Содержание воды в организме

С. С. Михайлов

Спортивная

БИОХИМИЯ

!____________________________ Ju__________________ ^                                             

УДК 577.1 ББК 28.072 М69

Рецензенты:

Розенгарт Е.В. — доктор биологических наук, профессор Санкт- Петербургской государственной академии физи­ческой культуры им. П. Ф. Лесгафта; Волков Н.И. — доктор биологических наук, профессор Российского государственного университета физической культу­ры, спорта и туризма

Михайлов С.С.

М69 Спортивная биохимия: Учебник для вузов и колледжей физичес­кой культуры. - 2-е изд., доп. - М.: Советский спорт, 2004. - 220 е.: ил.

ISBN 5-85009-876-3

Учебник написан в соответствии с Государственным образователь­ным стандартом по биохимии для вузов физической культуры. В первой части учебника описаны строение и свойства главных классов органичес­ких соединений организма, рассмотрены основные метаболические про­цессы, дана биохимическая характеристика крови и мочи. Во второй части учебника всесторонне освещены биохимические аспекты мышеч­ной деятельности, рассмотрены молекулярные основы двигательных ка­честв спортсмена, адаптации организма к физическим нагрузкам и за­тронута проблема питания спортсменов.

Предназначен для студентов дневной и заочной форм обучения высших и средних специальных учебных заведений физической куль­туры.

УДК 577.1 ББК 28.072

ISBN 5-85009-876-3                                                                     © Михайлов С.С., 2002

© Михайлов С.С., 2004 © Оформление. ФГУП «Издательство "Советский спорт"», 2004

ВВЕДЕНИЕ

Биохимия изучает в самом общем виде химическую сторону жизни.

Обычно выделяют три главные задачи, стоящие перед этой научной дисциплиной:

1. Изучение химического состава живого организма, строения и свойств молекул, из которых он состоит.

2. Изучение обмена веществ, т. е. химических превращений, кото­рым подвергаются входящие в организм молекулы (раздел биохимии, решающий эти задачи, называется «Общая биохимия»).

3. Изучение особенностей химического состава и обмена веществ отдельных представителей живого мира (например, у микробов, расте­ний, животных), изучение химического состава и обмена веществ при различных заболеваниях и при поступлении в организм экзогенных веществ (ядов, лекарственных средств). К этой задаче также относится изучение влияния на организм разнообразных физических нагрузок, в том числе применяемых в спорте.

В целом раздел биохимии, занимающийся решением третьей задачи, называется «Функциональная, или частная, биохимия».

Направлением функциональной биохимии, исследующим влияние физических упражнений на организм спортсмена, является «Спортив­ная биохимия».

Биохимия как учебная дисциплина играет важную роль в подготов­ке специалистов в области физической культуры. Это положение мож­но обосновать следующим:

• Специалист в области физической культуры обязан в полной ме­ре знать устройство объекта своей профессиональной деятельности, т. е. человека, должен иметь представление о химическом строении ор­ганизма и о химических процессах, лежащих в основе жизнедеятельно­сти.

• Тренер и преподаватель физического воспитания должны знать особенности обмена веществ во время физической работы и отдыха, использовать эти закономерности для рационального построения тре­нировочного процесса, для установления оптимальных сроков восста­новления.

• Используя простейшие биохимические исследования, тренер и преподаватель физвоспитания должны уметь оценить соответствие фи-

Часть 1

ОБЩАЯ БИОХИМИЯ[1]

ГЛАВА 1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ОРГАНИЗМА"

Организм человека имеет следующий химический состав: вода - 60-65%, органические соединения - 30-32%, минеральные вещест­ва - 4%.

Наибольшее значение для живых организмов имеют органические соединения. Важнейшими классами органических соединений, входя­щих в живые организмы, являются белки, нуклеиновые кислоты, уг­леводы и липиды.

БЕЛКИ

Белки выполняют в организме очень важные функции. К ним в пер­вую очередь следует отнести: структурную, каталитическую, сократи­тельную, транспортную, регуляторную, защитную, а также энергетиче­скую. На долю белков в среднем приходится 1/6 часть от массы тела человека.

По строению белки - это высокомолекулярные азотсодержащие со­единения, состоящие из аминокислот. В состав белковых молекул мо­гут входить десятки, сотни и тысячи остатков аминокислот. Однако все белки, независимо от происхождения, содержат лишь 20 видов амино­
кислот Строение 20 разновидностей аминокислот, входящих во все бедаи, можно отразить следующей формулой:

r

........ i

H-C-nh₂

У всех аминокислот можно выделить общую, одинаковую часть мо­лекулы, содержащую амино- и карбоксильную группы (выделена пунк­тирной рамкой). Другая же часть молекулы, обозначенная как радикал (R), у каждой из 20 аминокислот имеет специфическое строение, и аминокислоты отличаются друг от друга только радикалами. (Класси­фикация, формулы и некоторые свойства аминокислот приведены в приложении 1.)

Аминокислоты, соединяясь друг с другом пептидной связью, обра­зуют длинные неразветвленные цепи - полипептиды. Пептидная связь возникает при взаимодействии карбоксильной группы одной амино­кислоты и аминогруппы другой аминокислоты с выделением воды:

r₁ r₂ nh₂-ch-cooh +nh₂-ch-cooh __ _

-н₂о

Пептидные связи обладают высокой прочностью, их образуют все аминокислоты.

В состав белковой молекулы входит один или несколько полипептидов.

Кроме пептидных, в белках обнаруживаются еще дисульфидные, водородные, ионные и другие связи.

Эти химические связи могут возникать между остатками аминокис­лот, которые входят в разные участки одного и того же полипептида или же находятся в разных полипептидах, но обязательно пространст­венно сближены. В первом случае благодаря таким связям полипеп­тидная цепь принимает определенную пространственную форму. Во втором случае с помощью непептидных связей полипептиды объеди­няются в белковую молекулу.

В итоге молекула белка является объемным, трехмерным образова­нием, имеющим определенную пространственную форму. Для удобства рассмотрения пространственного строения молекулы белка условно выделяют четыре уровня ее структурной организации.

Первый уровень пространственной организации белковой молекулы называется первичной структурой и представляет собой последова­тельность расположения аминокислот в полипептидных цепях. Фикси­руется эта структура прочными пептидными связями. Другими слова­ми, первичная структура характеризует химическое строение полипеп­тидов, образующих белковую молекулу. Каждый индивидуальный бе­лок имеет уникальную первичную структуру.

Второй уровень пространственной организации - вторичная структура - описывает пространственную форму полипептидных це­пей. Например, у многих белков полипептидные цепи имеют форму спирали. Фиксируется вторичная структура дисульфидными и различ­ными нековалентными связями.

