Биология

Состояние белкового обмена целостного организма зависит не только от количества принимаемого с пищей белка, но и от качественного состава его. В опытах на животных было показано, что получение одинакового количества разных пищевых белков сопровождается в ряде случаев развитием отрицательного азотистого баланса. Так, скармливание равного количества казеина и желатина крысам приводило к положительному азотистому балансу в первом случае и к отрицательному — во втором. Имел значение различный аминокислотный состав белков, что послужило основанием для предположения о существовании в природе якобы «неполноценных» белков. Оказалось, что из 20 аминокислот в желатине почти отсутствуют (или содержатся в малых количествах) валин, тирозин, метионин и цистеин; кроме того, желатин характеризуется другим, отличным от казеина процентным содержанием отдельных аминокислот. Этим можно объяснить тот факт, что замена в питании крыс казеина на желатин приводит к развитию отрицательного азотистого баланса. Приведенные данные свидетельствуют о том, что различные белки обладают неодинаковой пищевой ценностью. Поэтому для удовлетворения пластических потребностей организма требуются достаточные количества разных белков пищи. По-видимому, справедливо положение, что, чем ближе аминокислотный состав принимаемого пищевого белка к аминокислотному составу белков тела, тем выше его биологическая ценность. Следует, однако, отметить, что степень усвоения пищевого белка зависит также от эффективности его распада под влиянием ферментов желудочно-кишечного тракта. Ряд белковых веществ (например, белки шерсти, волос, перьев и др.), несмотря на их близкий аминокислотный состав к белкам тела человека, почти не используются в качестве пищевого белка, поскольку они не гидролизуются протеиназами кишечника человека и большинства животных.

С понятием биологической ценности белков тесно связан вопрос об эссенциальных (незаменимых) аминокислотах. Живые организмы существенно различаются в зависимости от их способности синтезировать аминокислоты или другие азотсодержащие соединения, которые они могут использовать для биосинтеза аминокислот. Высшие растения, например, могут синтезировать все необходимые для белкового синтеза аминокислоты, причем могут использовать для этого аммиак или нитраты в качестве источника азота. Микроорганизмы обладают различной способностью синтезировать аминокислоты. В частности, если Е. coli синтезирует все аминокислоты, используя нитриты и нитраты или аммиак, то молочнокислые бактерии не обладают этой способностью и получают аминокислоты в готовом виде из молока. Высшие позвоночные животные не синтезируют все необходимые аминокислоты. В организме человека и белых крыс синтезируются только 10 из 20 необходимых аминокислот — так называемые заменимые аминокислоты. Они могут быть синтезированы из продуктов обмена углеводов и липидов. Ещё 2 называются частично заменимыми — они могут быть синтезированы из другой аминокислоты, и частично теряют свою важность в процессе онтогенеза — это аргинин и гистидин. Остальные 8 аминокислот не синтезируются в организме, поэтому они были названы жизненно необходимыми — эссенциальными, или незаменимыми аминокислотами.

Незаменимость аминокислот для роста и развития организма человека объясняется отсутствием способности клеток синтезировать углеродные скелеты незаменимых аминокислот, поскольку процесс аминирования соответствующих кетопроизводных осуществляется сравнительно легко посредством реакций трансаминирования. Следовательно, для обеспечения нормальной жизнедеятельности человека и животных все эти 10 аминокислот должны поступать с пищей.

Следует напомнить, что для взрослого человека аргинин и гистидин оказались частично заменимыми. Г. Роуз наблюдал людей, получавших искусственную пищу, в которой белок был полностью заменен смесью 20 аминокислот. Он установил, что для сохранения нормальной массы тела и работоспособности имеют значение не только определенное количество каждой аминокислоты и соотношение незаменимых аминокислот в подобной диете, но и содержание в последней общего азота.

Исключение какой-либо незаменимой аминокислоты из пищевой смеси сопровождается развитием отрицательного азотистого баланса, истощением, остановкой роста, нарушениями функции нервной системы и др. В опытах на крысах были установлены следующие величины незаменимых аминокислот, необходимых для оптимального роста, относительно триптофана, принятого за единицу: лизина 5; лейцина 4; валина 3,5; фенил-аланина 3,5; метионина 3; изолейцина 2,5; треонина 2,5; гистидина 2; аргинина 1. Имеются доказательства, что примерно такое же соотношение незаменимых аминокислот требуется для человека.

