Значение витаминов для спортсменов

В организме человека происходит непрерывное расходование витаминов, которое требует постоянного поступления их с пищей. У спортсменов резко возрастает потребность в отдельных витаминах, что свя-зано с выполнением различного рода физических упражнений. Так, потребность в витамине А, составляющая 1—2 мг в сутки, увеличивается у спортсменов, выполняющих упражнения, которые требуют большого напряжения зрения. Такими видами спорта являются стрельба, фехтование, мотобол, ходьба на лыжах в горах и т.д.

Под влиянием мышечной деятельности увеличивается суточная потребность в витамине С — от 50—75 до 100—150 мг. В присутствии этого витамина повышается потребление клетками кислорода. Обнаружено, например, что молочная кислота — продукт гликолиза — окисляется при участии фермента дегидрогеназы, в составе которой содержится аскорбиновая кислота:

Присоединяя и отдавая водород, аскорбиновая кислота участвует в окислительно-восстановительных процессах.

Под влиянием занятий спортом возрастает суточная потребность в витамине B₁ — от 2—3 до 5—10 мг, что также связано с интенсивной мышечной деятельностью, когда значительно усиливается окисление углеводов. При недостатке витамина В₁ затрудняется декарбоксилирование пировиноградной кислоты, что приводит кнарушению углеводного обмена.

При активной мышечной работе увеличивается также потребность в витамине В₆, с участием которого протекают реакции перефосфорилирования, связанные с ресинтезом АТФ.

Таким образом, организм спортсмена нуждается в большем количестве витаминов, чем организм человека, не занимающегося спортом.

Глава 19. ФЕРМЕНТЫ

Ферменты — биологические катализаторы белковой природы

Все химические процессы, протекающие в живом организме, ускоряются специфическими катализаторами, получившими название ферментов, или энзимов.

С ферментами человек знаком очень давно — свертывание молока при изготовлении сыра, хлебопечение, пивоварение, виноделие, производство спирта и целый ряд технических процессов основаны на действии ферментов.

Благодаря ферментам вещества, устойчивые при обычных условиях, при поступлении в организм легко расщепляются. Например, углеводы, жиры и белки при обычных условиях могут находиться без заметных изменений в течение длительного времени. Для их расщепления вне организма требуется высокая температура (кипячение) и применение сильных реагентов (концентрированные минеральные кислоты, щелочи). Процесс расщепления при этом длится несколько суток, иногда даже несколько недель. Попадая в организм, эти вещества под влиянием соответствующих ферментов очень быстро (в течение нескольких часов) подвергаются расщеплению с образованием более простых соединений.

По своей природе все ферменты — белки. Еще И.П.Павлов, изучая способность желудочного сока ускорять расщепление белков, обратил внимание на то, что чем он богаче белковыми веществами, тем быстрее переваривается внесенный белок. Доказательством белковой природы ферментов служит ряд их физико-химических свойств, характерных для белков. Так же, как и белки, в растворе ферменты находятся в коллоидном состоянии, являются амфотерными электролитами. При добавлении нейтральных солей, особенно сульфата аммония, ферменты выпадают в осадок, т.е. высаливаются. Под влиянием высокой температуры, сильных кислот и щелочей, солей тяжелых металлов и других факторов, вызывающих денатурацию белка, ферменты денатурируют и теряют каталитические свойства. Важным доказательством белковой природы ферментов является расщепление их пепсином и трипсином — ферментами, которые расщепляют белки.

Свойства ферментов

Ферменты — термолабильные соединения. Это означает, что при действии высоких температур они денатурируют. Вначале при повышении температуры активность их резко снижается, затем совсем прекращается. При 80 °С ферменты разрушаются. Исключение составляют лишь отдельные ферменты, которые выдерживают температуру 100 °С, не разрушаясь при этом. При низких температурах (ниже 0 °С) ферменты прекращают свое действие, но не разрушаются. Для большинства ферментов человека и млекопитающих животных оптимальной температурой действия является 37—40 °С.