Третий уровень пространственной организации - третичная струк­тура - отражает пространственную форму вторичной структуры. На­пример, вторичная структура в форме спирали, в свою очередь, может укладываться в пространстве в виде глобулы, т. е. имеет шаровидную или яйцевидную форму. Стабилизируется третичная структура слабы­ми нековалентными связами, а также дисульфидными связями и поэто­му является самой неустойчивой структурой.

Пространственная форма всей белковой молекулы получила назва­ние конформация. Поскольку в молекуле белка наряду с прочными ковалентными связями имеются еще менее прочные (нековалентные) связи, то его конформация характеризуется нестабильностью и может легко изменяться. Изменение пространственной формы белка влияет на его биологические функции. Конформация, находясь в которой бе­лок обладает биологической активностью, называется нативной. Лю­бые воздействия на белок, приводящие к нарушению этой конформа- ции, сопровождаются частичной или полной утратой белком его биоло­гических свойств. Изменение конформации в небольших пределах об­ратимо и является одним из механизмов регуляции биологических функций белков в организме.

Четвертичной структурой обладают только некоторые белки. Чет­вертичная структура - это сложное надмолекулярное образование, со­стоящее из нескольких белков, имеющих свою собственную первич­ную, вторичную и третичную структуры. Каждый белок, входящий в состав четвертичной структуры, называется субъединицей. Например, белок крови гемоглобин состоит из четырех субъединиц двух типов (а и Р) и имеет строение а₂рг- Ассоциация субъединиц в четвертичную структуру приводит к возникновению нового биологического свойства, отсутствующего у свободных субъединиц. Например, формирование четвертичной структуры в ряде случаев сопровождается появлением каталитической активности, которой нет у отдельных субъединиц.

Объединяются субъединицы в четвертичную структуру за счет сла­бых нековалентных связей, и поэтому четверичная структура неустой­чива и легко диссоциирует на субъединицы. Образование и диссоциа­ция четвертичной структуры является еще одним механизмом регуля­ции биологических функций белков.

Из всех структур белка кодируется только первичная. За счет ин­формации, заключенной в молекуле ДНК, синтезируются полипептид­ные цепи (первичная структура). Высшие структуры (вторичная, тре­тичная, четвертичная) возникают самопроизвольно в соответствии со строением полипептидов.

Классификация белков

Белки делятся на простые (протеины) и сложные (протеиды). Простые белки состоят только из аминокислот. К простым белкам, имеющимся в организме человека, относятся альбумины, глобули­ны, гистоны, белки опорных тканей. В молекуле сложного белка, кроме аминокислот, еще имеется неаминокислотная часть, назы­ваемая простетической группой. В зависимости от строения про- стетической группы выделяют такие сложные белки, как фосфопро- теиды (содержат в качестве простетической группы фосфорную ки­слоту), нуклеопротеиды (содержат нуклеиновую кислоту), глико- протеиды (содержат углевод), липопротеиды (содержат липоид), хромопротеиды (содержат окрашенную простетическую группу) и др.

Возможна и другая классификация белков, вытекающая из их про­странственной формы. В этом случае белки разделяются на два боль­ших класса: глобулярные и фибриллярные.

Молекулы глобулярных белков имеют шарообразную или эллипсо­идную форму. Примером таких белков являются альбумины и глобу­лины плазмы крови.

Фибриллярные белки представляют собою вытянутые молекулы, у которых длина значительно превышает их диаметр. К таким бел­кам прежде всего необходимо отнести коллаген - самый распро­страненный белок у человека и высших животных, на долю которо­го приходится 25-30% от общего количества белков организма. Коллаген обладает высокой прочностью и эластичностью. Этот бе­лок широко распространен в организме, он входит в состав соедини­тельной ткани, и поэтому его можно обнаружить в коже, стенках со­судов, мышцах, сухожилиях, хрящах, костях, во внутренних орга­нах.

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

По своему строению нуклеиновые кислоты являются полинуклео- тидами, состоящими из очень большого количества мононуклеотидов (нуклеотидов). Любой нуклеотид обязательно включает в себя азоти­стое основание (циклическое соединение, содержащее атомы азота и обладающее щелочными свойствами), углевод и фосфорную кислоту.

Азотистые основания бывают двух типов: пуриновые и пирими- диновые.

К пуриновым основаниям относятся аденин и гуанин, имеющие следующее строение:

Углеводом, входящим в состав нуклеотидов, может быть рибоза или дезоксирибоза, находящиеся в циклической форме:

он/о. сн₂он он/о. сн₂он

он он                    н он

Рибоза                            Дезоксирибоза

Азотистые основания присоединяются к первому углеродному ато­му (С]) углевода. Азотистое основание, связанное с углеводом, называ­ется нуклеозидом.

Нуклеозиды, содержащие аденин и гуанин, называются соответст­венно аденозин и гуанозин, а нуклеозиды с пиримидиновыми основа­ниями получили названия: уридин, тимидин и цитидин.

Если в состав нуклеозида входит дезоксирибоза, то в название нук- леозида входит еще приставка «дезокси-». Например, нуклеозид, со­
стоящий из аденина и рибозы, называется «аденозин», а нуклеозид, со­держащий аденин и дезоксирибозу, носит название «дезоксиаденозин», или в сокращенном виде «д-аденозин».

Фосфорная кислота присоединяется эфирной связью к пятому атому углерода рибозы или дезоксирибозы. Поэтому нуклеотиды можно рас­сматривать как нуклеозидфосфаты.

Нуклеотиды, входящие в состав нуклеиновых кислот, имеют один остаток фосфорной кислоты, а свободные нуклеотиды могут содержать от одного до трех фосфатных остатков.

Название нуклеотидов состоит из трех частей: название нуклеозида, входящего в данный нуклеотид; числительное, показывающее количе­ство остатков фосфорной кислоты, и слово «фосфат»:

Например, нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и фосфорной кислоты, называется аденозинмонофосфат, или сокращенно АМФ, и имеет следующее строение:

----- N                  ОН

СН₂0—Р=0

Аденин

\Н W он

он он

Рибоэа

Нуклеотиды, входящие в нуклеиновые кислоты, соединяются друг с другом в длинные полинуклеотидные цепи эфирными связями, идущими от углевода одного нуклеотида к фосфорной кислоте соседнего:

Аз. основание—углевод—фосфат Аз. основание —углевод —фосфат Аз. основание —углевод —фосфат Аз. основание —углевод —фосфат

В результате такого связывания образуется длинная цепь, состоящая из чередующихся остатков углевода и фосфорной кислоты. Азотистые основания непосредственно в эту цепь не входят; они как боковые ве­точки присоединяются к углеводам. Отличаются полинуклеотиды друг от друга длиной (т. е. количеством нуклеотидов) и последовательно­стью расположения азотистых оснований.

Оказалось, что в одну молекулу нуклеиновых кислот может входить углевод только одного вида - рибоза или дезоксирибоза. На этом осно­вании все нуклеиновые кислоты делятся на два типа: рибонуклеино­вые - РНК (содержат рибозу) и дезоксирибонуклеиновые - ДНК (со­держат дезоксирибозу). Особенности строения и биологические функ­ции РЖ и ДНК отражены в табл. 1.