В настоящее время качество пищевых белков оценивают по коэффициенту их усвоения. Он учитывает аминокислотный состав (химическую ценность) и полноту переваривания (биологическую ценность) белков. Продукты, имеющие коэффициент усвоения равный 1,0, являются наиболее полноценными источниками белка.

Высококачественными белковыми продуктами являются молоко, яйца и мясо, которые, к сожалению, часто содержат довольно много жира, поэтому необходимо помнить, что при наличии даже небольшого количества жира следует ограничить себя в излишнем потреблении калорий.

Предпочтительные белковые продукты: нежирные сыры, обезжиренный творог, яичный белок, большинство свежей рыбы и морепродукты, нежирная телятина, молодой барашек, куры, индейка, предпочтительно белое мясо без кожицы, соевое мясо, соевое молоко или соевые сыры (тофу).

Менее предпочтительные продукты: темное мясо кур и индеек, домашний творог, нежирная нарезка холодного копчения, красное мясо (вырезка), переработанное мясо: бекон, салями, ветчина, молоко и йогурты с сахаром.

Яичный белок представляет собой чистый белок, лишенный жира. Постное мясо содержит в себе около 50 % калорий, приходящихся на долю белков, снятое (обезжиренное) молоко — 40 %, овощи — около 30 % и содержащие крахмалы продукты — около 15 %.

Лучше усваиваются белки, подвергнутые тепловой обработке, так как они становятся более доступными для ферментов желудочно-кишечного тракта (ЖКТ). Однако, тепловая обработка может снижать биологическую ценность белка из-за разрушения некоторых аминокислот.

Современная функциональная классификация и номенклатура ферментов предложены Международной комиссией по ферментам в 1961 г. Согласно этой классификации все ферменты подразделяются на 6 классов:

1. Оксидоредуктазы- окислительно-восстановительные реакции, т.е. отнятия и присоединения (±) 2Н.
2. Трансферазы — катализируют реакции фосфорилирования субстратов с затратами или образованием АТФ; все реакции, в которых участвуют киназы, практически необратимы.
3. Гидролазы
4. Лиазы – катализируют реакции гидратации и дегидратации (± Н₂О).
5. Изомеразы — катализируют реакции взаимопревращения различных изомеров. Рассмотрим номенклатуру некоторых подклассов изомераз – мутаз, изомераз и эпимераз. Следует помнить, что все реакции, катализируемые изомеразами, обратимы.
6. Лигазы (синтетазы).

Каждый класс содержит несколько подклассов – в первом классе 17 классов, во втором  – 8, третьем – 11, четвертом – 7, пятом – 6 и шестом – 5 подклассов.

Каждый фермент имеет 4-значный код, который обозначает:

• первое число – номер класса, к которому относится данный фермент,
• второе число обозначает подкласс,
• третье число – номер подподкласса,
• четвертое – порядковый номер фермента в подподклассе.

Таким образом, КФ 2.7.1.1. означает, что фермент относится к классу 2 (трансфераза), подклассу 7 (перенос фосфата) и подподклассу 1 (акцептором фосфата является спиртовая группа). Последняя цифра фермента обозначает гексокиназу, или АТФ: D-гекзсозо-6-фосфотрансферазу, т.е. фермент, катализирующий перенос фосфата с АТФ на гидроксильную группу атома углерода в шестом положении глюкозы.

1 этап. Транскрипция ДНК. На транскрибируемой цепи ДНК с помощью ДНК-зависимой РНК-полимеразы достраивается комплементарная цепь мРНК. Молекула мРНК является точной копией нетранскрибируемой цепи ДНК с той разницей, что вместо дезоксирибонуклеотидов в ее состав входят рибонуклеотиды, в состав которых вместо тимина входит урацил.

2 этап. Процессинг (созревание) мРНК. Синтезированная молекула мРНК (первичный транскрипт) подвергается дополнительным превращениям. В большинстве случаев исходная молекула мРНК разрезается на отдельные фрагменты. Одни фрагменты – интроны – расщепляются до нуклеотидов, а другие – экзоны – сшиваются в зрелую мРНК. Процесс соединения экзонов «без узелков» называется сплайсинг.

Сплайсинг характерен для эукариот и архебактерий, но иногда встречается и у прокариот. Существует несколько видов сплайсинга. Сущность альтернативного сплайсинга заключается в том, что одни и те же участки исходной мРНК могут быть и интронами, и экзонами. Тогда одному и тому же участку ДНК соответствует несколько типов зрелой мРНК и, соответственно, несколько разных форм одного и того же белка. Сущность транс–сплайсинга заключается в соединение экзонов, кодируемых разными генами (иногда даже из разных хромосом), в одну зрелую молекулу мРНК.

