Лекция 3: Ферменты, витамины, нуклеиновые кислоты

Курс лекций по общей биологии для 1 курса СПО всех
специальностей
Лекция №3
Ферменты - биологические катализаторы. Строение фермента:
активный центр, субстратная специфичность. Коферменты.
Витамины. Отличия ферментов от неорганических
катализаторов. Нуклеиновые кислоты: ДНК и РНК. Нуклеотиды мономеры нуклеиновых кислот. Строение и функции ДНК.
Строение и функции РНК. АТФ: строение и функции.
__________________________________________________
Нижний Новгород, 2024
Ферменты - биологические катализаторы.
Ферменты - биологические катализаторы белковой природы. Термин “фермент”
(от лат. fermentum - закваска) был предложен в начале XVII в. голландским учёным Ван
Гельмонтом для веществ, влияющих на спиртовое брожение.
В 1878 г. Кюне предложил термин “энзим” (от греч. en - внутри, zyme закваска). Оба названия свидетельствуют о том, что первые сведения об этих веществах
были получены при изучении процессов брожения.
Роль ферментов в жизнедеятельности животных, растений и микроорганизмов
колоссальна. Благодаря каталитической функции разнообразные ферменты
обеспечивают быстрое протекание в организме или вне его огромного числа
химических реакций. Складываясь в единый ансамбль саморегулируемых
биохимических процессов, эти реакции преобразования веществ составляют
минеральную и энергетическую основу непрерывного самообновления белковых тел,
т.е. самой сущности жизненных явлений. И.П. Павлов писал: “Ферменты есть, так
сказать, первый акт жизненной деятельности. Все химические процессы направляются
в теле именно этими веществами, они есть возбудители всех химических превращений.
Все эти вещества играют огромную роль, они обусловливают собою те процессы,
благодаря которым проявляется жизнь, они и есть в полном смысле возбудители
жизни”.
Раздел биохимии, изучающий биологические катализаторы белковой природы,
называется энзимологией. Круг вопросов, изучаемых энзимологией, весьма
разнообразен. Он включает выделение и очистку ферментов с целью установления их
состава и молекулярной структуры; изучение условий и скорости действия ферментов,
а также влияния на них разнообразных физических и химических факторов.
В настоящее время в биологических объектах обнаружено несколько тысяч
индивидуальных ферментов. Подсчитано, что живая клетка может содержать до 1000
различных ферментов, каждый из которых ускоряет ту или иную реакцию.
Общие свойства ферментов и катализаторов
- катализируют только энергетически возможные реакции;
- не смещают положения равновесия, а лишь ускоряют его достижение;
- не расходуются в процессе реакции;
- не участвуют в процессе образования продуктов реакции.
Различия ферментов и катализаторов
- по химическому строению молекулы всех ферментов являются белками;
- эффективность ферментов выше, чем небиологических катализаторов (скорость
протекания реакции при участии ферментов на несколько порядков выше, чем
при участии неорганических катализаторов);
- ферменты работают в более мягких условиях в отличие от катализаторов
неорганической природы (при атмосферном давлении, при температуре 30-40℃,
при значении рН среды близком к нейтральному);
- ферменты обладают высокой специфичностью по отношению к субстрату
(каждый фермент катализирует единственную реакцию либо группу реакций
одного типа);
-
ферменты являются катализаторами с регулируемой активностью, чего нельзя
сказать о катализаторах иной природы (это уникальное свойство ферментов
позволяет изменять скорость превращения веществ в организме в зависимости
от условий среды, т.е. приспосабливаться к действию различных факторов);
- ферментативный процесс можно представить в виде цепи простых химических
превращений вещества, чётко запрограммированных во времени и в
пространстве.
Строение ферментов
Ферменты делятся на простые (протеины - однокомпонентные, состоят только
из белковой части) и сложные (протеиды - двухкомпонентные, состоят из белковой
части и добавочной группы небелковой природы).
Если добавочная группа прочно связана с белковой частью и не может
существовать самостоятельно, то она называется простетической группой.