*

1 Да (дальтон, атомная, или углеродная, единица) = 1,66-КГ²⁴ г.

Как видно из таблицы, ДНК имеет более сложное строение. Состоит молекула ДНК из двух полинуклеотидных цепей, закрученных в спираль вокруг общей оси и образующих двойную спираль (рис. 1).

Один виток каждой спирали содержит 10 нуклеотидов, диаметр двойной спирали около 2 нм . Азотистые основания обеих цепей находятся внутри двойной спирали и соединены друг с другом водородными связями. Связывание (спаривание) азоти­стых оснований осуществляется строго определенным образом. Аденин всегда соединяется с тимином, а гуанин - с ци- тозином, причем все без исключения ос­нования одной цепи спарены с основа­ниями второй. Вследствие этого обе нук- леотидные цепи, образующие молекулу ДНК, имеют одинаковую длину и про­странственно соответствуют друг другу. Если в каком-то месте одной цепи нахо­дится аденин, то обязательно напротив него в другой цепи присутствует тимин, а напротив гуанина всегда располагается цитозин.

Такое пространственное соответствие двух полинуклеотидных це­пей ДНК получило название комплементарность.

Принцип комплементарности лежит в основе таких важнейших про­цессов, как репликация (удвоение молекулы ДНК в процессе клеточно­го деления), транскрипция (передача генетической информации с моле­кулы ДНК информационной РНК в процессе синтеза белков) и трансля­ция (сборка из аминокислот белковой молекулы на рибосомах).

УГЛЕВОДЫ

Углеводы - это альдегидоспирты или кетоспирты и их производ­ные. В природе углеводы содержатся главным образом в растениях. В организме человека углеводов около 1%.

Основным природным углеводом является глюкоза, которая может находиться как в свободном виде (моносахарид), так и в составе олиго-
сахаридов (сахароза, лактоза и др.) и полисахаридов (клетчатка, крах­мал, гликоген).

Эмпирическая формула глюкозы С_бН₁₂0₆. Однако, как известно, глюкоза может иметь различные пространственные формы (ацикличе­скую и циклические). В организме человека почти вся глюкоза (сво­бодная и входящая в олиго- и полисахариды) находится в циклической а-пиранозной форме:

Свободная глюкоза в организме человека в основном находится в крови, где ее содержание довольно постоянно и колеблется в узком диапазоне от 3,9 до 6,1 ммоль/л (70-110 мг%).

Другим углеводом, типичным для человека и высших животных, является гликоген. Состоит гликоген из сильно разветвленных моле­кул большого размера, содержащих десятки тысяч остатков глюкозы. Эмпирическая формула гликогена - (С₆Н₁₀О₅)_п (С₆Н₁₀О₅ - остаток глю­козы).

Гликоген является запасной, резервной формой глюкозы. Основные запасы гликогена сосредоточены в печени (до 5-6% от массы печени) и в мышцах (до 2-3% от их массы).

Глюкоза и гликоген в организме выполняют энергетическую функцию, являясь главными источниками энергии для всех клеток организма.

ЛИПИДЫ

Молекула жира состоит из остатка спирта - глицерина и трех ос­татков жирных кислот, соединенных сложноэфирной связью

О

II

сн₂ — о — с — r,

I                 О

¹                  II

сн — о — с — r₂

I                 О

¹                  II

СН₂ —о — С —R₃

Жирные кислоты, входящие в состав жиров, делятся на предельные, или насыщенные, (не имеют двойных связей) и непредельные, или не­насыщенные, (содержат одну или несколько двойных связей). Наибо­лее часто в состав природных жиров входят жирные кислоты, содер­жащие 16 или 18 атомов углерода (насыщенные: пальмитиновая, стеа­риновая; ненасыщенные: олеиновая, линолевая).

Отличаются друг от друга жиры разного происхождения набором жирных кислот.

Подобно углеводам жиры также являются важными источниками энергии для организма. 1 г жира при полном окислении дает около 9 ккал энергии, в то время как при полном окислении 1 г углеводов или белков выделяется только около 4 ккал. Однако жиры по сравнению с углеводами труднее окисляются и поэтому используются организмом для получения энергии во вторую очередь.

Липоиды являются обязательными компонентами всех биологиче­ских мембран. В организме человека имеются три класса липоидов: фосфолипиды, гликолипиды и стероиды.

ГЛАВА 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ

Обязательным условием жизни является обмен веществ между жи­вым организмом и окружающей средой. Из внешней среды в организм поступают источники энергии, строительный материал для различных синтезов, витамины, минеральные вещества, вода и кислород. Из орга­низма вовне удаляются конечные продукты химических процессов, протекающих в организме: углекислый газ, вода и аммиак (в форме мо­чевины).

Обменные процессы, протекающие в организме, можно условно разделить на два этапа: пищеварение и метаболизм.

В процессе пищеварения пищевые вещества, как правило, высо­комолекулярные и для организма чужеродные, под действием пище­варительных ферментов расщепляются и превращаются в конечном счете в простые соединения - универсальные для всех живых орга­низмов. Так, например, любые пищевые белки распадаются на амино­кислоты 20 видов, точно такие же, как и аминокислоты самого орга­низма. Из углеводов пищи образуется универсальный моносахарид - глюкоза. Поэтому конечные продукты пищеварения могут вводиться во внутреннюю среду организма и использоваться клетками для раз­нообразных целей.

Метаболизм - это совокупность химических реакций, протекаю­щих во внутренней среде организма, т. е. в его клетках. В настоящее время известны десятки тысяч химических реакций, составляющих ме­таболизм.

В свою очередь, метаболизм делится на катаболизм и анаболизм.

Под катаболизмом понимаются химические реакции, за счет кото­рых крупные молекулы подвергаются расщеплению и превращаются в молекулы меньшего размера. Конечными продуктами катаболизма яв­ляются такие простейшие вещества, как С0₂, Н₂0 и NH₃.

Для катаболизма характерны следующие закономерности:

• В процессе катаболизма преобладают реакции окисления.

• Катаболизм протекает с потреблением кислорода.

• В процессе катаболизма освобождается энергия, примерно поло­вина которой аккумулируется в форме химической энергии аденозин- трифосфата (АТФ). Другая часть энергии выделяется в виде тепла.

Анаболизм включает разнообразные реакции синтеза.

Анаболизм характеризуется следующими особенностями:

• Для анаболизма типичны реакции восстановления.

• В процессе анаболизма происходит потребление водорода. Обычно используются атомы водорода, отщепляемые от глюкозы и пе­реносимые коферментом НАДФ (в форме НАДФН₂) (см. главу 5 «Об­мен углеводов»).