3 этап. Трансляция мРНК. Трансляция (как и все матричные процессы) включает три стадии: инициацию (начало), элонгацию (продолжение) и терминацию (окончание).

Инициация. Сущность инициации заключается в образовании пептидной связи между двумя первыми аминокислотами полипептида.

Первоначально образуется инициирующий комплекс, в состав которого входят: малая субъединица рибосомы, специфические белки (факторы инициации) и специальная инициаторная метиониновая тРНК с аминокислотой метионином  – Мет–тРНК^Мет. Инициирующий комплекс находит мРНК и присоединяется к ней в точке инициации (начала) биосинтеза белка: в большинстве случаев это стартовый кодон АУГ. Между стартовым кодоном мРНК и антикодоном метиониновой тРНК происходит кодонзависимое связывание с образованием водородных связей. Затем происходит присоединение большой субъединицы рибосомы.

При объединении субъединиц образуется целостная рибосома, которая несет два активных центра (сайта): А–участок (аминоацильный, служит для присоединения аминоацил-тРНК) и Р–участок (пептидилтрансферазный, служит для образования пептидной связи между аминокислотами).

Первоначально Мет–тРНК^Мет находится на А–участке, но затем перемещается на Р–участок. На освободившийся А–участок поступает аминоацил-тРНК с антикодоном, который комплементарен кодону мРНК, следующему за кодоном АУГ. В нашем примере это Гли–тРНК^Гли с антикодоном ЦЦГ, который комплементарен кодону ГГЦ. В результате кодонзависимого связывания между кодоном мРНК и антикодоном аминоацил-тРНК образуются водородные связи. Таким образом, на рибосоме рядом оказываются две аминокислоты, между которыми образуется пептидная связь. Ковалентная связь между первой аминокислотой (метионином) и её тРНК разрывается.

После образования пептидной связи между двумя первыми аминокислотами рибосома сдвигается на один триплет. В результате происходит транслокация (перемещение) инициаторной метиониновой тРНК^Мет за пределы рибосомы. Водородная связь между стартовым кодоном и антикодоном инициаторной тРНК разрывается. В результате свободная тРНК^Мет отщепляется и уходит на поиск своей аминокислоты. Вторая тРНК вместе с аминокислотой (в нашем примере Гли–тРНК^Гли) в результате транслокации оказывается на Р–участке, а А–участок освобождается.

Элонгация. Сущность элонгации заключается в присоединении последующих аминокислот, то есть в наращивании полипептидной цепи. Рабочий цикл рибосомы в процессе элонгации состоит из трех шагов: кодонзависимого связывания мРНК и аминоацил-тРНК на А–участке, образования пептидной связи между аминокислотой и растущей полипептидной цепью и транслокации с освобождением А–участка.

На освободившийся А–участок поступает аминоацил-тРНК с антикодоном, соответствующим следующему кодону мРНК (в нашем примере это Тир–тРНК^Тир с антикодоном АУА, который комплементарен кодону УАУ).

На рибосоме рядом оказываются две аминокислоты, между которыми образуется пептидная связь. Связь между предыдущей аминокислотой и её тРНК (в нашем примере между глицином и тРНК^Гли) разрывается.

Затем рибосома смещается еще на один триплет, и в результате транслокации тРНК, которая была на Р–участке (в нашем примере тРНК^Гли), оказывается за пределами рибосомы и отщепляется от мРНК. А–участок освобождается, и рабочий цикл рибосомы начинается сначала.

Терминация. Сущность терминации заключается в окончании синтеза полипептидной цепи. Рибосома под воздействием определенных белков вновь разделяется на субъединицы.

В конце концов, рибосома достигает такого кодона мРНК, которому не соответствует ни одна тРНК (и ни одна аминокислота). Существует три таких нонсенс–кодона: УАА («охра»), УАГ («янтарь»), УГА («опал»). На этих кодонах мРНК рабочий цикл рибосомы прерывается, и наращивание полипептида прекращается.

