка се осъществява поради два паралелни процеса: карнитин-зависимо окисление на мастни киселини и аеробно окисление на глюкоза. Карнитинът е необходим за растежа на мозъка и гръбначен мозък, за взаимодействието на всички части на нервната система, отговорни за движението и взаимодействието на мускулите. Има проучвания, свързващи дефицита на карнитин на децата церебрална парализа и феномен" смърт в люлката".
Малките деца, недоносените бебета и децата с ниско тегло при раждане са особено чувствителни към дефицит на карнитин. Ендогенните им резерви бързо се изчерпват при различни стресови ситуации (инфекциозни заболявания, стомашно-чревни разстройства, нарушения в храненето). Биосинтезата на карнитин е рязко ограничена поради ниската мускулна маса и приемът от обикновените храни не е в състояние да поддържа достатъчни нива в кръвта и тъканите.
3. След свързване с карнитина, мастната киселина се транспортира през мембраната чрез транслоказа. Тук на вътремембранният ензим карнитин ацилтрансфераза II отново образува ацил-SCoA, който влиза в пътя на β-окисление.
4. Самият процес β-окислениесе състои от 4 реакции, повтарящи се циклично. Те се случват последователно окисление(ацил-SCoA дехидрогеназа), хидратация(еноил-SCoA хидратаза) и отново окисление 3-ти въглероден атом (хидроксиацил-SCoA дехидрогеназа). В последната, трансферазна реакция, ацетил-SCoA се отцепва от мастната киселина. HS-CoA се добавя към останалата (съкратена с два въглерода) мастна киселина и тя се връща към първата реакция. Това се повтаря, докато последният цикъл произведе две ацетил-SCoA.
Последователност от реакции на β-окисление на мастни киселини
Изчисляване на енергийния баланс на β-окисление
Преди това при изчисляване на ефективността на окисление коефициентът P/O за NADH беше приет равен на 3,0, за FADH 2 - 2,0.
По съвременни данни стойността на коефициента P/O за NADH съответства на 2,5, за FADH 2 – 1,5.
При изчисляване на количеството АТФ, образуван по време на β-окислението на мастни киселини, е необходимо да се вземе предвид:
- количеството образуван ацетил-SCoA се определя чрез обичайното разделяне на броя на въглеродните атоми в мастната киселина на 2.
- номер β-окислителни цикли. Броят на β-окислителните цикли е лесен за определяне въз основа на концепцията за мастната киселина като верига от двувъглеродни единици. Броят на прекъсванията между единиците съответства на броя на β-окислителните цикли. Същата стойност може да се изчисли с помощта на формулата (n/2 -1), където n е броят на въглеродните атоми в киселината.
- брой на двойните връзки в мастна киселина. При първата реакция на β-окисление се образува двойна връзка с участието на FAD. Ако двойна връзка вече присъства в мастната киселина, тогава няма нужда от тази реакция и FADN 2 не се образува. Броят на загубените FADN 2 съответства на броя на двойните връзки. Останалите реакции от цикъла протичат без промени.
- количеството ATP енергия, изразходвано за активиране (винаги съответства на две високоенергийни връзки).
Пример. Окисляване на палмитинова киселина
- тъй като има 16 въглеродни атома, β-окислението произвежда 8 ацетил-SCoA молекули. Последният влиза в цикъла TCA; когато се окислява в един оборот на цикъла, се образуват 3 молекули NADH (7,5 ATP), 1 молекула FADH 2 (1,5 ATP) и 1 молекула GTP, което е еквивалентно на 10 молекули на АТФ. И така, 8 молекули ацетил-SCoA ще осигурят образуването на 8 × 10 = 80 АТФ молекули.
- за палмитинова киселина броят на β-окислителните цикли е 7. Във всеки цикъл се произвеждат 1 молекула FADH 2 (1,5 ATP) и 1 молекула NADH (2,5 ATP). Влизайки в дихателната верига, те „дават“ общо 4 молекули АТФ. Така за 7 цикъла се образуват 7 × 4 = 28 молекули АТФ.
- двойни връзки в палмитинова киселина Не.