• Анаболизм протекает с потреблением энергии, источником ко­торой является АТФ.

ОСНОВНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ МЕТАБОЛИЗМА

• В случае преобладания анаболизма над катаболизмом происхо­дит накопление химических веществ в организме, в первую очередь белков. Накопление белков в организме - обязательное условие его роста и развития.

• Обеспечение энергией (в форме молекул АТФ) всех потребно­стей организма.

СТРОЕНИЕ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ АТФ___________________________

Аденозинтрифосфат (АТФ) является нуклеотидом. В состав моле­кулы АТФ входят азотистое основание - аденин, углевод - рибоза и три остатка фосфорной кислоты (аденин, связанный с рибозой, назы­вается аденозином).

Особенностью молекулы АТФ является то, что второй и третий ос­татки фосфорной кислоты присоединяются связью, богатой энергией. Такая связь называется высокоэнергетической, или макроэргичес- кой, и обозначается знаком Соединения, имеющие макроэргические связи, обозначаются термином «макроэрги».

Структурная формула АТФ имеет следующий вид:

ОН ОН

Рибоза

В упрощенном виде строение АТФ можно отразить схемой: Аденин — рибоза.— Ф.К. ~ Ф.К. ~ Ф.К.

Y

аденозин

При использовании АТФ в качестве источника энергии обычно происходит отщепление путем гидролиза последнего остатка фосфор­ной кислоты:

АТФ + Н₂0 -> АДФ + Н₃Р0₄ + Q (энергия)

В физиологических условиях, т. е. при тех условиях, которые име­ются в живой клетке (температура, рН, осмотическое давление, кон­центрация реагирующих веществ и пр.), расщепление моля АТФ (506 г) сопровождается выделением 12 ккал, или 50 кДж* энергии.

Главными потребителями энергии АТФ в организме являются:

• реакции синтеза;

• мышечная деятельность;

• транспорт молекул и ионов через мембраны (например., всасыва­ние веществ из кишечника, образование мочи в почках, формирование и передача нервного импульса и др.).

Таким образом, биологическая роль АТФ заключается в том, что это вещество является универсальным аккумулятором энергии, своего рода энергетической «валютой» клетки.

Основным поставщиком АТФ является тканевое дыхание - завер­шающий этап катаболизма, протекающий в митохондриях всех клеток, кроме красных клеток крови (эритроцитов).

Полезная информация

В сутки взрослый человек, не выполняющий физической работы, вды­хает и выдыхает 8-10 м³ воздуха, из которого в легких извлекается и ис­пользуется организмом в обмене веществ 400-500 л кислорода.

В этих же условиях в сутки в процессе обмена веществ образуется и выделяется из организма 350-450 л углекислого газа.

Выполнение физических нагрузок приводит к значительному увеличе­нию потребления кислорода и выделению углекислого газа.

ГЛАВА 3 ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ

Ферменты, или энзимы, - это особые белки, выполняющие роль катализаторов химических реакций. Практически все химические реак­ции в организме протекают с огромными скоростями благодаря уча­стию ферментов.

СТРОЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ____________________________________________

Участок молекулы фермента, на котором происходит катализ, полу­чил название «активный центр». Если фермент по строению является Простым белком, то его активный центр формируется только остатками

1 ккал = 4,18 кДж.

аминокислот, которые обычно находятся в разных участках одной и той же полипептидной цепи или же в разных полипептидах, но про­странственно сближены. Другими словами активный центр образуется на уровне третичной структуры белка-фермента. У ферментов - слож­ных белков в состав активного центра часто входит их простетическая группа.

Образование активного центра из функциональных групп, довольно далеко отстоящих друг от друга в полипептидных цепях, но совмещен­ных пространственно в активном центре (т. е. на уровне третичной структуры белка), позволяет ферменту за счет конформационных изме­нений обеспечивать необходимое соответствие между активным цен­тром и молекулами реагирующих веществ (их обычно называют суб­стратами). Благодаря изменению конформации фермента происходит как бы «приспособление», «подгонка» активного центра к структуре молекул, превращение которых ускоряется данным ферментом.

Изменение конформации молекулы фермента является также одним из механизмов регуляции скорости ферментативных реакций (см. ни­же).

В активном центре обычно выделяют два участка - адсорбционный и каталитический.

Адсорбционный участок (центр связывания) по своему строению соответствует структуре реагирующих соединений, и поэтому к нему легко присоединяются молекулы субстрата.

Каталитический участок активного центра непосредственно осуще­ствляет ферментативную реакцию.

Большинство ферментов содержат в своей молекуле только один активный центр. У некоторых ферментов может иметься несколько ак­тивных центров.

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ

В любом катализе, осуществляемом ферментами, можно обнару­жить три обязательные стадии.

На первой стадии молекулы реагирующих веществ (субстрата) при­соединяются к адсорбционному участку активного центра фермента за счет слабых связей. Образуется фермент-субстратный комплекс, кото­рый может легко распадаться снова на фермент и субстрат, т. е. первая стадия ферментативного катализа полностью обратима. На этой стадии с помощью активного центра возникает благоприятная ориентация реа­гирующих молекул, что способствует их дальнейшему взаимодейст­вию.

На второй стадии с участием каталитического участка активного центра и молекул субстрата происходят различные реакции, характери­зующиеся низкой величиной энергии активации и поэтому протекаю­щие с большой скоростью. В результате этих реакций в конечном счете образуется либо продукт реакции, либо почти готовый продукт.

На третьей стадии происходит отделение продукта реакции от ак­тивного центра с образованием свободного фермента, способного при­соединять к себе новые молекулы субстрата. Если на второй стадии был получен почти готовый продукт, то он предварительно превраща­ется в продукт, который затем отделяется от фермента.

Схематично стадии ферментативного катализа можно представить следующим образом:

I стадия ^{11 ста}Д^ия

1 .------------ а----

Е + S              ES ^ГГ ES'                     Е + Р

Фермент Субстрат Фермент-           Химически          Продукт

субстратный преобразованный комплекс         фермент-субстратный

комплекс (S' - продукт или почти готовый продукт)

В клетках ферменты, катализирующие многостадийные химические процессы, часто объединяются в комплексы, называемые мультифер- ментными системами. Эти комплексы структурно связаны с органои­дами клеток или же встроены в биомембраны. Объединение отдельных ферментов в единый комплекс позволяет одновременно ускорять все последовательные стадии превращения какого-либо субстрата.

В некоторых случаях в катализе наряду с белком-ферментом еще участвует низкомолекулярное (небелковое) соединение, называемое коферментом. Большинство коферментов в своем составе содержат витамины. Строение и механизм действия коферментов будут рас­смотрены при описании химических реакций, в которых они принима­ют участие.

СПЕЦИФИЧНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ

Различают два вида специфичности ферментов: специфичность дей­ствия и субстратную специфичность.