Модификация белков. Как правило, синтезированный полипептид подвергается дальнейшим химическим превращениям. Исходная молекула может разрезаться на отдельные фрагменты; затем одни фрагменты сшиваются, другие гидролизуются до аминокислот. Простые белки могут соединяться с самыми разнообразными веществами, образуя гликопротеины, липопротеины, металлопротеины, хромопротеины и другие сложные белки. Кроме того, аминокислоты уже в составе полипептида могут подвергаться химическим превращениям. Например, аминокислота пролин, входящая в состав белка проколлагена, окисляется до гидроксипролина. В результате из проколлагена образуется коллаген – основной белковый компонент соединительной ткани. Реакции модификации белков называются ступенчатыми (они не являются реакциями матричного типа).

Энергетика биосинтеза белков

Биосинтез белков – очень энергоемкий процесс. При аминоацилировании тРНК затрачивается энергия одной связи молекулы АТФ, при кодонзависимом связывании аминоацил-тРНК – энергия одной связи молекулы ГТФ, при перемещении рибосомы на один триплет – энергия одной связи еще одной молекулы ГТФ. В итоге на присоединение аминокислоты к полипептидной цепи затрачивается около 100 кДж/моль. При гидролизе же пептидной связи высвобождается лишь 2 кДж/моль. Таким образом, при биосинтезе большая часть энергии безвозвратно теряется (рассеивается в виде тепла).

Биосинтез белков в клетках представляет собой начальный этап реализации, или экспрессии генетической информации. В основе биосинтеза единичного белка лежит последовательность реакций матричного типа, в ходе которых последовательная передача наследственной информации с одного типа молекул на другой приводит к образованию полипептидов с генетически обусловленной структурой.

В биосинтезе белков принимают участие разнообразные вещества и структуры: ДНК, мРНК, тРНК, рибосомы, разнообразные ферменты, источники энергии (АТФ и ГТФ), а также нуклеотиды (точнее, рибонуклеотиды) и аминокислоты.

Двухспиральная, или двухцепочечная ДНК является основным носителем генетической информации. В частности, ДНК содержит информацию о структуре белков. Отражение структуры белков с помощью последовательностей нуклеотидов ДНК называется кодом ДНК, или генетическим кодом (кодированием называется отражение одних объектов с помощью других). Благодаря генетическому коду устанавливается однозначное соответствие между нуклеотидными последовательностями ДНК и аминокислотами, входящими в состав белков. При биосинтезе белков единицей генетического кода является триплет ДНК – последовательность из трех пар нуклеотидов (точнее, дезоксирибонуклетотидов) в двухцепочечной ДНК или последовательность из трех нуклеотидов в единичной цепи ДНК. Одна из цепей ДНК называется кодирующей (+), и её триплеты называются кодонами. Другая, комплементарная цепь ДНК называется антикодирующей (–), и её триплеты называются антикодонами.

Матричная, или информационная РНК является посредником в передаче генетической информации и служит матрицей для синтеза полипептида на рибосомах. Каждая молекула мРНК синтезируется на матрице антикодирующей цепи ДНК из отдельных нуклеотидов (рибонуклеотидов) в соответствии с правилами комплементарности (А → У; Т → А; Г → Ц; Ц → Г ). В результате образуется последовательность триплетов, отражающая структуру кодирующей цепи ДНК. Таким образом, триплеты мРНК являются кодонами.

Транспортная РНК осуществляет доставку аминокислот на рибосомы, причем одна молекула тРНК переносит одну молекулу аминокислоты. Плоскостная модель тРНК по общей конформации напоминает клеверный лист на черешке. «Черешок» несет аминокислоту, которая ковалентно присоединяется к тРНК с помощью ферментов – аминоацил-тРНК-синтетаз (эта реакция называется аминоацилированием тРНК, а комплекс из молекулы тРНК и соответствующей аминокислоты называется аминоацил–тРНК). Существует 61 тип тРНК, и каждому типу соответствует строго определенная аминокислота (существует 20 аминокислот, участвующих в синтезе полипептида на рибосомах). В то же время, определенной аминокислоте обычно соответствует несколько типов тРНК. «Вершина листа» несет антикодон – распознающий триплет, в котором последовательность нуклеотидов комплементарна по отношению к определенному кодону мРНК. Каждый тип тРНК характеризуется собственным антикодоном. На рибосомах к определенному кодону мРНК с помощью специфического белка присоединяется антикодон соответствующей молекулы аминоацил-тРНК; такое связывание мРНК и аминоацил-тРНК называется кодонзависимым. На рибосомах аминокислоты соединяются между собой с помощью пептидных связей, а освободившиеся молекулы тРНК уходят на поиски свободных аминокислот.