- 1 молекула АТФ се използва за активиране на мастната киселина, която обаче се хидролизира до АМФ, т.е. 2 макроергични връзкиили два ATP.
Така, обобщавайки, получаваме 80+28-2 =106 При окисляването на палмитинова киселина се образуват АТФ молекули.
КОЕНЗИМИ(син. коензими) - нискомолекулни органични съединения от биологичен произход, необходими като допълнителни специфични компоненти (кофактори) за каталитичното действие на редица ензими. Много витамини са производни на витамини. Biol, ефектът на значителна група витамини (група В) се определя от превръщането им във витамини и ензими в клетките на тялото. Бяха направени опити (и не неуспешни) за директно използване на някои К. за лечение. цели. Трудностите, които възникват в този случай, са, че не винаги се правят количествени определяния на съдържанието на К. в кръвта и органите, а още по-рядко активността на ензимите, които синтезират или унищожават изследвания К., се определя в нормални и патологични условия. Когато при някое заболяване се открие дефицит на един или друг витамин, обикновено се опитват да го премахнат чрез въвеждане на съответния витамин в тялото. Но ако системите за синтез на липсващия витамин са нарушени, което често се случва, тогава въвеждането на такъв витамин губи смисъл: терапевтичен ефектможе да се получи само чрез въвеждане на липсващия коензим. С лех. за целите се използват кокарбоксилаза (виж тиамин), FAD, коензимни форми на витамин B 12 (виж цианокобаламин) и някои други К. За тази цел К. се прилагат парентерално, но дори и при това условие не винаги има увереност, че те могат да проникнат до мястото на тяхното действие (във вътреклетъчната среда), без да се разделят.
Притежава малък кей. тегло, К., за разлика от протеиновите биокатализатори (ензими), се характеризират с термична стабилност и достъпност за диализа. Респираторни хромогени на растения (полифеноли), глутаминова киселина, орнитин, бифосфати (дифосфати) на глюкоза и глицеролна киселина и други метаболити, които действат при определени обстоятелства като кофактори на процесите на ензимен трансфер, често се наричат К. на съответните процеси. По-правилно е терминът "коензим" да се прилага само за съединения, биоли, чиято функция се свежда изцяло или предимно до специфичното им участие в действието на ензимите (виж).
Терминът "коензим" е предложен от G. Bertrand през 1897 г., за да обозначи функцията на мангановите соли, които той счита за специфичен кофактор на фенолаза (лаказа); сега обаче не е обичайно да се класифицират неорганичните компоненти на ензимните системи като К. Съществуването на истински (органичен) К. е установено за първи път от англичаните. биохимици A. Harden и W. Young през 1904 г., които показват, че диализата премахва термостабилното органично вещество, необходимо за действието на ензимния комплекс, който катализира алкохолната ферментация от ензимни екстракти от дрождени клетки (виж). Този спомагателен ферментационен катализатор е наречен cosimase от Harden и Young; нейната структура е създадена през 1936 г. в лабораториите на Х. Ойлер-Хелпин и О. Варбург почти едновременно.
Механизмът на действие на К. не е същият. В много случаи те действат като междинни акцептори (преносители) на определени химикали. групи (фосфат, ацил, амин и др.), водородни атоми или електрони. В други случаи К. участват в активирането на молекули на субстрати на ензимни реакции, образувайки реактивни междинни съединения с тези молекули. Под формата на такива съединения субстратите претърпяват определени ензимни трансформации; Това са функциите на глутатиона (виж) като коензим на глиоксалаза и формалдехид дехидрогеназа, CoA - в редица трансформации на мастни киселини (виж) и др. органичен комплекти т.н.