Если добавочная группа не прочно связана с белковой частью и может
существовать самостоятельно, то она называется коферментом.
В составе как простого, так и сложного фермента выделяют каталитический,
субстратный и аллостерический центры.
Каталитический центр - это участок молекулы фермента, который отвечает за
его каталитическую функцию.
В двухкомпонентных (сложных) ферментах в качестве каталитического центра
выступает простетическая группа или кофермент.
В однокомпонентных (простых) ферментах, которые состоят только из белковой
части, роль каталитического центра выполняют радикалы аминокислотных остатков,
расположенных в различных участках полипептидной цепи. Образование
каталитического центра происходит одновременно с формированием третичной
структуры белковой молекулы ферментов. Чаще всего в состав каталитического центра
простого фермента входят остатки аминокислот: цистеина, тирозина, гистидина,
аргинина, аспарагиновой и глутаминовой кислот. Изменение третичной структуры
фермента под влиянием тех или иных факторов может привести к деформации
каталитического центра и изменению ферментативной активности.
Субстратный центр - это участок молекулы фермента, который связывает
субстрат, подлежащий ферментативному превращению (субстрат - это вещество, на
которое действует фермент).
Субстратный центр называют “якорной площадкой” фермента, где, как судно на
якорь, становится субстрат. Субстрат с ферментом связывается посредством ионных
взаимодействий, водородных связей; иногда субстрат и фермент связываются
ковалентно. Гидрофобные взаимодействия также играют определённую роль при
связывании субстрата с ферментом.
Совместно каталитический и субстратный центры образуют активный центр
фермента. Активный центр большинства ферментов имеют форму щели или впадины,
в которую входит субстрат и прикрепляются к ферменту.
Аллостерический центр - это участок молекулы фермента, в результате
присоединения к которому определённого низкомолекулярного (а иногда и
высокомолекулярного) вещества изменяется третичная структура белковой молекулы
фермента. Как следствие этого изменяется конфигурация активного центра фермента,
сопровождающаяся либо увеличением, либо снижением каталитической активности
фермента. Это явление лежит в основе так называемой аллостерической регуляции
каталитической активности ферментов.
Свойства ферментов
Будучи белками, ферменты обладают всеми их свойствами. Однако по
сравнению с белками, выполняющими другие функции в клетке, ферменты имеют ряд
специфических, присущих только им свойств.
Зависимость активности ферментов от температуры. Температура может
влиять по разному на активность фермента. При высоких значениях температуры
может происходить денатурация белковой части фермента, что негативно сказывается
на его активности. При определённых (оптимальных) значениях температура может
влиять на скорость образования фермент-субстратного комплекса, вызывая увеличение
скорости реакции. Температура, при которой каталитическая активность фермента
максимальна, называется температурным оптимумом фермента. Различные
клеточные ферменты имеют собственные температурные оптимумы, которые
определяются экспериментально. Для ферментов животного происхождения
температурный оптимум находится в интервале 40-50℃. При нагревании выше 80℃
преобладающее большинство ферментов полностью денатурирует.
Зависимость активности ферментов от рН среды. Большинство ферментов
проявляет свою максимальную активность при значениях рН, близких к нейтральным.
Лишь отдельные ферменты “работают” в сильно кислой или сильно щелочной среде.
Например, активность пепсина - фермента, гидролизирующего белки в желудке, максимальна при рН 1,5 - 2,5. В щелочной среде работают ферменты, локализованные
в кишечнике. Изменение оптимального для данного фермента значения рН среды
может привести к изменению третичной структуры фермента, что скажется на его
активности.
Витамины
Витамины - низкомолекулярные органические соединения, не синтезируемые в
организме человека и животных, являющиеся незаменимыми факторами питания и
обладающие высокой биологической активностью.
Ещё в древние времена люди замечали взаимосвязь между пищей и состоянием
здоровья. Так, древняя египетская медицина предполагала, что для избавления от
куриной слепоты необходимо есть большое количество куриной печени. Сейчас
известно, что в этом продукте содержится витамин А, который отвечает, помимо
прочего, за сумеречное зрение. В середине восемнадцатого века врач Джеймс Линд,
долгое время проведший в плавании, обнаружил зависимость между употреблением
матросами кислых продуктов и вероятностью развития у них цинги. Эти исследования
были подтверждены знаменитым капитаном Джеймсом Куком, и уже в конце XVIII
века лаймы и лимоны (или сок из них) стали обязательной частью рациона английских
моряков.