Таким образом, чувствительность к температуре — характерное свойство ферментов, объясняющееся их белковой природой.

Каждый фермент проявляет максимальное действие при определенной для него концентрации водородных ионов, т.е. при определенном значении рН, получившем название рН-оптимума. Для большинства ферментов человека и млекопитающих животных оптимальное значение рН находится в слабокислой или слабощелочной среде. Однако известны ферменты, которые проявляют максимальную активность при рН = 1, 5—2, 5 (например, пепсин желудочного сока) и при рН = 8, 00 (например, химотрипсин двенадцатиперстной кишки).

Изменение каталитической активности фермента при различных значениях рН объясняется в первую очередь изменением той пространственной конфигурации, при которой проявляются его каталитические свойства.

Одной из важнейших особенностей, которая отличает ферменты от других катализаторов, является высокая специфичность их действия. Она выражается в том, что каждый фермент действует на определенное вещество (субстрат) или на несколько близких по своей химической структуре веществ. В зависимости от того, может ли фермент катализировать одну реакцию (действовать только на одно вещество) или несколько (действовать на группу близких по строению веществ) различают абсолютную и относительную специфичность. Примером абсолютно специфичного фермента может быть фермент уреаза, который расщепляет мочевину на углекислый газ и аммиак. Даже на такое близкое к мочевине вещество, как тиомочевина, уреаза уже не действует. Большинство ферментов обладает относительной специфичностью. К таким ферментам относятся эстеразы, расщепляющие (эфирные связи, протеолитические ферменты пищевого канала, которые расщепляют пептидные связи в белковых молекулах, липазы и др.

Среди ферментов есть также и такие, которые проявляют свое действие в зависимости от пространственной конфигурации, т. е. обладают пространственной специфичностью. Так, ферменты, окисляющие D-аминокислоты, не окисляют их L-формы. Следует подчеркнуть, что специфичность любого фермента всегда проявляется в строго определенных условиях, в частности, при определенной концентрации ионов водорода.

Ферменты ускоряют течение химических реакций как в сторону расщепления какого-либо вещества, так и в сторону его синтеза, т. е. действуют в обоих направлениях.

Кроме температуры и значения рН на активность ферментов оказывает влияние еще целый ряд факторов, среди которых большое значениеимеет концентрация субстрата. При малых концентрациях субстратареакция протекает с малой скоростью, с увеличением его количестваскорость реакции постепенно возрастает ипри определенной концентрации становится постоянной. Происходит процесс так называемого насыщения фермента субстратом. Дальнейшее увеличение концентрации субстрата приводит к замедлению реакции. Немаловажное значение для скорости реакции имеет и концентрация самого фермента. При оптимальной концентрации вещества скорость реакции прямо пропорциональна концентрации фермента в растворе.

На активность ферментов оказывают влияние находящиеся в реакционной системе химические соединения. Одни из них повышают активность ферментов и называются активаторами. Ими могут быть катионы металлов и анионы кислот: Са²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Co²⁺, C1^- и др. Активаторами ферментов могут быть также органические вещества. Например, липаза поджелудочной железы, расщепляющая жиры, активируется желчными кислотами. Известны случаи, когда активность ферментов повышается при добавлении к раствору небольших количеств белков, которые сами но себе не обладают свойствами ферментов.

Вещества, которые понижают активность ферментов, называются ингибиторами. Ими являются, например, катионы тяжелых металлов.

Строение ферментов

Ферменты, как вещества белковой природы, делятся на простые и сложные, или, как их еще называют, ферменты-протеины и ферменты-протеиды.

Ферменты-протеины состоят только из аминокислот. У большинства из них в молекулу входит одна полипептидная цепь, имеющая характерную вторичную структуру в виде α - и β -спиралей (иногда они обладают третичной и четвертичной структурой). По химическим свойствам простые ферменты относят к альбуминам, глобулинам и другим группам простых белков.