Типичните К. образуват крехки, силно дисоциирани съединения със специфични протеини (апоензими) на разтворими ензими, от които лесно могат да бъдат разделени чрез диализа (виж) или гел филтрация (виж). В много реакции на групов трансфер, които се случват под действието на конюгата на два ензимни протеина, редуващото се обратимо добавяне на K частици към молекулите на тези протеини се извършва в две форми - акцепторна и донорна (например окислена и редуцирана, фосфорилирана и нефосфорилирана ). Диаграмата по-долу показва (в донякъде опростена форма) механизма на обратим пренос на водород между водородна донорна молекула (AH2) и акцепторна молекула (B) под действието на две дехидрогенази (Pha и Pb) и коензим (Co):
Обща реакция:
В пълния цикъл на редокс процеса (реакции 1-6) коензимът кодехидрогеназа не се променя и не се включва в баланса на реакционните продукти, т.е. служи като катализатор. Ако се вземат предвид последователни фази на цикъла, всяка протичаща с участието на един ензим (реакции 1-3 и 4-6), тогава Co и CoH2 действат наравно с молекулите AN2, A, B, BN2 като втори субстрат . В същия смисъл разликата между субстратите и дисоцииращите съединения, участващи в свързаните реакции на пренос на фосфатни, ацилни, гликозилни и други групи, е относителна.
В много двукомпонентни ензими, изградени като протеиди, апоензимът образува силно, трудно за дисоциация съединение с небелтъчен термостабилен компонент. Непротеиновите компоненти на протеиновите ензими, обикновено наричани простетични групи (напр. флавинови нуклеотиди, пиридоксал фосфат, металопорфирини), взаимодействат със субстрата, оставайки по време на ензимната реакция като част от неразделена молекула на един протеин. Терминът „коензим“ обикновено се разширява, за да взаимодейства химически със субстратни молекули, плътно свързани органични простетични групи от ензими, които е трудно да се разграничат от лесно дисоцииращите ензими, тъй като има постепенни преходи между двата типа кофактори.
По същия начин е невъзможно да се направи рязка граница между К. и някои междинни метаболитни продукти (метаболити), които в ензимните процеси действат или като обикновени субстрати, които претърпяват основно необратима промяна в този процес, или като необходими спомагателни катализатори за свързани ензимни трансформации, от които тези метаболити излизат непроменени. Метаболитите от този вид могат да служат като междинни акцептори на определени групи в процеси на ензимен трансфер, които протичат подобно на процеса, схематично изобразен по-горе (например ролята на полифенолите като преносители на водород в дишането на растителните клетки, ролята на глутаминовата киселина в трансфер на аминогрупи чрез реакции на трансаминиране и др.), или в по-сложни циклични трансформации, включващи няколко ензима (пример е функцията на орнитин в цикъла на образуване на урея). Коензимоподобният ефект на 1,6-бисфосфоглюкозата е от малко по-различно естество; той служи като необходим кофактор и в същото време междинна стъпка в процеса на междумолекулен трансфер на фосфатни остатъци по време на взаимното превръщане на 1-фосфоглюкоза и 6 -фосфоглюкоза под действието на фосфоглюкомутаза, когато молекулата на кофактора трансформира в молекула крайния продукт, давайки един фосфатен остатък на първоначалния продукт, от който се образува нова молекула на кофактора. Абсолютно същата функция изпълнява 2,3-бисфосфоглицероловата киселина по време на взаимното превръщане на 2-фосфоглицерол и 3-фосфоглицероловата киселина, катализирано от друга фосфомутаза.
К. са много разнообразни по химия. структура. Но най-често сред тях има два вида съединения: а) нуклеотиди и някои други органични производни на фосфорни съединения; б) пептиди и техните производни (напр. фолиева киселина, CoA, глутатион). При животните и при много микроорганизми изграждането на молекули от серията K изисква съединения, които не се синтезират от тези организми и трябва да се доставят с храна, т.е. витамини (виж). Водоразтворимите витамини от група В са предимно част от витамини, чиято структура и функции са известни (това се отнася за тиамин, рибофлавин, пиридоксал, никотинамид, пантотенова киселина), или те сами по себе си могат да действат като активни молекули на витамини (витамин B 12, фолиева киселина). Същото вероятно важи и за друга вода мастноразтворими витамини, чиято роля в процесите на биокатализа все още не е напълно изяснена.
Най-важните ензими са изброени по-долу, като се посочва тяхната структура и основните видове ензимни трансформации, в които участват. Статии за отделни К. предоставят по-подробна информация за тяхната структура и механизъм на действие.