В 1880 г. русский учёный Н.И. Лунин, изучавший роль минеральных веществ в
питании, заметил, что мыши, которых кормили искусственным молоком, в состав
которого входили казеин, жир, сахар и соли, все равно погибали, в то время как
животные, получавшие натуральное молоко, были здоровы и чувствовали себя
нормально. Учёный сделал вывод, что в молоке есть и другие незаменимые для
питания вещества.
Общие свойства витаминов
- они не синтезируются в организме человека и, следовательно, должны
поступать с пищей;
- они не являются ни пластическим, ни энергетическим материалом, но
обеспечивают нормальный метаболизм, т.е. пластические и энергетические
процессы без них невозможны;
- обладают высокой биологической активностью, следовательно, потребность в
них очень маленькая (измеряется миллиграммами);
- эти соединения различной химической природы, но обязательно
низкомолекулярные;
- организм чувствителен как к недостатку, так и к избытку этих соединений,
причём и недостаток и избыток вызывает заболевания со своей характерной
клинической картиной.
Витамин А
Витамин А (ретинол) - жирорастворимый витамин, в своей структуре содержит
β-иононовое кольцо и два изопреновых фрагмента.
Источники витамина А - печень крупного рогатого скота и свиней, яичный
желток, молочные продукты, рыбий жир. В виде провитаминов - 𝝰-, β-, ℽ-каротинов содержится в моркови, томатах, перце, салате. Суточная потребность в ретиноле 2 - 2,7
мг, каротинах - 5 мг.
Биологическая роль:
- участвует в свето- и цветовосприятии, т.к. в виде ретиналя является составной
частью зрительных пигментов - родопсина и йодопсина, содержащихся в
сетчатке глаза;
- регулирует рост и дифференцировку клеток, репродукцию и эмбриональное
развитие (ретиноевая кислота);
- обеспечивает регенерацию эпителиальной ткани.
Витамин D
Витамин D (кальциферол, антирахитический витамин) относится к группе
жирорастворимых витаминов и существует в виде нескольких соединений,
различающихся по химическому строению и биологической активности. Наибольшей
активностью обладают две формы - холекальциферол D3 и эргокальциферол D2
Источники витамина D - яйца, сливочное масло, рыбий жир, а также синтез в
коже из провитаминов. Суточная потребность в витамине D составляет 10-25 мкг (500 1000 МЕ) в зависимости от возраста, физиологического состояния организма,
соотношения солей кальция и фосфора в рационе.
Биологическая роль.
- в кишечнике усиливает всасывание кальция и фосфора;
- в почечных канальцах увеличивает реабсорбцию кальция и фосфора;
- в костной ткани вызывает резорбцию и выведение кальция и фосфора в кровь.
Гиповитаминоз. Несбалансированная по кальцию и фосфору пища,
недостаточность воздействия солнечного света, а также дефицит витамина D в
пищевом рационе приводят к заболеванию рахитом. Это заболевание связано с
замедлением процессов минерализации и нарушением костеобразования у детей.
Рахит ведёт за собой позднее прорезывание зубов у детей, размягчение костей и
их искривление, изменение формы грудной клетки (“килеобразная” грудь), увеличение
живота из-за атонии мышц.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты - самые крупные из молекул, образуемых живыми
организмами. Их молекулярная масса может быть от 10000 до нескольких миллионов
углеродных единиц.
Так как наиболее высокое содержание нуклеиновых кислот было обнаружено в
ядрах клеток, то они и получили своё название от латинского “нуклеус” - ядро. Хотя
теперь выяснено, что нуклеиновые кислоты есть и в цитоплазме, и в целом ряде
органоидов - митохондриях, пластидах.