Ферменты-протеиды состоят из двух частей: термолабильной бел-ковой и термостабильной небелковой. Белковая часть сложного фермента называется апоферментом, небелковая — кофактором. Комплекс кофактора с апоферментом называется холоферментом. Связи между апоферментом и кофактором в молекулах сложных ферментон неодинаковы. Во многих случаях кофакторы непрочно связаны с апоферментом, соединяются с ним только во время ферментативной реакции и легко отделяются в процессе диализа. В этом случае кофактор называют коферментом. Некоторые кофакторы связаны с апоферментом очень прочной ковалентной связью. Такой кофактор обычно называют простетической группой. Однако проводить четкую грань между коферментом и простетической группой нельзя, поскольку в составе одного фермента-протеида кофактор может быть прочно связан с апоферментом, в составе другого — слабо, следовательно, такое деление является условным.

Следует особо подчеркнуть, что апофермент каталитической активностью не обладает, кофактор обладает очень слабой активностью. Полноценный фермент, или активный катализатор, образуется только в результате соединения кофермента с апоферментом. При этом специфические свойства фермента и скорость реакции обусловливаются только белковой частью, а превращение субстрата, перенос атомов. электронов, различных функциональных групп осуществляются коферментом. Как правило, в роли коферментов выступают витамины и их производные (см.. гл. 18). Кроме витаминов роль коферментов выполняют также ионы некоторых металлов (Cu²⁺, Fe²⁺, Mg²⁺, Мn²⁺ и др.). Функции коферментов разнообразны. Главной из них, как будет показано ниже, является формирование так называемого активного центра фeрмента и осуществление контакта молекулы фермента с молекулой субстрата. Кроме того, коферменты участвуют в переносе электронов, протонов, атомов, аминных группировок в процессе реакций, а также выполняют связывающую функцию между отдельными ферментами, обеспечивая тем самым согласованность их действия. Рассмотрим наиболее важные кофакторы ферментов-протеидов, выступающие в роли коферментов.

Никотинамидадениндинуклеотид (НАД) состоит из двух мононуклеотидов, соединенных между собой пирофос-фатной связью. В состав одного мононуклеотида входит азотистое. основание аденин, в составе другого азотистым основанием является амид никотиновой кислоты (водорастворимый витамин РР):

Hикотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). Этот кофермент также является динуклеотидом, однако со-держит в своем составе еще один остаток фосфорной кислоты, соединенный эфирной связью со вторым атомом углерода рибозы адениловой кислоты:

НАД и НАДФ входят в состав так называемых дегидрогеназ — ферментов, осуществляющих окисление субстратов путем отщепления атомов водорода и электронов.

Флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинаде-ниндинуклеотид (ФАД) содержат в своем составе рибофлавин (витамин В₂):

ФМН и ФАД входят в состав дегидрогеназ.

Убихинон был впервые описан английским ученым Р.К.Мор-тоном, который и дал ему это название, что в переводе означает «вездесущий хинон», поскольку он встречается почти во всех клетках. Убихинон имеет следующее строение:

Этот кофермент способен обратимо присоединять атомы водорода. Коферменты — порфириновые комплексы. Порфириновые комплексы являются составной частью ряда окислительно-восстановительных ферментов, осуществляющих перенос электронов, в частности цитохромов. Активной частью этих ферментов является железопорфириновый комплекс. Наиболее изученным кофер-ментом порфириновой группы является цитохром с.

Специализированные центры ферментов. Молекулы ферментов имеют большие размеры (обычно больше, чем субстрата) и сложную пространственную конфигурацию. В молекуле фермента различают три специализированных центра: активный, субстратсвязывающий и аллостерический. При этом каждая часть молекулы строго специализирована, т.е. выполняет свою определенную роль.

Активный центр — это динамическое образование. У простых ферментов он представляет собой уникальное объединение остатков определенных аминокислот, которые размещены в различных местах полипептидной цепи молекулы белка. Такими остатками являются радикалы гистидина, серина, аргинина, триптофана, цистеина, тирозина, аспарагиновой и глутаминовой кислот. В молекулах простых ферментов активный центр возникает в результате того, что полипептидная цепь молекулы белка принимает такую конфигурацию, при которой радикалы указанных выше аминокислот оказываются рядом. Образуется как бы своеобразный «карман», в котором происходят каталитические превращения субстрата. Такой конфигурацией, как правило, является третичная структура полипептидной цепи. Таким образом, активный центр ферментов-протеинов возникает в этот момент, когда белковая молекула приобретает характерную для нее третичную структуру. Поэтому изменение этой структуры может вызвать деформацию или разрушение активного центра и ослабление ферментативной активности.