Коензими с нуклеотидна природа. Аденил рибонуклеотидите (аденозин-5"-моно-, ди- и трифосфорни киселини) участват в множество реакции на активиране и прехвърляне на орто- и пирофосфатни остатъци, аминокиселинни (аминоацилни) остатъци, въглерод и сярна киселина, както и в редица други ензимни трансформации. В някои случаи подобни функции изпълняват производни на инозин-5"-фосфорни и гуанозин-5"-фосфорни съединения.
Гуаниловите рибонуклеотиди (гуанозин-5"-моно-, ди- и трифосфорни киселини) играят ролята на К. в реакциите на прехвърляне на остатъка от янтарна киселина (сукцинил), биосинтезата на рибонуклеопротеини в микрозоми, биосинтезата на аденилова киселина от инозин и, вероятно, по време на преноса на манозни остатъци.
В биосинтезата на фосфатидите цитидил рибонуклеотидите (цитидин-5"-фосфорни съединения) играят ролята на транспортиращи остатъци от О-фосфоетанол холин, О-фосфоетаноламин и др.
Уридил рибонуклеотидите (уридин-5"-фосфорни съединения) изпълняват K. функции в процесите на трансгликозилиране, т.е. прехвърлянето на монокиселинни остатъци (глюкоза, галактоза и др.) И техните производни (хексозаминови остатъци, глюкуронова киселина и др.) и др.) по време на биосинтезата на ди- и полизахариди, глюкуронозиди, хексозаминиди (мукополизахариди), както и по време на активирането на захарни остатъци и техните производни в някои други ензимни процеси (например взаимното преобразуване на глюкоза и галактоза и др.) .
Никотинамид аденин динуклеотид (NAD) участва в най-важните реакции на пренос на водород за клетъчния метаболизъм като специфичен К. на множество дехидрогенази (виж).
Никотинамид аденин динуклеотид фосфат (NADP) участва в реакциите на пренос на водород, които са важни за клетъчния метаболизъм, като специфичен ензим за определени дехидрогенази.
Флавиновият мононуклеотид (FMN) участва в биологичния, водороден трансфер като К (простетична група) на някои флавинови („жълти“) окислителни ензими.
Флавин аденин динуклеотид (FAD) участва в биологичния, водороден трансфер като К (простетична група) на повечето флавинови („жълти“) окислителни ензими.
Коензим А (CoA, редуцирана форма - KoA-SH, коензим на ацилиране; съединение на аденозин-3,5"-бифосфорна киселина с пантотенил-аминоетантиол или пантетен) образува с остатъци от оцетни и други органични съединения тиоестери от типа R-CO - S-CoA, където R е остатъкът от органична киселина и играе ролята на K. в преноса и активирането на киселинни остатъци, както при реакциите на ацилиране (синтез на ацетилхолин, хипурова киселина, сдвоени камъни в жлъчкатаи др.), както и в много други ензимни трансформации на киселинни остатъци (реакции на кондензация, оксидоредукция или обратима хидратация на ненаситени съединения). С участието на CoA протичат редица междинни реакции на клетъчно дишане, биосинтеза и окисление на мастни киселини, синтез на стероиди, терпени, каучук и др.
Коензим B 12. Възможно е различни биол, функции на витамин В 12, хим. чийто механизъм все още не е ясен, например в процеса на хематопоеза, по време на биосинтезата на метилови групи, трансформации на сулфхидрилни групи (SH групи) и т.н., се дължат на ролята му като К. в процеса на биосинтеза на ензимни протеини.
Други коензими, съдържащи фосфатни остатъци. Дифосфотиаминът служи като киселина при декарбоксилирането (просто и окислително) на пирогроздена, алфа-кетоглутарова и други алфа-кето киселини, както и в реакциите на разцепване на въглеродната верига на фосфорилирани кетозахариди под действието на специална група от ензими (кетолаза, транскетолаза, фосфокетолаза).