Нуклеиновые кислоты являются биополимерами, состоящими из мономеров нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из фосфатной группы, пятиуглеродного
сахара (пентозы) и азотистого основания.
Остаток фосфорной кислоты, связанный с пятым атомом С в пентозе, может
соединяться ковалентной связью с гидроксильной группой возле третьего атома С
другого нуклеотида. Обратите внимание: концы цепочки нуклеотидов, связанных в
нуклеиновую кислоту, разные. На одном конце расположен связанный с пятым атомом
пентозы фосфат, и этот конец называется 5`-концом (читается “пять-штрих”). На
другом конце остаётся не связанная с фосфатом ОН-группа около третьего атома
пентозы (3`-конец). Благодаря реакции полимеризации нуклеотидов образуются
нуклеиновые кислоты.
В зависимости от вида пентозы различают два типа нуклеиновых кислот дезоксирибонуклеиновые (сокращённо ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Название
кислот обусловлено тем, что молекула ДНК содержит дезоксирибозу, а молекула РНК рибозу.
Строение ДНК. Молекула ДНК имеет сложное строение. Она состоит из двух
спирально закрученных цепей, которые по всей длине соединены друг с другом
водородными связями. Такую структуру, свойственную только молекулам ДНК,
называют двойной спиралью.
Нуклеотиды, входящие в состав ДНК, содержат дезоксирибозу, остаток
фосфорной кислоты и одно из четырёх азотистых оснований: аденин, гуанин,
цитозин, тимин. Они и определяют названия соответствующих нуклеотидов:
адениловый (А), гуаниловый (Г), цитидиловый (Ц), и тимидиловый (Т).
Каждая цепь ДНК представляет полинуклеотид, который может состоять из
нескольких десятков тысяч и даже миллионов нуклеотидов. Нуклеотиды, входящие в
состав одной цепи, последовательно соединяются за счёт образования ковалентных
связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты другого
нуклеотида. Азотистые основания, которые располагаются по одну сторону от
образовавшегося остова одной цепи ДНК, формируют водородные связи с азотистыми
основаниями второй цепи. Таким образом, в спиральной молекуле двухцепочечной
ДНК азотистые основания находятся внутри спирали. Структура спирали такова, что
входящие в её состав полинуклеотидные цепи могут быть разделены только после
раскручивания спирали.
В двойной спирали ДНК азотистые основания одной цепи располагаются в
строго определённом порядке против азотистых оснований другой. Между аденином и
тимином всегда возникают две, а между гуанином и цитозином - три водородные связи.
В связи с этим обнаруживается важная закономерность: против аденина одной цепи
всегда располагается тимин другой цепи, против гуанина - цитозин и наоборот. Таким
образом, пары нуклеотидов аденин и тимин, а также гуанин и цитозин строго
соответствуют друг другу и являются дополнительными (пространственное взаимное
соответствие), или комплементарными (от лат. complementum - дополнение).
Следовательно, у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу
тимидиловых, а число гуаниловых - числу цитидиловых. А зная последовательность
расположения нуклеотидов в одной цепи ДНК по принципу комплементарности,
можно установить нуклеотиды другой цепи.
Структура каждой молекулы ДНК строго индивидуальна и специфична, так как
представляет собой кодовую форму записи биологической информации (генетический
код). Другими словами, с помощью четырёх типов нуклеотидов в ДНК записана вся
важная информация об организме, передающаяся по наследству последующим
поколениям.
Молекулы ДНК в основном находятся в ядрах клеток, но небольшое их
количество содержится в митохондриях и пластидах.
Строение РНК. Молекула РНК в отличие от молекулы ДНК - полимер,
состоящий из одной цепочки значительно меньших размеров. Мономерами РНК
являются нуклеотиды, состоящие из рибозы, остатка фосфорной кислоты и одного из
четырех азотистых оснований. Три азотистых основания - аденин, гуанин и цитозин такие же, как и у ДНК, а четвертым является урацил.
Образования полимера РНК происходит так же, как и у ДНК, через ковалентные
связи между рибозой и остатком фосфорной кислоты соседних нуклеотидов. Молекула
РНК может содержать от 75 до 10000 нуклеотидов.