Специфичность действия - это способность фермента катализиро­вать только строго определенный тип химической реакции. Если суб­страт может вступать в разные реакции, то для каждой реакции нужен свой фермент. Например, широко распространенный в клетках глюко-
зо-6-фосфат (производное глюкозы) подвергается различным превра-

щениям:

Глюкоза + фосфорная кислота

Гпюкозо-6-фосфат-------- Гпюкозо-1 -фосфат

Фруктозо-6-фосфат

Отщепление от этого субстрата фосфорной кислоты происходит под действием фермента фосфатазы. При этом фосфатаза катализирует только реакцию отщепления фосфорной кислоты, никакие другие пре­вращения глюкозо-6-фосфата этот фермент не ускоряет. Другое воз­можное превращение глюкозо-6-фосфата осуществляется с участием фермента мутазы. В этом случае глюкозо-6-фосфат переходит в глю- козо-1-фосфат. Еще один фермент - изомераза - вызывает превраще­ние глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат.

Таким образом, каждый фермент катализирует только одну из всех возможных реакций, в которые может вступать субстрат. Специфич­ность действия определяется в основном особенностями строения ката­литического участка активного центра фермента.

Субстратная специфичность - способность фермента действовать только на определенные субстраты.

Различают две разновидности субстратной специфичности: абсо­лютную и относительную.

Фермент, обладающий абсолютной субстратной специфичностью, катализирует превращения только одного субстрата. На другие вещест­ва, даже очень близкие по строению к этому субстрату, фермент не действует. Примером фермента с абсолютной субстратной специфич­ностью является аргиназа - фермент, отщепляющий от аминокислоты аргинина мочевину. Аргинин - единственный субстрат аргиназы.

Относительная (групповая) субстратная специфичность - это спо­собность фермента катализировать превращения нескольких похожих по строению веществ. Обычно эти вещества обладают одним и тем же типом химической связи и одинаковой структурой одной из химиче­ских группировок, соединенных этой связью. Например, фермент пеп­син расщепляет пептидные связи в белках любого строения.

Субстратная специфичность обусловлена главным образом структу­рой адсорбционного участка активного центра фермента.

ИЗОФЕРМЕНТЫ

Изоферменты (изоэнзимы) - различные молекулярные формы фермента, катализирующие одну и ту же химическую реакцию. Обыч­но между изоферментами одного и того же фермента имеются различия в первичной структуре, т. е. у изофермеитов может быть различный на­бор и последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Но эти различия, как правило, не затрагивают структуру каталитического уча­стка активного центра, и поэтому изоферменты одного и того же фер­мента ускоряют одну и ту же химическую реакцию. Различия в амино­кислотном составе молекул изофермеитов вне каталитического участка приводят к изменениям их физико-химических свойств и субстратной специфичности.

КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА

Скорость ферментативных реакций существенно зависит от многих факторов. К ним относятся концентрации участников ферментативного катализа (фермента и субстрата) и условия среды, в которой протекает ферментативная реакция (температура, рН, присутствие ингибиторов и активаторов).

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента

Для большинства ферментов зависимость скорости реакции от кон­центрации фермента (при постоянной концентрации субстрата) носит прямолинейный характер (рис. 2).

Такой характер зависимости скорости от концентрации фермента объясняется тем, что концентрация любого фермента на несколько по­рядков ниже концентрации субстрата. Поэтому практически при любом Увеличении количества фермента субстрата всегда будет достаточно Для взаимодействия с ферментом.

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата

Пропорциональная зависимость скорости реакции от концентрации субстрата наблюдается лишь при его низких концентрациях, затем по­степенно прирост скорости реакции начинает отставать от роста кон­центрации субстрата, и в конце концов увеличение концентрации суб­страта перестает вызывать возрастание скорости реакции. Скорость ферментативных реакций при высоких концентрациях субстрата при­ближается к определенному пределу, который называется максималь­ной скоростью - V_max (рис. 3).

Физический смысл этого явления заключается в следующем: при очень низких концентрациях субстрата скорость реакции зависит от скорости поступления молекул субстрата на активный центр фермента. По мере роста концентрации субстрата количество свободных актив­ных центров уменьшается, так как фермент переходит в фермент- субстратный комплекс и лимитирующей стадией катализа теперь будет не присоединение субстрата к активному центру фермента, а дальней­шие превращения фермент-субстратного комплекса. При очень высо­ких концентрациях субстрата свободного фермента больше не будет, он весь находится в составе фермент-субстратного комплекса. В этом случае скорость ферментативной реакции станет максимальной и будет обусловлена концентрацией фермент-субстратного комплекса, т. е. концентрацией фермента.

Зависимость скорости ферментативной реакции

от температуры

График зависимости скорости ферментативной реакции от темпера­туры имеет колоколообразный характер (рис. 4). Вначале повышение температуры вызывает возрастание скорости ферментативной реакции, затем скорость реакции достигает максимума, и при дальнейшем уве­личении температуры скорость реакции снижается вплоть до ее пре­кращения. Температура, при которой отмечается наибольшая скорость реакции, называется температурным оптимумом реакции - t°_opt.

Возрастание ферментативной активности при повышении темпера­туры от низких величин до температурного оптимума (левая ветвь кри­вой на рис. 4) объясняется увеличением среднего энергетического уровня и числа столкновений реагирующих молекул с ростом темпера­туры. Согласно правилу Вант-Гоффа, повышение температуры на 10 °С вызывает увеличение скорости химической реакции в 2-4 раза. Это правило относится ко всем химическим реакциям, в том числе к фер­ментативным.

Снижение активности ферментов при повышении температуры вы­ше температурного оптимума (правая ветвь кривой на рис. 4) объясня­ется тепловой денатурацией ферментного белка, которая при высоких температурах (80-100 °С) вызывает полную потерю каталитической ак­тивности фермента.

Для большинства ферментов температурный оптимум равен 37-40 °С, т. е. соответствует температуре тела. В очень коротких опытах темпера­турный оптимум может быть более высоким, так как за очень малое время Денатурация фермента произойти не успевает.

Как видно на рис. 4, при очень низких (ниже 0 °С) и высоких (80- 100 °С) температурах активность ферментов равна нулю. Однако при низких температурах ферменты сохраняют свою нативность и при по­вышении температуры у них вновь появляется каталитическая актив­ность. В настоящее время ферменты выделяют из растворов путем лиоф ильной сушки, т. е. сушки в замороженном состоянии при очень низком давлении. Полученные таким образом лиофилизированные ферментные препараты хорошо сохраняются в течение длительного времени даже при комнатной температуре.

Действие же высоких температур приводит к необратимой потере ферментами способности ускорять химические реакции, так как в этом случае происходит их необратимая денатурация. Поэтому на практике для подавления ферментативной активности (например, ферментов микробов, вызывающих порчу пищевых продуктов) обычно использу­ется термическая обработка.