Пиридоксал фосфатът се кондензира с аминокиселини (и амини) в активни междинни съединения като бази на Шиф (вижте бази на Шиф); е K (простетична група) от ензими, които катализират реакциите на трансаминиране и декарбоксилиране, както и много други ензими, които извършват различни трансформации на аминокиселини (реакции на разцепване, заместване, кондензация), които играят важна роля в клетъчния метаболизъм.
Пептидни коензими. Формилиращ коензим. Редуцираната фолиева киселина и нейните производни, съдържащи три или седем остатъка от глутаминова киселина, свързани с гама пептидни връзки, играят ролята на К. в междинния метаболизъм на т.нар. едновъглеродни или "C1" остатъци (формил, хидроксиметил и метил), участващи както в реакциите на пренос на тези остатъци, така и в техните редокс взаимно превръщания. Формилови и оксиметилови производни на Н4-фолиевата киселина са „активни форми” на мравчена киселина и формалдехид в процесите на биосинтеза и окисление на метилови групи, в обмяната на серин, глицин, хистидин, метионин, пуринови бази и др.
Глутатион. Редуцираният глутатион (G-SH) действа като K. по време на превръщането на метилглиоксал в млечна киселина под въздействието на глиоксалаза, по време на ензимно дехидрогениране на формалдехид, в определени етапи на биол, окисление на тирозин и др. В допълнение, глутатион (виж) играе основна роля в защитата на различни тиолови (сулфхидрилни) ензими от инактивиране в резултат на окисление на SH групи или тяхното свързване от тежки метали и други SH отрови.
Други коензими. Липоевата киселина е вторият K. на пирогроздена и алфа-кетоглутарова дехидрогеназа (заедно с дифосфотиамин); Под действието на тези ензими, остатъкът от липоева киселина, свързан чрез амидна връзка (CO - NH) със специфични ензимни протеини, функционира като междинен акцептор (преносител) на водородни и ацилови остатъци (ацетил, сукцинил). Други предполагаеми функции на този К. не са достатъчно проучени.
Витамин Е (токоферол), витамин К (филохинон) и продуктите на техните редокс трансформации или тясно свързани производни на n-бензохинон (убихинон, коензим Q) се считат за К (носители на водород), участващи в някои междинни реакции на дихателната окислителна верига. и в свързаното с тях респираторно фосфорилиране (виж). Установено е, че филохинонът (витамин К) играе ролята на витамин К в биосинтезата на алфа-карбоксиглутаминовите остатъци, които са част от молекулите на протеиновите компоненти на системата за кръвосъсирване.
Биотинът е водоразтворим витамин, който действа като витамин или простетична група в редица ензими, които катализират реакциите на карбоксилиране-декарбоксилиране на определени органични съединения (пирогроздена киселина, пропионова киселина и др.). Тези ензими имат структурата на биотинил протеини, в които ацилният остатък (биотинил), съответстващ на биотин, е свързан чрез амидна връзка към N6-амино групата на един от лизиновите остатъци на протеиновата молекула.
Аскорбиновата киселина служи като активатор на ензимната система за окисляване на тирозин в животинските тъкани и някои други ензимни системи (хидроксилази), които действат върху ядрото на ароматни и хетероциклични съединения, включително пептидно свързани пролинови остатъци по време на биосинтезата на колаген, токофероли, Филохинони, флавопротеини.
Библиография:Болдуин Е. Основи на динамичната биохимия, прев. от английски, стр. 55 и др., М., 1949; Витамини, изд. М. И. Смирнова, М., 1974; Dixon M. and Webb E. Enzymes, trans. от англ., М., 1966; Коензими, изд. В. А. Яковлева, М., 1973; Кочетов Г. А. Тиаминови ензими, М., 1978, библиогр.; Ензими, изд. A.E. Braunstein, p. 147, М., 1964, библиогр.
А. Е. Браунщайн.
Като цяло 13 вещества са официално признати за витамини (подробно: в) - това е колекция от органични вещества, жизненоважни за хората. Квазивитамините също са основни вещества, които понякога действат като витамини, много от които са слабо проучени или дори не са открити изобщо. В този текст ще ви разкажем какво знае науката за 3-те най-известни квазивитамини.
