Уровни организации ферментов в клетке.

Большинство ферментов в клетке имеют сложное строение, т.е. это мультиферменты.

По сложности молекулярная организация мультиферменые системы, осуществляющие последовательные реакции можно разделить на 3 уровня.

I уровень организации

В простейших мультиферментных системах отдельные ферменты растворены в цитозоле и работают независимо друг от друга; предполагается, что во время своего действия они физически друг с другом не связаны. Небольшие молекулы субстрата, характеризующиеся высокой скоростью диффузии, очень быстро находят дорогу от одного фермента к другому:

II уровень организации

Отдельные ферменты, относящиеся к этим системам, могут ассоциировать друг с другом в форме ферментных комплексов.

Например: синтетаза жирных кислот, представляющая систему из семи разных ферментов, молекулы которых объединены в тесно связанный комплекс, который с трудом распадается на отдельные ферменты, причем после диссоциации все они оказываются неактивными (биологически выгодно – сокращается скорость образования конечного продукта).

III уровень организации

Это наиболее высокоорганизованные ферментные системы, связанные с крупными надмолекулярными структурами (мембраны, рибосомы).

Цепь дыхательных ферментов, прикрепленных к мембране митохондрий и представляющих собой по существу часть мембраны. Мембраны могут изменять специфичность ферментов, изменяя пространственную конформацию белковой молекулы фермента (четмертичная структура). Например, АТФ-аза, связанная с мембраной синтезирует АТФ, а свободная разрушает.

Биологическое окисление.

В процессе обмена веществ пищевые продукты (углеводы, липиды) подвергаются катаболизму.

Катаболизм – это процесс расщепления высокомолекулярных веществ до низкомолекулярных веществ, идущий с выделением энергии. В процессе катаболизма происходит упрощение структуры высокомолекулярных веществ.

Энергия, выделившаяся в процессе катаболизма, используется для синтеза новых веществ, т.е. в процессе анаболизма.

Взаимодействие превращения вещества и энергии называются метаболизмом.

Процессы окисления протекают в организме и вне организма. Эти процессы имеют сходства и различия.

Сходство между окислением в организме и вне организма.

1. В результате окисления образуются одинаковые конечные продукты СО₂ и Н₂О.

2. Выделяется одинаковое количество энергии.

Различия между окислением в организме и вне организма.

1. Вне организма энергия выделяется за счет окисления атомов углерода, а в организме за счет окисления атомов водорода.

2. Вне организма кислород соединяется с окисляемым субстратом. В организме кислород не соединяется с субстратом.

3. Вне организма энергия выделяется одномоментно и не аккумулируется, т.е. не запасается. В организме энергия выделяется порциями, «каскадно» и аккумулируется (запасается). «Каскадное» выделение энергии предохраняет клетку от перегрева.

4. Основной реакцией окисления в организме является реакция дегидрирования, т.е. отщепление водорода (протонов). Вспомогательными реакциями являются реакции дегидратации и декарбоксилирования.

5. Процесс окисления в организме многоступенчатый, ферментативный процесс.

Процесс окисления субстратов в биологических объектах называется биологическим окислением.

Виды биологического окисления.

1. Тканевое дыхание

2. Субстратное окисление

Тканевое дыхание – многоступенчатый ферментативный процесс, в котором конечным акцептором электронов является кислород.

В процессе тканевого дыхания участвую ферменты – оксидоредуктазы, образующие дыхательную цепь.

Дыхательная цепь – это комплекс оксидоредуктаз, участвующих в переносе протонов и электронов от окисляемого субстрата к кислороду.

Дыхательная цепь локализована в кристах митохондрий.

Строение дыхательной цепи.

Дыхательная цепь включает 4 группы ферментов:

1. Пиридинзависимые дегидрогеназы – коферментом является НАД, НАДФ.

2. Флавинзависимые дегидрогеназы – коферментом является ФАД, ФМН.

3. Коэнзим Q или убихинон.

4. Цитохромы b, c, a, a₃.

Цитохромы являются геминовыми белками, в качестве небелковой части содержат гем. В составе гема содержатся атом железа, который может изменять степень окисления с +3 до +2, присоединяя или отдавая электрон.

В составе дыхательной цепи выделяют два участка:

1. Участок, включающий пиридинзависимые дегидрогеназы – коэнзим Q обеспечивает перенос протонов и электронов. На уровне коэнзима Q протоны уходят в среду митохондрий, т.к. цитохромы по своему строению способны переносить только электроны.

2. Участок цитохромов, обеспечивающий перенос только электронов.

Основное значение цитохромной системы перенос электронов от окисляемого субстрата на молекулярный кислород с образованием воды:

Схема переноса электронов и протонов по дыхательной цепи.

По дыхательной цепи от окисляемого субстрата до кислорода передается 2 протона и два электрона.

Коферменты дыхательной цепи принимая протоны и электроны превращаются в восстановленную форму, а отдавая их снова превращается в окисленную форму.

Движущей силой, обеспечивающей перенос протонов и электронов от субстрата к кислороду, является разность редокс-потенциалов. В дыхательной цепи происходит нарастание редокс-потенциала (от –0,32 в до +0,81 в О₂)

Для синтеза одной макроэргической связи АТФ требуется перепад редокс-потенциалов между участками дыхательной цепи примерно в 0,22 в на пару перенесенных электронов.

Длина дыхательной цепи (количество ферментов) может быть различна и зависит от природы окисляемого субстрата.

Для клетки важно, чтобы молекула кислорода, присоединив 4 электрона, полностью восстановилась до двух молекул воды. При неполном восстановлении кислорода в случае присоединения двух электронов образуется перекись водорода, а в случае присоединения одного электрона – супероксидный радикал . Перекись водорода и супероксидный радикал токсичны для клетки, т.к. повреждают клеточные мембраны, взаимодействую с остатками ненасыщенных жирных кислот мембранных липидов.

Аэробные клетки защищают себя от действия перекиси и супероксида с помощью двух ферментов: супероксиддисмутазы и каталазы.