Зависимость скорости ферментативной реакции от рН

Скорость ферментативных реакций значительно зависит от кислот­ности среды, в которой они протекают. Для каждого фермента имеется определенное значение рН, при котором наблюдается наибольшая ско­рость реакции — рН-оптимум. При отклонении в любую сторону от этого значения рН резко уменьшается ферментативная активность. Важно подчеркнуть, что величина рН-оптимума у разных ферментов колеблется в большом диапазоне значений рН, в то время как темпера­турный оптимум для большинства ферментов составляет 37-40 °С. В качестве примера можно привести значения рН-оптимума следую­щих ферментов (рис. 5):

Влияние кислотности среды на скорость ферментативных реакций обусловлено тем, что при изменении кислотности меняется конформа­ция всей белковой молекулы фермента, в том числе изменяется кон­формация активного центра и его способность осуществлять катализ. При рН-оптимуме фермент находится в оптимальной для проявления каталитических свойств конформации. При небольшом отклонении ве­личины кислотности от рН-оптимума наблюдается незначительное из­менение конформации, носящее обратимый характер. При значитель- _н0м отклонении от рН-оптимума (в сильнокислой и сильнощелочной среде) происходит необратимая денатурация ферментного белка, при­водящая к полной утрате каталитической активности.

При работе с ферментами в лабораторных условиях в реакционную среду вводят буферные растворы, рН которых соответствует рН-оптимуму изучаемых ферментов.

Ингибиторы ферментов

Скорость ферментативной реакции существенно зависит от присут­ствия ингибиторов и активаторов.

Ингибиторы (I) - это химические соединения (обычно низкомоле­кулярные), которые, находясь в низких концентрациях, избирательно тормозят определенные ферментативные реакции. При этом ингибитор всегда присоединяется к ферменту с образованием фермент- ингибиторного комплекса. Фермент, связанный с ингибитором, теряет свою каталитическую активность.

Если связи между ферментом и ингибитором прочные, то действие ингибитора носит необратимый характер, и торможение нарастает во времени вплоть до полного прекращения ферментативной реакции:

Е + I--------- EI

Такие ингибиторы называются необратимыми. Примером необра­тимых ингибиторов являются фосфорорганические соединения (табун, зарин, дихлофос, карбофос и др.), избирательно и необратимо угне­тающие важнейший фермент организма холинэстеразу, участвующую в передаче нервных импульсов.

Если ингибитор присоединяется к ферменту за счет непрочных свя­зей, то торможение фермента является обратимым и не зависит от вре­мени:

Е + I == EI

Ингибиторы такого типа называются обратимыми.

В свою очередь, обратимые ингибиторы делятся на две разновидно­сти: конкурентные и неконкурентные.

Конкурентные ингибиторы присоединяются к активному центру фермента, т. е. к тому же участку поверхности фермента, что и суб­страт. Поэтому между ингибитором и субстратом идет конкуренция за присоединение к активному центру. Занимая активный центр, ингиби­тор тем самым препятствует образованию фермент-субстратного ком­плекса - первой стадии ферментативного катализа. Конкурентные ин­гибиторы обычно по с троению похожи на субстрат.

Неконкурентные ингибиторы присоединяются к ферменту вне ак­тивного центра. Этот участок поверхности фермента называется алло- стерический центр (т. е. находящийся в другом месте по сравнению с активным центром).

Присоединение неконкурентного ингибитора к аллостерическому центру вызывает неблагоприятное изменение пространственной струк­туры (конформации) всей молекулы фермента, в том числе и активного центра. В результате каталитические свойства фермента снижаются.

Неконкурентные ингибиторы участвуют в регуляции скорости ферментативных реакций, протекающих в организме. В роли неконку­рентных ингибиторов могут быть гормоны, конечные и промежуточ­ные продукты ферментативных реакций, ионы металлов, лекарствен­ные вещества.

Активаторы ферментов

Активаторы - вещества, избирательно повышающие скорость оп­ределенных ферментативных реакций. Активаторы, подобно неконку­рентным ингибиторам, присоединяются обратимо к аллостерическому центру фермента. Но в этом случае изменение конформации фермента будет благоприятным для функционирования активного центра, что приводит в итоге к повышению скорости ферментативной реакции. В организме активаторами являются некоторые гормоны, промежуточ­ные продукты метаболических процессов, ионы металлов, а также ле­карственные препараты.

РЕГУЛЯЦИЯ СКОРОСТИ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ

зования новых ферментов их содержание в клетках возрастает. При этом скорость ферментативных реакций увеличивается, так как зави­симость скорости реакции от концентрации фермента носит прямоли­нейный характер.

При уменьшении выработки ферментов их концентрация в клетках постепенно снижается, что сопровождается падением скорости катали­зируемых ими реакций.

Изменение скорости синтеза ферментов обычно происходит под влиянием гормонов, которые ускоряют или замедляют первый этап синтеза ферментных белков - считывание генетической информации - транскрипцию. Поэтому данный механизм регуляции часто называется регуляцией на генетическом уровне.

• Модификация ферментов. Под модификацией понимается не­значительное изменение химического состава молекулы фермента, приводящее к изменению каталитической активности.

Модификация может быть обратимой и необратимой.

В первом случае изменение строения фермента носит обратимый характер и фермент может многократно менять свою активность. На­пример, некоторые ферменты содержат в своей молекуле остаток фос­форной кислоты. При отщеплении фосфатного остатка у одних фер­ментов каталитическая активность снижается; при включении его сно­ва в состав ферментов активность их возрастает. У других же фермен­тов фосфорилированная форма (содержащая фосфат), наоборот, мало­активна. Отщепление фосфорной кислоты от таких ферментов ведет к повышению их активности.

Примером необратимой модификации служит активация пищевари­тельных ферментов, действующих на пищевые белки. Так, в составе желудочного сока содержится белок пепсиноген, не обладающий ката­литической активностью. В полости желудка под действием соляной кислоты от этого белка отщепляется небольшой полипептид и образу­ется очень активный фермент, расщепляющий в пищевых белках пеп­тидные связи, - пепсин. (Белки, являющиеся предшественниками фер­ментов, называются проферментами.)

• Изменение конформации ферментов. Изменение конформации, т. е. пространственного строения ферментного белка, происходит под действием неконкурентных ингибиторов и активаторов, которыми мо­гут быть гормоны, промежуточные и конечные продукты фермента­тивных реакций, ионы металлов, лекарства (см. выше). Изменение конформации ферментов возможно и при изменении условий среды, например при повышении или снижении кислотности.

КЛАССИФИКАЦИЯ И ИНДЕКСАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ

Современная классификация ферментов основывается на характере химической реакции, катализируемой ферментом. Все ферменты де­лятся на шесть классов в зависимости от типа катализируемой реакции:

Iкласс — оксидоредуктазы — ферменты, катализирующие окисли­тельно-восстановительные реакции.