Квазивитамините по правило са протеинови молекули, които понякога може да не са включени метаболитни процеси, но при някои обстоятелства изведнъж започват да се проявяват като витамини. Между другото, границата между витамините и квазивитамините е само официалното признаване на веществата като витамини. Например някои автори смятат пантотеновата киселина (витамин В5) и биофлавоноидите (витамин Р) не за витамини, а за квазивитамини.
Най-изследваните квазивитамини включват коензим Q, карнитин, коензим А и някои други вещества.
Коензим Q (известен още като убихинон)
Коензим Q-10 е производно на бензохинон и е широко разпространен в природата. Това е коензим, който обикновено се намира в почти всички клетки на тялото. Може да се синтезира в самия организъм, но с напредването на възрастта способността на тялото да синтезира коензим Q намалява и в крайна сметка изчезва (след 50 години е необходим допълнителен прием на коензим). Понастоящем обаче липсват официални данни за физиологичните нужди от коензим Q.
Убихинонът е от голямо значение за енергийното снабдяване и за нормалното функциониране на човешката имунна система. В допълнение, коензим Q има положителен ефект върху окислителните процеси в човешкото тяло, подобрява окисляването на мазнините и е носител на водородни йони, компоненти на дихателната верига.
Лекарството се използва в комплексна терапиявсички форми на коронарна болест на сърцето, други заболявания на миокарда (възпалителни, дистрофични процеси), сърдечна недостатъчност.
Коензим Q повишава способността за упражнения, използва се след преумора, преди тежки физически натоварвания, както и при спорт(Изследване: Горбачов, Горбачова, 2002).
Контролните проучвания обаче не подкрепят ползата от тази добавка за спортистите, тъй като тя не насърчава активността при упражнения или намалява оксидативния стрес, свързан с упражненията (Изследване: Sarubin, 2005).
Какво съдържа?
Коензим Q се намира в месни продукти, риба, особено сардини, спанак, фъстъци .
Очевидно се среща и в други храни, но тази информация все още не е надеждна. Количеството коензим Q намалява по време на процеса кулинарна обработка(както при повечето витамини).
Коензим Q10 под формата на таблетки се произвежда от много производители и лесно се намира в аптеките.
В повечето случаи Коензим Q се приема по 10–30–60 mg 3 пъти на ден. Въпреки това, дори когато е назначен за големи дози– до 200–300 mg на ден, не са наблюдавани забележими странични ефекти. Курсът на лечение е 1-3 месеца или повече.
При приема на коензим Q е необходимо човешкото тяло да получава достатъчно количество аскорбинова киселина, витамини от група В и селен. Последният спомага за подобряване на синтеза на коензим Q в организма.
Карнитин (L-карнитин)
Карнитинът (известен също като витамин B, който все още не е включен в 13-те официални витамина и е „в процес на разглеждане“) участва в протеините и метаболизма на мазнините. Карнитинът присъства в повечето клетки в тялото, включително мускулни влакна, и подобрява процесите на аеробно производство на енергия в тях, тъй като транспортира мастни киселини в митохондриите, където те се окисляват за освобождаване на енергия. Стимулирайки окислението на мастните киселини, карнитинът спомага за запазването на гликогеновите резерви в клетките и като участва в липидния метаболизъм, предотвратява развитието на атеросклероза.
Поради някои от свойствата си, добавката L-карнитин се продава като добавка за „изгаряне на мазнини“. В отговор много експерти започнаха да го наричат „скъпа урина“, поради липсата на научни доказателства за реален ефект на изгаряне на мазнини.
Ето коментар на един от водещите фитнес експерти Сергей Струков: „В основата на своята работа L-карнитинът осигурява вътреклетъчния транспорт на мазнините до мястото на тяхното изхвърляне. Тук не трябва да очакваме много чудо, особено ако мускулите ни не са тренирани. Карнитинът няма да осигури значително увеличение на „изгорените мазнини“ по време на тренировка и дори ако това е възможно, разликата лесно се компенсира от консумацията на храна през деня. В покой карнитинът не ви помага да изгаряте повече мазнини.