У сложных ферментов роль активного центра выполняет его небелковая часть, т.е. кофактор, а также прилегающие к нему белковые функциональные группы: HS—цистеина, ОН—серина, СООН—аспарагиновой и глутаминовой кислот, имидазольное кольцо гистидина и др.

Активный центр, образованный радикалами определенных аминокислот или кофактором, характеризуется строгой геометрической конфигурацией. В связи с этим данный фермент может оказывать свое каталитическое действие на субстрат, находящийся в точном геометрическом соответствии со структурой активного центра, подобно тому, как ключ подходит к замку.

Соответствием строения активного центра фермента и субстрата объясняется высокая специфичность ферментов. Только субстрат определенного строения может войти в тесное соприкосновение с активнным центром фермента.

В молекулах ферментов различают также специализированные участки, отвечающие за связь с субстратом. Их называют субстратсвязывающим (субстратным) центром, или «якорной» площадкой. Как установлено в настоящее время, прикрепление субстрата к этому участку одних ферментов происходит в результате взаимодействия субстрата с ε -аминогруппой аминокислоты лизина, у других — с участком свободной СООН-группы глутаминовой кислоты и HS-группы цистеина, которые расположены, как правило, в субстратном центре молекулы фермента.

Проводить четкую границу между активным и субстратным центром, однако, нельзя, поскольку в природных ферментах субстратный центр может совпадать или перекрываться с активным. Представление о наличии в молекулах белков определенных участков помогает лучше понять каталитическую функцию ферментов. В молекулах ферментов есть также участки, расположенные на некотором удалении от активного и субстратного центров. Их называют аллостерическими, или регуляторными, центрами. К этим центрам могут присоединяться различного рода вещества, вызывая при этом изменение пространственной конфигурации молекулы фермента. Как следствие этого происходит изменение конфигурации и активного центра, что сопровождается увеличением или уменьшением каталитической активности фермента. Через аллостерический центр на активность фермента могут влиять различные регуляторные факторы, в качестве которых выступают продукты ферментативных реакций, гормоны и продукты их обмена, медиаторы нервной системы и др. Регуляторные факторы, повышающие активность ферментов, называют аллостерическими активаторами, уменьшающие ее — аллостерическими ингибиторами.

В настоящее время обнаружено десятки ферментов, обладающих аллостерическими центрами. Такие ферменты называют аллостерическими, или регуляторными, т.е. ферментами, активность которых регулируется. В полиферментных системах регуляторные ферменты, как правило, первыми начинают каталитическое превращение субстрата и прекращают свое действие под влиянием конечного продукта ферментативных реакций. В этом случае регулируемое влияние на активность аллостерического фермента конечным продуктом называется принципом обратной связи. Этот принцип лежит в основе мо-лекулярной саморегуляции большинства ферментативных процессов (биосинтеза белка, гликогена, окисления углеводов и т.д.).

Классификация и номенклатура ферментов

Высокая специфичность действия ферментов обусловливает очень большое их количество. Почти каждая реакция, протекающая в живом организме, осуществляется с участием специфически приспособленного к ней фермента или группы ферментов. В настоящее время известно около 2000 различных ферментов и число их продолжает увеличиваться.

В 1961 г. в Москве на V Международном биохимическом конгрессе была утверждена единая классификация и номенклатура ферментов. В основу классификации был положен принцип разделения всех фер-ментов в соответствии с типом химических реакций, которые они ката-лизируют. В связи с этим все известные реакции, протекающие в ор-ганизме, были разделены на шесть основных типов:

1. Окислительно-восстановительные реакции.