К главным матричным процессам, обеспечивающим биосинтез белков, относятся транскрипция ДНК и трансляция мРНК. Транскрипция ДНК заключается в переписывании информации с ДНК на мРНК (матричную, или информационную РНК). Трансляция мРНК заключается в переносе информации с мРНК на полипептид. Последовательность матричных реакций при биосинтезе белков можно представить в виде схемы:

Изоферменты, или изоэнзимы,– это множественные формы фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся друг от друга по физическим и химическим свойствам, в частности по сродству к субстрату, максимальной скорости катализируемой реакции (активности), электрофоретической подвижности или регуляторным свойствам.

В живой природе имеются ферменты, молекулы которых состоят из двух и более субъединиц, обладающих одинаковой или разной первичной, вторичной или третичной структурой. Субъединицы нередко называют протомерами, а объединенную олигомерную молекулу – мультимером.

Считают, что процесс олигомеризации придает субъединицам белков повышенную стабильность и устойчивость по отношению к действию денатурирующих агентов, включая нагревание, влияние протеиназ и др. Однако на нынешнем этапе знаний нельзя ответить однозначно на вопрос о существенности четвертичной структуры для каталитической активности ферментов, поскольку пока отсутствуют методы, позволяющие в «мягких» условиях разрушить только лишь четвертичную структуру. Применяемые обычно методы жесткой обработки (экстремальные значения рН, высокие концентрации гуанидинхлорида или мочевины) приводят к разрушению не только четвертичной структуры, но и вторичной и третичной структур стабильного олигомерного фермента, протомеры которого оказываются денатурированными и, как следствие этого, лишенными биологической активности.

Некоторые вещества могут вызывать замедление ферментативных реакций, действуя как ингибиторы. При этом они соединяются с субстратом сами, занимая место фермента и сводя на нет ферментативный эффект (конкурентное ингибирование), или вызывают денатурацию ферментативного белка (неконкурентное ингибирование).

Ингибиторами ферментов являются многие лекарственные вещества природного или синтетического происхождения. Метаболиты также могут быть ингибиторами ферментов в процессах регуляции.

Типы ингибирования

Большинство ингибиторов ферментов действуют обратимо, т. е. не вносят в молекулу фермента каких-либо изменений после своей диссоциации. Однако существуют также необратимые ингибиторы ферментов, которые необратимо модифицируют целевой фермент. Принцип действия ингибитора, тип его ингибирования определяют путем сравнения кинетики реакции в присутствии ингибиторам без него. Различают конкурентное и неконкурентное ингибирование. В регуляции обмена веществ важную роль играет аллостерическое ингибирование.

Так называемые аналоги субстрата  имеют свойства, подобные свойствам субстрата целевого фермента. Они обратимо блокируют часть молекул имеющегося в наличии фермента, но не могут далее превращаться в продукт. Поэтому для достижения половины максимальной скорости реакции необходимы более высокие концентрации субстрата: в присутствии такого ингибитора константа Михаэлиса K_m растет. Субстрат в высоких концентрациях вытесняет ингибитор с фермента. Поэтому максимальная скорость V  при этом типе торможения не претерпевает изменений. Так как субстрат и ингибитор конкурируют за место связывания на ферменте, данный тип торможения называют конкурентным. Аналоги переходного состояния  также действуют как конкурентные ингибиторы.

Если ингибитор реагирует с функционально важной группой фермента, не препятствуя связыванию субстрата, такое ингибирование называется неконкурентным. В этом случае K_m остается неизменной, напротив уменьшается концентрация функционально активного фермента [Е] _t и, следовательно, максимальная скорость реакции V. Неконкурентные ингибиторы действуют как правило необратимо, поскольку они модифицируют функциональные группы целевого фермента.

В случае так называемых «суицидных субстратов»  речь идет о субстратных аналогах, содержащих дополнительно реакционную группу. Вначале они связываются обратимо, а затем образуют ковалентное соединение с активным центром фермента. Поэтому ингибирование такими соединениями проявляется как неконкурентное. Известным примером такого ингибитора является антибиотик пенициллин.

Аллостерические ингибиторы связываются с отдельными участками фермента вне активного центра. Такое связывание влечет за собой конформационные изменения в молекуле фермента, которые приводят к уменьшению его активности. Аллостерические эффекты встречаются практически только в случае олигомерных ферментов. Кинетику таких систем нельзя описать с помощью простой модели Михаэлиса-Ментен.