Затова по-добре не разчитайте на карнитина, а контролирайте диетата си. Нека ви напомня, че по традиционния начин можете да се отървете от 0,5-1 кг мазнини на седмица, в зависимост от телесното ви тегло.
Но може би най-важното е, че при двойно-слепи проучвания ергогенният ефект на L-карнитина не е потвърден. Така че това лекарство може само да направи урината ви по-скъпа.
Карнитинът се използва за лечение на мускулна дистрофия, а също и като ефективна ергогенна помощ за повишаване на издръжливостта при спортисти (Изследване: Gorbachev, Gorbacheva, 2002).
Проучване на Sarubin, 2005 г. посочва, че въпреки че има някаква теоретична подкрепа за потенциалните енергийни ефекти от добавянето на карнитин, в момента няма научна основа за спортистите да приемат карнитин за подобряване на представянето.
По същия начин, в по-ранно проучване: тъй като има малко информация за благоприятните ефекти на карнитина върху физическото представяне, няма основание да се препоръчва употребата му от спортисти (Изследване: Williams, 1997).
Положителни свойства на карнитина
Както показаха резултатитедвойно-сляп, плацебо-контролиран проведено през 2007 г. в Италия на 66 столетници, прилагането на L-карнитин (в дневна доза 2 g за 6 месеца) има положителен ефект върху здравето на възрастните хора (изследването е проведено върху извадка от хора на възраст от 100 до 106 години). В края на курса субектите показаха значителни подобрения в общите мазнини (загубиха 1,8 kg мазнини) и мускулна маса(увеличена с 3,8 кг). Пациентите показват значително намалени признаци на физическа и умствена умора и подобрена когнитивна функция, както и намалени нива нахолестерол.
Проучват се някои потенциално полезни свойства на карнитина. Например n невропротективен ефект на L-карнитин, установен в серия от експерименти с животни, може да се свърже с предотвратяването на предизвикано от метамфетамин метаболитно разстройство, което води до енергиен дефицит.В бъдеще карнитинът може да се използва при лечението на някои заболявания на нервната система.
Какво съдържа?
Карнитинът се синтезира от аминокиселините лизин и метионин в черния дроб и бъбреците. За да може тялото да произвежда карнитин, е важно да получи достатъчно количество витамин С. Метаболизмът на карнитина е тясно свързан с витамин С, който участва в синтеза му от лизин. Дефицитът на витамини от група В също допринася за повишен дефицит на карнитин.
За да се осигури на човешкото тяло карнитин, се препоръчва да се ядат пълноценни естествени храни - мляко, сирене, извара, зеленчуци, салата, плодове, нерафинирани зърнени култури, чесън . Дори при спазване на строга диета се препоръчва да ядете месо, риба и птици поне 2 пъти седмично.
Предписва се за възрастни: 2-4 g на ден в 2-4 приема (перорално 30 минути преди хранене). Максималната терапевтична доза е 100-200 mg/kg телесно тегло на ден, прилагана непрекъснато през първите 48 часа, последвана от 2-кратно намаление (при остър миокарден инфаркт).
Странични ефекти: болка в епигастричния регион, диспептични симптоми, мускулна слабост (рядко се наблюдава).
Коензим А
Коензим А участва пряко в енергийните процеси. Всякакъв вид дейност вътрешни органи, мускулна активност и др. – всичко това постоянно изисква участието на коензим А. Основният активен принцип и ядрото на молекулата на коензим А е пантетинът, получен от пантотенова киселина (известна още като витамин В5).
При възникване на хипоксия съдържанието на коензим А в организма намалява. Това се случва по-специално при всички форми на коронарна болест на сърцето. На фона на дефицит на коензим А може да се развие хиперлипидемия (необичайно повишени нива на липидите в кръвта) и хиперхолестеролемия (повишени нива на холестерола в кръвта).
Коензим А намалява холестерола в кръвта и насърчава използването на липиди (мазнини).
Какво съдържа?
В синтеза на коензим А, аскорбиновата киселина и много витамини от група В са важни, както и магнезият, съдържащ се главно в тъмнозелените зеленчуци. листни зеленчуции салати (Изследване: Горбачов, Горбачова, 2002).