Схематично действие ферментов I класса можно записать:

А+В ----  C + D

IIкласс - трансферазы - ферменты, катализирующие перенос хи­мических группировок с молекулы одного вещества на молекулу дру­гого:

АВ + С--------- А + ВС

IIIкласс - гидролазы - ферменты, расщепляющие химические свя­зи путем присоединения воды, т. е. путем гидролиза:

АВ + Нуэ--------- А-Н + В-ОН

IVкласс - лиазы - ферменты, катализирующие расщепление хими­ческих связей без присоединения воды:

АВ--- А+В

Vкласс — изомеразы - ферменты, катализирующие изомерные пре­вращения, т. е. перенос отдельных химических групп в пределах одной молекулы:

А --------  В

VIкласс - синтетазы - ферменты, катализирующие реакции синте­за, протекающие за счет энергии гидролиза АТФ:

А+В     ^ АВ

АТФ + Н_гО ^ ^ АДФ + Н₃Р0₄

Каждый класс, в свою очередь, делится на подклассы, внутри под­классов выделены подподклассы. Каждый подподкласс содержит спи­сок индивидуальных ферментов в строго определенной последователь­ности, которая не изменяется, а лишь продлевается по мере открытия новых ферментов.

В основе подразделения ферментов на подклассы и на подподклас- _сы лежит тип химической связи или химическое строение группировки субстрата, на которую действует фермент.

С классификацией ферментов тесно связана их индексация (нуме­рация)- Индекс (шифр) каждого фермента состоит из четырех чисел, разделенных точками, и составляется по следующему принципу: пер­вая цифра индекса указывает, к какому из шести классов принадлежит данный фермент. Второе и третье числа индекса обозначают соответст­венно порядковые номера подклассов и подподклассов. Четвертое чис­ло индекса - порядковый номер индивидуального фермента внутри своего подподкласса.

Например, фермент слюны амилаза, расщепляющий крахмал, имеет индекс 3.2.1.1, что свидетельствует о принадлежности этого фермента к классу гидролаз.

НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ

Название фермента, как правило, состоит из двух частей. Первая часть является названием субстрата, превращения которого катализи­руется данным ферментом. Вторая часть названия, имеющая окончание «-аза», указывает природу реакции. Например, фермент, отщепляющий от лактата (молочная кислота) атомы водорода, называется лактатде- гидрогеназа; фермент, катализирующий изомеризацию глюкозо-6- фосфата в фруктозо-6-фосфат, имеет название глюкозофосфатизомера- за, а фермент, участвующий в синтезе гликогена, - гликогенсинтетаза.

Полезная информация

Энергия активации - избыток энергии (выше среднего), которым должны обладать молекулы, чтобы их столкновение оказалось продук­тивным, т. е. привело бы к химической реакции. Изменение величины энергии активации в большой мере влияет на скорость реакции: незначи­тельное уменьшение энергии активации приводит к резкому повышению скорости реакции, и, наоборот, самое небольшое ее возрастание сопро­вождается весьма значительным снижением скорости.

ГЛАВА 4

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Как уже отмечалось, в процессе обмена веществ в организме проис­ходят различные реакции окисления, которые объединяют термином биологическое окисление.

Основным типом биологического окисления является тканевое ды­хание, протекающее в клеточных митохондриях (в связи с этим ткане­вое дыхание еще называется митохондриальным окислением).

ТКАНЕВОЕ ДЫХАНИЕ______________________________________________

Тканевое дыхание - это основной способ получения АТФ, исполь­зуемый всеми клетками организма (кроме красных клеток крови).

В процессе тканевого дыхания от окисляемого вещества отнимают­ся два атома водорода (два протона и два электрона) и по дыхательной цепи, состоящей из ферментов и коферментов, передаются на молеку­лярный кислород - 0₂, доставляемый кровью из воздуха во все ткани организма. В результате присоединения атомов водорода к кислороду образуется вода. За счет энергии, выделяющейся при движении элек­тронов по дыхательной цепи, в митохондриях осуществляется синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Обычно образование одной моле­кулы воды сопровождается синтезом трех молекул АТФ.

В упрощенном виде тканевое дыхание может быть представлено следующей схемой:

АН₂ + 1/2 0₂                 А + Н₂0

Окисляемое                     У Окисленное

вещество         ,            вещество

3 АДФ + 3 Н₃Р0₄            з АТФ

В качестве субстратов окисления (т. е. веществ, от которых отнима­ется водород) в тканевом дыхании используются разнообразные про­межуточные продукты распада белков, углеводов и жиров. Однако наиболее часто окислению подвергаются промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) - цикла Кребса (изолимонная, а-кетоглутаровая, янтарная и яблочная кислоты). Цикл Кребса - это за­вершающий этап катаболизма, в ходе которого происходит окисление остатка уксусной кислоты, входящей в ацетилкофермент А, до С0₂ и Н₂0. В свою очередь, ацетилкофермент А - это универсальный метабо­лит организма, в который при своем распаде превращаются главные органические вещества - белки, углеводы и жиры (подробнее см. в гла­ве 5 «Обмен углеводов»).

Тканевое дыхание представляет собой сложный ферментативный процесс. Все ферменты тканевого дыхания делятся на три группы: нико- тинамидные дегидрогеназы, флавиновые дегидрогеназы и цитохромы.

Никотинамидные дегидрогеназы отнимают два атома водорода от окисляемого субстрата и временно присоединяют их к своему кофер- менту НАД (никотинамидадениндинуклеотид). По строению НАД яв­ляется динуклеотидом, в котором два нуклеотида соединяются между собой остатками фосфорной кислоты. В состав одного из нуклеотидов в качестве азотистого основания входит амид никотиновой кислоты (иикотинамид, витамин РР), вторым нуклеотидом является адено- зиимоиофосфат (АМФ):

Отнимаемые от окисляемого вещества атомы водорода присоеди­няются непосредственно к никотинамиду (отсюда название данных ферментов - никотинамидные дегидрогеназы), при этом НАД перехо­дит в свою восстановленную форму НАД Н₂:

АН₂ + НАД ------------ — А + НАДН₂

Окисляемое                  Окисленное

вещество                      вещество

Флавиновые дегидрогеназы отщепляют два атома водорода от об­разовавшегося НАД Н₂ и временно присоединяют их к своему кофер- менту ФМН (флавинмононуклеотид). По строению этот кофермент яв­ляется мононуклеотидом, содержащим витамин В₂ (рибофлавин):

Два атома водорода, отнимаемые флавиновыми дегидрогеназами от восстановленного НАД (НАД Н₂), присоединяются к флавину, выпол­няющему роль акцептора водорода. В результате этой стадии образует­ся восстановленная форма кофермента - ФМН Н₂:

НАД-Н₂ + ФМН-------- ^ НАД + ФМН-Н₂

В некоторых случаях флавиновые дегидрогеназы, подобно никоти- намидным, отнимают два атома водорода непосредственно от окисляе­мых веществ. Такие флавиновые дегидрогеназы используют кофермент ФАД (флавинадениндинуклеотид), похожий по строению на ФМН и тоже содержащий витамин В₂:

АН₂ + ФАД --------- —А + ФАД-Н₂

Окисляемое              Окисленное

вещество                 вещество

Следующая группа ферментов - цитохромы. Эти ферменты участ­вуют только в переносе электронов. По строению цитохромы похожи на одну из субъединиц гемоглобина. Молекула цитохрома состоит из полипептида и гема. Но в отличие от гемоглобина железо, входящее в гем цитохромов, имеет переменную валентность. Способность железа обратимо переходить из окисленной формы в восстановленную (Fe³⁺ + е - - Fe²⁺) обеспечивает возможность переноса электронов данными ферментами.