Кинетика ингибирования

Конкурентное ингибирование легко можно отличить от неконкурентного при использовании графика Иди-Хофсти. Как уже упоминалось, конкурентные ингибиторы влияют только на K_m , но не на V. Полученные в отсутствие и в присутствии ингибитора прямые на графике пересекаются на оси ординат. Прямые для неконкурентного ингибирования имеют одинаковый наклон (К_m не изменяется), однако по мере увеличения концентрации ингибитора отрезки, отсекаемые этими прямыми на оси ординат, становятся все короче. Для аллостерических ферментов нельзя применять график Иди-Хофсти, имеющий в этом случае нелинейный характер (здесь не приведен).

Многие ферментативные реакции включают перенос электронов или групп атомов с одного субстрата на другой. В таких реакциях всегда принимают участие вспомогательные соединения (коферменты), которые выполняют функцию промежуточных переносчиков атомов или функциональных групп. Так как эти вещества каталитически не активны, правильнее было бы их называть косубстратами. Ферменты обычно высокоспецифичны к своим субстратам, коферменты же взаимодействуют со многими ферментами, обладающими различной субстратной специфичностью.

По способам взаимодействия с ферментом различают растворимые коферменты и простатические группы. Растворимый кофермент  присоединяется во время реакции к молекуле фермента подобно субстрату, химически изменяется и затем снова освобождается. Первоначальная форма кофермента регенерируется во второй, независимой реакции. Простетической группой называется кофермент, который прочно связан с ферментом и во время реакции его не покидает. Группа, связавшаяся с коферментом, далее переносится на следующий субстрат или другую молекулу кофермента.

Примеры окислительно-восстановительных коферментов

Все оксидоредуктазы нуждаются в коферменте. Они могут действовать в растворимой форме (Р) или в виде простетической группы (П). Окислительно-восстановительные реакции, наряду с переносом электронов, часто включают перенос одного или двух протонов. Поэтому обычно принято говорить о переносе восстановительных эквивалентов. Стандартный потенциал E^o’ простетической группы  может значительно отличаться в зависимости от окружения в молекуле фермента.

Пиридиннуклеотиды НАД⁺ (NAD⁺) и НАДФ⁺ (NADP⁺)  широко распространены как коферменты дегидрогеназ. Они переносят гидрид-ион (2е^— и 1 H⁺) и действуют всегда в растворимой форме. НАД⁺ передает восстановительный эквивалент из катаболического пути вдыхательную цепь и тем самым участвует в энергетическом обмене. HАДФ⁺, напротив, является самым важным восстановителем при биосинтезе.

Флавиновые коферменты ФМН (FMN) и ФАД (FAD)  найдены в дегидрогеназах, оксидазах и монооксигеназах. Обычно оба соединения ковалентно связаны с ферментами. Активной группой обоих коферментов является флавин (изоаллоксазин), имеющий сопряженную систему из трех колец, которая может при восстановлении принимать два электрона и два протона. В ФМН к флавину присоединен фосфорилированный полиол рибит. ФАД состоит из ФМН, связанного с АМФ. Оба соединения являются функционально близкими коферментами.

В липоевой кислоте функцию окислительно-восстановительного центра выполняет внутримолекулярный дисульфидный мостик. Активная липоевая кислота ковалентно связана с остатком лизина (R’) молекулы фермента. Липоевая кислота прежде всего участвует в окислительном декарбоксилировании 2-кетокисло. Дисульфидный мостик также содержится в пептидном коферменте глутатионе.

Функция убихинона (кофермента Q) как переносчика восстановительного эквивалента в дыхательной цепи. При восстановлении хинон превращается в ароматический гидрохинон (убихинол). Похожие системы хинон/гидрохинон принимают участие в реакциях фотосинтеза. К этому классу окислительно-восстановительных систем принадлежат также витамины Е и К.

Группа гема является окислительно-восстановительным кофактором в дыхательной цепи, фотосинтезе, а также в монооксигеназах и пероксидазах. В отличие от гемоглобина в этих случаях ион железа меняет валентность. На рисунке показан гем в цитохроме с, ковалентно связанный с двумя остатками цистеина белка.