Типы РНК. Выделяют три основных типа РНК, различающихся по структуре,
величине молекул, расположению в клетке и выполняемым функциям.
Рибосомные РНК (рРНК) синтезируются в основном в ядрышке и составляют
примерно 85% всех РНК клетки. Они входят в состав рибосом и участвуют в
формировании активного центра рибосомы, где происходит процесс биосинтеза белка.
Транспортные РНК (тРНК) образуются в ядре на ДНК, затем переходят в
цитоплазму. Они составляют около 10% клеточной РНК и являются самыми
небольшими по размеру РНК, состоящими из 70-100 нуклеотидов. Каждая тРНК
присоединяет определённую аминокислоту и транспортирует её к месту сборки
полипептида в рибосоме.
Все известные тРНК за счёт комплементарного взаимодействия образуют
вторичную структуру, по форме напоминающую лист клевера. В молекуле тРНК есть
два активных участка: триплет-антикодон на одном конце и акцепторный конец на
другом.
Каждой аминокислоте соответствует комбинация из трёх нуклеотидов - триплет.
Кодирующие аминокислоты триплеты - кодоны ДНК - передаются в виде информации
триплетов (кодонов) иРНК. У верхушки клеверного листа располагается триплет
нуклеотидов, который комплементарен соответствующему кодону иРНК. Этот триплет
различен для тРНК, переносящих разные аминокислоты, и кодирует именно ту
аминокислоту, которая переносится данной тРНК. Он получил название антикодон.
Акцепторный конец является “посадочной площадкой” для аминокислоты.
Информационные, или матричные, РНК (иРНК) составляют около 5% всей
клеточной РНК. Они синтезируются на участке одной из цепей молекулы ДНК и
передают информацию о структуре белка из ядра клеток к рибосомам, где эта
информация реализуется. В зависимости от объёма копируемой информации молекула
иРНК может иметь различную длину.
Таким образом, различные типы РНК представляют собой единую
функциональную систему, направленную на реализацию наследственной информации
через синтез белка.
Молекулы РНК находятся в ядре, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и
пластидах клетки.
Все типы РНК, за исключением генетической РНК вирусов, не способны к
самоудвоению и самосборке.
АТФ. Строение. Функции.
Нуклеотиды являются структурной основой для целого ряда важных для
жизнедеятельности органических веществ. Наиболее широко распространённым среди
них являются макроэргические соединения (высокоэнергетические соединения,
содержащие богатые энергией, или макроэргические, связи), а среди последних адезинтрифосфат (АТФ).
АТФ состоит из азотистого основания аденина, углевода рибозы и (в отличие от
нуклеотидов ДНК и РНК) трёх остатков фосфорной кислоты
АТФ - универсальный хранитель и переносчик энергии в клетке. Практически
все идущие в клетке биохимические реакции, которые требуют затрат энергии, в
качестве её источника используют АТФ. При отделении одного остатка фосфорной
кислоты АТФ переходит в адезиндифосфат (АДФ), если отделяется ещё один остаток
фосфорной кислоты (что бывает крайне редко), то АДФ переходит в
адезинмонофосфат (АМФ). При отделении третьего и второго остатков фосфорной
кислоты освобождается большое количество энергии (до 40 кДж). Именно поэтому
связь между этими остатками фосфорной кислоты называют макроэргической (она
обозначается символом ~). Связь между рибозой и первым остатком фосфорной
кислоты макроэргической не является, и при её расщеплении выделяется всего около
14 кДж энергии.
АТФ + Н2О = АДФ + Н3РО4 + 40 кДж,
АДФ + Н2О = АМФ + Н3РО4 + 40 кДж.
Макроэргические соединения могут образовываться и на основе других
нуклеотидов. Например, гуанозинтрифосфат (ГТФ) играет важную роль в ряде
биохимических процессов, однако АТФ является наиболее распространённым и
универсальным источником энергии для большинства биохимических реакций,
протекающих в клетке. АТФ содержится в цитоплазме, митохондриях, пластидах и
ядрах.