2. Процессы переноса отдельных групп от одних субстратов к другим.

3. Реакции расщепления субстратов с участием воды (гидролиз),

4. Процессы отщепления каких-либо групп с образованием двой-ных связей без участия воды.

5. Реакции, при которых одни вещества превращаются в другие при неизменном количестве атомов (процессы изомеризации).

6. Синтетические процессы, в результате которых образуются новые вещества, с использованием энергии АТФ.

В соответствии с шестью типами химических реакций все известные ферменты делятся на шесть классов:

1. Оксидоредуктазы. 2. Трансферазы. 3. Гидролазы. 4. Лиазы 5. Изомеразы.6. Лигазы (синтетазы). Кроме того, каждый класс под-разделяетсяна подклассы, которые, в свою очередь, делятся на под-подклассы, состоящие из отдельных представителей. Таким образом, каждый фермент имеет четырехзначный шифр, или код, в котором первая цифра обозначает класс, к которому относится данный фермент, вторая цифра — подкласс фермента в этом классе, третья — подпод-класс, четвертая — порядковый номер фермента в данном подподклассе. В начале шифра ставится две буквы— КФ (классификация-ферментов).

В соответствии с новой номенклатурой названия ферментов со-состоят из двух частей. Первая часть указывает на название субстрата, вторая — на природу химической реакции, осуществляемую фермен-том, с прибавлением суффикса -аза. Если фермент катализирует реакцию между двумя субстратами, то в первой части названия ферментa дают названия обоих субстратов, разделенные двумя точ-ками, в другой — указывают тип химической реакции с добавлением суффикca -аза.

Таким образом, согласно принятой классификации и номенклату-ре ферментов, в названии фермента отражается тип химической реакции, которую они катализируют, а сам фермент имеет свой шифр, который ставится после названия фермента в скобках.

Рассмотрим на примерах названия и шифры некоторых ферментов. I. Оксидоредуктазы — ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, т.е. перенос электронов и атомов водо-рода от одного вещества (донатора) к другому (акцептору). В резуль-тате реакций, катализируемых оксидоредуктазами, клетки получают химическую энергию.

Оксидоредуктазы являются сложными ферментами. В качестве кофакторов в их составе могут быть никотинамидные коферменты (НАД и НАДФ), флавиннуклеотиды (ФМН и ФАД), железопорфири-новые комплексы (гем) и многие катионы (Fe²⁺, Fe³⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ и др.). Перечисленные кофакторы способны выполнять роль ацепторов элек-тронов и атомов водорода и передавать их другим веществам. Название ферментов строится по такой общей схеме: Донатop: акцептор —оксидоредуктаза.

Наряду с этим применяется также рабочая номенклатура оксидо-редуктаз, в основе которой лежит название акцептора электронов и водорода. Так, если акцептором является кислород или пероксид водо-рода, такие оксидоредуктазы называют соответственно оксидазами и пероксидазами. Оксидоредуктазы, передающие электроны и водо-род на какой-либо другой акцептор, кроме кислорода и пероксида водорода, называют дегидрогеназами. Таких оксидоредуктаз подавляющее большинство.

В классе оксидоредуктаз есть целый ряд подклассов и подподклассов (в шифpe ферментов это соответственно вторая и третья цифры).

В подклассе оксидоредуктаз отражены окисляющиеся группы веществ (т.е. донаторы электронов и атомов водорода), каждая из которых имеет свой определенный порядковый номер. Например, цифрой 1 всегда обозначается спиртовая ОН-группа, цифрой 2 — альдегидная или кетонная группа. Подподкласс в рассматриваемом классе обозначает акцепторы электронов и атомов водорода (это не что иное, как кофакторы оксидоредуктаз), которые, так же как и донаторы (окисляемые группы), имеют свои определенные номера. Цифра 1 в подподклас-се, например, обозначает, что акцептором электронов и водорода являются никотинамидные коферменты (НАД и НАДФ).