Ферменты являются биокатализаторами, т.е. веществами биологического происхождения, ускоряющими химические реакции Ферменты – глобулярные белки, синтезируемые живыми клетками. В каждой клетке имеются сотни ферментов. Они помогают осуществлять биохимические реакции, действуя как катализаторы. Без них реакции в клетке протекали бы слишком медленно и не могли бы поддерживать жизнь. Ферменты делятся на анаболические (реакции синтеза) и катаболические (реакции распада). Нередко в процессе превращения одного вещества в другое участвуют несколько ферментов; такая последовательность реакций называется метаболический путь.

Основные свойства ферментов:

— увеличивают скорость реакции;

— не расходуются в реакции;

— их присутствие не влияет на свойства продуктов реакции;

— активность ферментов зависит от pH, температуры, давления и концентрации;

— ферменты изменяют энергию активации, при которой может произойти реакция;

— ферменты не изменяют сколько-нибудь значительно температуру, при которой происходит реакция.

Каталитическое действие фермента, т. е. его активность, определяют в стандартных условиях по увеличению скорости  каталитической реакции  по сравнению с некаталитической. Обычно скорость реакции указывают как изменение концентрации субстрата или продукта за единицу времени (моль/(л·с). Так как каталитическая активность не зависит от объема раствора, в котором протекает реакция, активность фермента выражают в каталах; 1 кат — это количество фермента, которое превращает 1 моль субстрата за 1 с. Другой единицей активности является международная единица (E) — количество фермента, превращающего 1 мкмоль субстрата в 1 мин (1 E = 16,7 нкат).

Высокая специфичность фермента объясняется особой формой его молекулы, точно соответствующей молекуле субстрата (вещества, атакуемого ферментом). Эту гипотезу называют гипотезой «ключа и замка». В середине XX века исследования показали, что субстрат может вызывать изменения в структуре фермента; фермент изменяет свою форму, что даёт ему возможность наиболее эффективно выполнять свою функцию. Таким образом, понятие специфичности относится не только к типам каталитических реакций (реакционная специфичность), но и к природе соединений — субстратов (субстратная специфичность).

Многим ферментам для эффективной работы требуются небелковые компоненты, называемые кофакторами. Такими веществами могут быть неорганические ионы, заставляющие ферменты принять форму, способствующую ферментативной реакции, простетические группы (флавинадениндинуклеотид (ФАД), гем), занимающие такое положение, при котором они могут эффективно содействовать реакции, и коферменты (НАД, НАДФ, АТФ).

Биологическая роль альбумина в организме

Биологическая роль альбумина обширна и многогранна. Во-первых, альбумин отвечает за поддержание коллоидно-осмотического давления плазмы крови. Уровень альбумина на 75-80% определяет онкотическое давление плазмы (сыворотки) крови, а от этого зависит объем крови в сосудистом русле и транспорт воды из него в более плотные ткани. Таким образом, снижение уровня альбумина вследствие протеинурии или длительного голодания происходит резкое снижение коллоидно-осмотического давления плазмы и повышается гидростатическое давление, что в результате приводит к переходу относительного избытка воды, не связанной с белками, в подкожную клетчатку и другие плотные ткани, т.е. происходит формирование отеков.

Во вторых, он выполняет функцию — белкового резерва организма. Так, при длительном голодании в первую очередь расходуется альбумин плазмы крови, и, учитывая вышеописанный механизм, это приводит к образованию т.н. «кахетических» («голодных») отеков.

В-третьих  альбумин отвечает за транспорт, причем альбумин способен переносить самые разнообразные эндо- и экзогеные вещества различной структуры и относящиеся к разным классам. Так, с альбумином образуют комплексы билирубин, гормоны, свободные жирные кислоты, лекарственные вещества, ионы кальция, хлора и др. Способность связывать такой широкий спектр веществ отличает альбумин от остальных транспортных белков, в основном сориентированных на какой-либо определенный класс соединений. Среди эндогенных веществ наибольшее сродство к альбумину проявляют жирные кислоты и билирубин (именно это и повышает растворимость указанных соединений). Из экзогенных веществ следует отметить большинство антибиотиков, транспортом и распределением которых по органам и тканям «ведает» именно альбумин.

Таким образом, определение концентрации альбумина и его отдельных фракций является очень важным диагностическим параметром при целом ряде заболеваний, особенно заболеваний почек и выделительной системы, а также других патологий, приводящих к выраженным нарушениям метаболизма. Содержание альбумина определяют как в плазме (сыворотке) крови, так и в моче, цереброспинальной жидкости и других биологических образцах.