С помощью цитохромов (их имеется несколько: Ь, с, а, а₃) электро­ны от восстановленных коферментов ФМНН₂ и ФАД-Н₂ передаются на молекулярный кислород (0₂), который при этом переходит в активную, анионную, форму - О^2-. Далее активный кислород (О²") связывается с ионами водорода (протонами), которые тоже отщепляются от ФМН Н₂ или от ФАД-Н₂. Присоединение ионов водорода к аниону кислорода приводит к образованию воды.

Таким образом, на всем протяжении дыхательной цепи наблюдается передвижение электронов. Движение электронов вызвано тем, что все участники дыхательной цепи располагаются по мере возрастания их окислительно-восстановительных потенциалов.

Окислительно-восстановительный потенциал, или редокс-потенци- ал, характеризует способность вещества принимать и удерживать электроны. Поэтому электроны переносятся от вещества с низким редокс-потенциалом к веществу с более высоким редокс-потенциалом.

Поскольку самое низкое значение редокс-потенциала имеет окис­ляемое вещество, а самое высокое - кислород, то в итоге электроны от окисляемого вещества поступают на молекулу кислорода.

Как уже отмечалось, движение электронов по дыхательной цепи со­провождается выделением энергии. Около половины энергии движения электронов аккумулируется в макроэргических связях молекул АТФ. Другая часть энергии выделяется в виде тепла. Синтез АТФ происхо­дит при переносе электронов с НАД-Н₂ на ФМН, с цитохрома b на ци- тохром с и с цитохрома а на цитохром а₃. Всего при переносе двух ато­мов водорода на кислород (т. е. в расчете на одну образовавшуюся мо­лекулу воды) синтезируется три молекулы АТФ.

Некоторые субстраты (жирные кислоты, янтарная кислота и др.) имеют более высокийредокс-потенциал, чем НАД. Поэтому они не мо­
гут окисляться никотинамидными дегидрогеназами. В этом случае отнятие атомов водорода от таких субстратов осуществляется флавиновыми дегидрогеназами. Из-за отсутствия никотинамидных дегидрогеназ при окислении таких веществ образуется только две мо­лекулы АТФ.

На рис. 6 представлена схема тканевого дыхания, включающая все группы ферментов.

Образование АТФ в процессе тканевого дыхания часто обозначает­ся терминами: окислительное фосфорилирование, дыхательное фосфорилирование, аэробное фосфорилирование, или аэробный синтез АТФ.

н₂о

JL

2е                     ¹ 2е *                    ¹ 2е ^т

АН₂ НАД ФМНН₂ 2F е³' _2Fe²" .2Fe³_ -2Fe²⁺_x ¹/₂0₂

V V Y V Y

I цит. b V цит. с ] цит. a J цит. а₃ I

iA2Fe²A2Fe³⁺A2Fe²A₂Fe³v4o²--

АДФ + Ф АТФ АДФ + Ф АТФ АДФ + Ф АТФ Рис. 6. Схема тканевого дыхания

В сутки в организме за счет тканевого дыхания возникает не менее 40 кг АТФ, а у спортсменов еще больше. Поэтому этот процесс потреб­ляет большое количество окисляемых веществ и кислорода.

При незначительной потребности клеток в АТФ тканевое дыхание протекает с низкой скоростью. Если клетка начинает использовать большое количество АТФ, то скорость тканевого дыхания возрастает и может достигнуть максимальных величин. Такой характер изменения скорости обусловлен тем, что активатором ферментов тканевого дыха­ния является избыток АДФ, который возникает в клетке только при ин­тенсивном использовании АТФ.

Митохондрии, в которых протекает тканевое дыхание, имеются во всех клетках (кроме красных клеток крови) и представляют собою вы­тянутые палочковидные образования длиной 2-3 мкм и толщиной око-

1 мкм= 1-Ю^м.

ло 1 мкм. Количество митоходрий в клетках может достигать тысячи и более. Митохондрии снаружи окружены двойной мембраной. Внешняя мембрана гладкая, а внутренняя складчатая, с большой поверхностью. Ферменты тканевого дыхания встроены во внутреннюю мембрану и рас­полагаются в ней в виде отдельных скоплений, называемых дыхатель­ными ансамблями. Каждый дыхательный ансамбль содержит все необ­ходимые ферменты для обеспечения переноса электронов в процессе тканевого дыхания. Благодаря строго упорядоченному расположению ферментов в дыхательных ансамблях передвижение электронов по дыха­тельной цепи осуществляется с большой скоростью.

В клетках митохондрии часто располагаются в том месте, где ис­пользуется энергия АТФ. В мышечных клетках митохондрии находятся около сократительных элементов — миофибрилл - и обеспечивают энергией их сокращение в процессе мышечной работы. Под влиянием систематических тренировок количество митохондрий в мышечных клетках значительно увеличивается.

Как выше отмечалось, тканевое дыхание (митохондриальное окис­ление) является основным способом биологического окисления, т. е. окисления органических соединений в живом организме. Однако наря­ду с тканевым дыханием в организме еще имеются и другие способы окисления.

АНАЭРОБНОЕ ОКИСЛЕНИЕ

В некоторых случаях отнятие атомов водорода от окисляемых веществ происходит в цитоплазме и здесь же отщепленный водород присоединяется не к кислороду (как в случае тканевого дыхания), а к какому-то другому веществу. Наиболее часто таким акцептором водорода является пировиноградная кислота, возникающая при распаде углеводов и аминокислот. В результате присоединения ато­мов водорода пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту (лактат). Таким образом, при данном типе окисления вме­сто конечного продукта - воды - образуется другой конечный про­дукт — молочная кислота, причем это происходит без потребления кислорода, т. е. анаэробно. За счет выделяющейся при этом энергии в цитоплазме осуществляется синтез АТФ, который получил назва­ние анаэробное, или субстратное фосфорилирование, или же ан­аэробный синтез АТФ. Биологическое назначение данного типа окисления - получение АТФ без участия тканевого дыхания и кис­лорода.

■^ШСРОСОМАЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