Например, фермент спиртового брожения алкогольдегидрогеназа согласно номенклатуре называется так: алкоголь: НАД — оксидоре-дуктазй (КФ 1.1.1.1). Первая цифра шифра показывает принадлежность фермента к классу оксидоредуктаз; вторая — к подклассу окси-доредуктаз, которые окисляют спиртовые группы; третья — к подподклассу оксидоредуктаз, кофактором которых является НАД; четвертая — порядковый номер фермента в подклассе. Перечень под-классов, подподклассов и порядковых номеров для любого класса представлен в специальном справочнике по номенклатуре ферментов.

2. Трансферазы — класс ферментов, катализирующих перенос определенных химических групп от одного вещества (донатора) к дру-гому (акцептору). Название фермента создается по схеме: донатор: акцептор — группа-трансфераза. Например, систематическое назва-ние фермента гексокиназы записывается так: АТФ: D-гексозо-6-фосфо-трансфераза (КФ 2.7.1.1). Это означает, что фермент принадлежит ко второму классу (трансфераз), седьмому подклассу (переносит фосфат-ные группы), к первому подподклассу (акцептором являются вещества со спиртовой группой, в данном случае гексоза) и порядковый номер фермента в подподклассе — первый.

Класс трансфераз принимает участие в обмене белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и насчитывает около 800 ферментов.

3. Гидролазы — ферменты, катализирующие реакции расщепле-ния веществ с участием воды. Каталитическая активность этих фермен-тов зависит от наличия в их каталитическом центре HS-гpyпп. В со-ответствии с систематической номенклатурой названия гидролаз составляются по схеме: субстрат—гидролаза. Например, фермент АТФаза называется АТФ — фосфогидролазой (КФ 3.6.1.3). Он от-носится к третьему классу (гидролазы), шестому подклассу (расщеп-ляет кисло-ангидридные связи), первому подподклассу (эти cвязи находятся в молекуле АТФ), порядковый номер данного фермента в подподклассе — третий.

Гидролазы широко распространены в природе и участвуют в об-мене углеводов, жиров, белков и других соединений.

4. Лиазы — ферменты, катализирующие реакции негидролитиче-ского отщепления определенных групп с образованием двойных свя-зей или присоединения групп по двойным связям. Эти реакции осуще-ствляются без использования энергии макроэргических соединений. Систематические названия ферментов этого класса строятся так же, как и названия гидролаз, т.е. по схеме субстрат — отщепляемая rpуп-па-лиаза. Например, аспартат — аммиак-лиаза по систематической номенклатуре называется L-аспартат — аммиак-лиаза (КФ 4.3.1.1). Это значит, что фермент принадлежит к четвертому классу (лиаз), третьему подклассу (катализирует, разрыв связи между атомами угле-

рода и азота), к первому подподклассу (отщепляет аминогруппу), а порядковый номер его в подподклассе—первый. Лиазы, как правило, — сложные ферменты, содержащие в качестве

кофакторов фосфорные эфиры водорастворимых витаминов.

5. Изомеразы — ферменты, которые катализируют реакции внут-

римолекулярного перемещения различных групп или реакции образо-вания изомеров. Типичным примером ферментов этого класса явля-ется триозофосфатизомераза, систематическое название которой — D-глицеральдегид-3-фосфат—кетол-изомераза (КФ 5.3.1.1). Дан-ный фермент обратимо превращает 3-фосфоглицериновый альдегид в диоксиацетонфосфат.

6. Лигазы (синтетазы) — ферменты, с участием которых осуществляется присоединение друг к другу двух молекул с использованием энергии АТФ и образованием новых связей. Лигазы называют еще

синтетазазами, поскольку они являются катализаторами синтетических реакций. Это сложные ферменты. Кофактором многих из них явля-ется витамин Н, или биотин. Наиболее изученными ферментами этого класса являются карбоксилазы, например ацетил-КоА — карбоксила-за, систематическое название—ацетил-КоА: СО₂ — лигаза (АДФ) (КФ 6.4.1.2). Фермент катализирует образование так называемого молонил-КоА—промежуточного соединения в биосинтезе высших жирных кислот из ацетил-КоА и угольной кислоты.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: