Материал: Біологічна та біоорганічна хімія_Мардашко О.О._ изд. 2008-342 с._ОНМедУ-2012

9. Типи інгібування ферментів: зворотне (кон-

12. Ензимопатії — уроджені (спадкові) вади

курентне, неконкурентне) та незворотне інгібу-

метаболізму вуглеводів, амінокислот, порфіринів,

вання.

пуринів.

10. Регуляція ферментативних процесів. Шля-

13. Ензимодіагностика патологічних процесів

і захворювань.

хи і механізми регуляції: алостеричні ферменти;

ковалентна модифікація ферментів.

14. Ензимотерапія — застосування ферментів,

їх активаторів та інгібіторів у медицині.

11. Циклічні нуклеотиди (цАМФ, цГМФ) як

15. Принципи та методи виявлення ферментів

регулятори ферментативних реакцій і біологічних

у біооб’єктах. Одиниці виміру активності й

функцій клітини.

кількості ферментів.

7.1. КАТАБОЛІЗМ, АНАБОЛІЗМ.

нази вищих жирних кислот і амінокислот. На цій

СПІЛЬНІ ШЛЯХИ ПЕРЕТВОРЕНЬ

стадії, крім ацетил-КоА, утворюються відновлені

БІЛКІВ, ВУГЛЕВОДІВ, ЛІПІДІВ

коферменти НАД, ФАД, НАДФ, ФМН. Отже, і

друга стадія катаболізму перебігає за участю

ферментів, специфічних для вуглеводів, білків і

Енергія в клітинах вивільнюється в процесі

жирів. Тому ця стадія катаболізму також нази-

катаболізму вуглеводів, жирів і білків. Розрізня-

вається стадією специфічних реакцій. До таких

ють три стадії катаболічних перетворень цих спо-

процесів належать гліколіз, окиснення жирних

лук. На першій стадії катаболізму білки гідролі-

кислот, гліцеролу, дезамінування амінокислот.

зуються на амінокислоти, полісахариди гідролі-

Продукти, утворені на цій стадії, втрачають свою

зуються переважно до глюкози, а також до

специфічність (приналежність) до певного класу

інших гексоз і пентоз, жири розпадаються на

сполук (наприклад, піруват може утворювати-

гліцерол, жирні кислоти й інші компоненти. На

ся з глюкози, аланіну, гліцеролу; ацетил-КоА —

цій стадії не відбувається вивільнення біологічно

з пірувату і жирних кислот).

корисної енергії. Катаболізм білків, жирів і вуг-

Третя стадія катаболізму охоплює цикл

леводів перебігає за участю специфічних для

Кребса, тканинне дихання й окисне фосфорилу-

кожної групи ферментів, в основному, представ-

вання — це універсальний шлях окиснення

ників класу гідролаз (гідролаз складних ефірів,

білків, жирів і вуглеводів. Незалежно від того, з

пептидних, глікозидних зв’язків), тобто відбува-

яких речовин утворився ацетил-КоА, відновлені

ються специфічні реакції катаболізму високомо-

форми коферментів (НАДН, НАДФН, ФАДН2,

лекулярних сполук до відповідних мономерів.

ФМНН2), молекулярні механізми подальшого пе-

Всі продукти, що утворилися на першій стадії

ретворення цих сполук до СО2 і Н2О з виділенням

катаболізму, на другій стадії перетворюються на

енергії вже однакові. Тому третя стадія катабо-

ще простіші сполуки, кількість яких порівняно

лізму називається ще загальним шляхом катабо-

невелика. Гексози, пентози й гліцерол розщеплю-

лізму (стадією неспецифічних реакцій катаболіз-

ються до піровиноградної кислоти (пірувату), що

му).

піддається окисному декарбоксилюванню й пере-

Катаболізм білків, вуглеводів і ліпідів ілюст-

творюється на ацетил-КоА. Аналогічним пере-

рує рис. 7.1.

творенням піддаються амінокислоти. Жирні кис-

лоти також розпадаються до ацетил-КоА.

У процесі катаболізму білків, жирів і вугле-

7.2. ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВИХ

водів відбувається відщеплення атомів Гідрогену,

КИСЛОТ

які через систему ферментів переносяться на ки-

сень з утворенням води. Саме в ході цього пере-

У результаті катаболізму вуглеводів, жирів і

носу відбувається вивільнення енергії збуджених

електронів. Отже, чим більше органічна речови-

білків утворюється ацетил-КоА. Встановлено, що

на містить атомів Гідрогену, які можуть відщеп-

при катаболізмі цих сполук майже 100 % атомів

лятися ферментативним шляхом і переноситися

Карбону жирних кислот, близько 60 % атомів

через систему каталізаторів на кисень, тим

Карбону вуглеводів і близько 50 % атомів Кар-

більша енергетична цінність цих речовин.

бону амінокислот включається до ацетил-КоА.

Відщеплення атомів Гідрогену від відповідних

Утворений ацетил-КоА може окиснюватися в

сполук починається на другій стадії в процесі

циклі лимонної кислоти. Цей цикл був відкритий

катаболізму. Його каталізують ферменти гліцер-

англійським біохіміком Гансом Кребсом. За це

альдегідфосфатдегідрогеназа, лактатдегідрогена-

відкриття він був нагороджений Нобелівською

за, глюкозо-6-фосфатдегідрогеназа, дегідроге-

премією (1953), а цикл лимонної кислоти дістав

Ліпіди

Вуглеводи

Білки

Жирні кислоти + Гліцерол

Глюкоза

Амінокислоти

Ацил КоА

Гліцеральдегідфосфат

Піруват

Аланін, серин, треонін,

цистеїн, валін

Ацетил КоА

Гліцин, лейцин,

тирозин, фенілаланін

Оксалоацетат

Тирозин, фенілаланін,

аспартат

Цикл трикарбонових

Аргінін, пролін,

кислот

оксипролін, гістидин,

орнітин

Кетоглутарат

Глутамат

O

Ацетил-КоА

=

COOH

COOH

CH –C

3 ~

SKoA

+

- НОН

CH2

+ НОН

CH2

O=C–COOH

Оксалоацетат

С

СООН

Н

С

СООН

CH2–COOH

1. Цитратсинтаза

СН

HC

ОН

CH2–COOH

СООН

СООН

Цис-аконітова кислота

Ізоцитрат

HO–C–COOH

Цитрат

CH2–COOH

2. Аконітаза

Далі цис-аконітат приєднує молекулу води й

CH2–COOH

перетворюється на ізоцитрат. Суть реакції поля-

Ізоцитрат

гає в «рокіровці». Динамічна рівновага цієї ре-

H–C–COOH

акції встановлюється при співвідношенні: цитра-

HO–C–COOH

ту 90 %, ізоцитрату — 8 % і цис-аконітату —

H

3. Ізоцитратдегідрогеназа

НАД+

2 %. Біологічний сенс такого співвідношення ме-

COOH

таболітів полягає в тому, що цитрат має здат-

CH2

ність виходити з мітохондрій у цитоплазму, ре-

CH2

α -Кетоглутарат

гулюючи у такий спосіб потік метаболітів по цик-

лу Кребса.

C=O

4. α -Кетоглутарат-

3-тя реакція — перетворення ізоцитрату на α -

COOH

НАД+

кетоглутарат через оксалосукцинат (ізоцитрат-

COOH

дегідрогеназний

дегідрогеназна реакція). Протягом цієї реакції ізо-

комплекс

CH2

цитрат окиснюється шляхом відщеплення двох

CH2

Сукциніл-КоА

атомів Гідрогену й перетворюється на оксалосук-

O=C

~SKoA

цинат. Остання декарбоксилюється до α -кето-

5. Сукциніл-КоА-синтетаза

глутарату.

Сукциніл-

(тіокіназа)

COOH

фосфат~

COOH

COOH

CH2

+ НАД(Ф)+

CH2

СН2

Сукцинат

Н

С

СООН

СН2

- СО2

CH2

- НАД(Ф)Н + Н+

COOH

С

О

С

О

ФАД

6. Сукцинатдегідрогеназа

СООН

СООН

COOH

Оксалосукцинат α

-Кетоглутарат

CH

Фумарат

=

Цю реакцію, тобто перетворення ізоцитрату

HC

COOH

7. Фумараза

на оксалосукцинат і декарбоксилювання остан-

COOH

нього до α

-кетоглутарату, каталізує ізоцитрат-

дегідрогеназа. Існує два типи ізоцитратдегідро-

HO–CH

L-Малат

генази: один використовує як акцептор протонів

CH2

8. Малатдегідрогеназа

і електронів НАД+, а другий — НАДФ+. У міто-

НАД+

хондріях існують ізоцитратдегідрогенази обох

COOH

COOH

типів: НАД+-залежна й НАДФ+-залежна; НАД+-

залежна зустрічається тільки в мітохондріях, а

O=C

Оксалоацетат

НАДФ+-залежна — як у мітохондріях, так і в ци-

CH2

топлазмі. У циклі Кребса, можливо, беруть

участь обидва мітохондріальних ферменти, але

COOH

Рис. 7.2. Схема циклу трикарбонових кислот

переважає НАД+-залежна ізоцитратдегідрогена-

за. Регуляторна роль ізоцитратдегідрогеназної

Каталізує всі три стадії першої реакції (утво-

реакції полягає в тому, що вона забезпечує спря-

рення енольної форми ацетил-КоА, конденсацію

мованість метаболізму по катаболічному або

і гідроліз) фермент цитратсинтаза.

анаболічному шляху залежно від форми кофер-

ментів, що утворюються. Участь НАДФ+-залеж-

O

O

ної ізоцитратдегідрогенази, імовірно, дозволяє

C

S-KoA

C OH

циклу працювати «на холостому ходу», даючи

CH2

CH2

можливість використовувати НАДФН для біо-

HOOH C COOH + HOH

НО C COOH + HS-KoA

синтетичних процесів. Гальмування активності

CH2

CH2

ізоцитратдегідрогенази спричинює нагрома-

COOH

COOH

дження цитрату й вихід його з мітохондрій у ци-

Цитрил-КоА

Цитрат

топлазму, де він може перетворюватися на окса-

2-га реакція — перетворення цитрату на ізо-

лоацетат і ацетил-КоА, що йде на біосинтетичні

цитрат через цис-аконітат (аконітатгідратазна

процеси, а також на утворення розчинного цит-

реакція). У цій реакції цитрат піддається дегідра-

рату Са2+, необхідного для системи згортання

тації й перетворюється на цис-аконітову кисло-

крові й забезпечення функцій нервової тканини.

ту. Ця сполука пов’язана з ферментом аконіта-

НАДФ+-залежна ізоцитратдегідрогеназа ка-

зою і в нормі не відділяється від активного цент-

талізує карбоксилювання α -кетоглутарату. Дже-

ру цього ферменту.

релом Карбону в цій реакції звичайно служить

глутамат; трансамінування його приводить до

6-та реакція — дегідрування сукцинату з ут-

утворення α -кетоглутарату. Атоми Гідрогену,

воренням фумарату.

зв’язані з НАД+ (НАДН+Н+), далі переносяться

по ланцюгу дихальних ферментів на кисень з

утворенням Н2О, тобто процес іде по шляху

COOH

COOH

COOH

катаболізму. Атоми Гідрогену, зв’язані з НАДФ+

+ ФАД

НС

+ НОН

СНОН

+ НАД

С О

(НАДФН+Н+), як правило, використовуються

- ФАДН2

СН

СН2

- НАДН+ Н+

СН2

по шляху біосинтезу різних сполук (вищих жир-

СООН

СООН

СООН

них кислот, холестеролу, стероїдних гормонів

Фумарат

L-Малат Оксалоацетат

тощо), тобто процес іде по шляху анаболізму.

4-та реакція — окисне декарбоксилювання α -

кетоглутарату кислоти до сукциніл-КоА. У цій

Окиснення сукцинату каталізує сукцинатде-

реакції α -кетоглутарат піддається такому ж

гідрогеназа, у молекулі якої з білком ковалентно

складному окисному декарбоксилюванню, як і

зв’язаний кофермент ФАД,

що служить акцеп-

піруват, але утворюється не ацетил-КоА, а сук-

тором Гідрогену в даній реакції. Сукцинатдегід-

циніл-КоА. Сумарно дану реакцію можна запи-

рогеназа — єдиний фермент циклу, зв’язаний із

сати так:

внутрішньою мембраною мітохондрій, решта ре-

COOH

акцій відбуваються в матриксі.

7-ма реакція — гідратація фумарату з утво-

СН2

+ ТПФ + ЛК + HS-KoA + ФАД + НАД+

ренням малату. Під час цієї оборотної реакції фу-

СН2

- СО

- НАДН + Н

+

марова кислота приєднує молекулу води й пере-

2

C

O

творюється на малат. Каталізує реакцію фума-

SKoA

ратгідратаза (фумараза). Цей фермент має сте-

Сукциніл-КоА

реоспецифічну дію: він гідратує тільки трансфор-

Сукциніл-КоА, що утворився, має макро-

му подвійного зв’язку фумарової кислоти й не діє

на цис-форму — малеїнову кислоту.

ергічний карбоксил-тіоловий (тіоефірний) зв’я-

зок, у якому резервується енергія окисного декар-

HC

COOH

HC

COOH

боксилювания. Каталізує цю реакцію α -кетоглу-

HC—COOH

HOOC

CH

таратдегідрогеназний комплекс. За структурою

Малеїнова кислота

Фумарова кислота

і функцією цей комплекс дуже нагадує піруват-

дегідрогеназний комплекс, він включає також

У зворотній реакції (L-малат →

зв’язані з ферментами такі коферменти, як НАД+,

фумарат) фу-

ФАД, ТПФ, НSКоА й ліпоєву кислоту.

мараза виявляє специфічність відносно оптично-

5-та реакція — перетворення сукциніл-КоА

го ізомеру L-малату, тобто каталізує дегідрата-

на сукцинат через сукцинілфосфат (сукциніл-

цію L-малату, але не діє на D-малат.

КоА-синтетазна реакція). Протягом цієї реакції

8-ма реакція — дегідрування малату з утво-

спочатку сукциніл-КоА реагує з неорганічним

ренням оксалоацетату — малатдегідрогеназна

фосфатом і перетворюється на сукцинілфосфат.

реакція. У ході цієї реакції L-малат втрачає два

ОН

атоми Гідрогену (окиснюється) і перетворюється

COOH

на оксалоацетат. Молекула оксалоацетату, що

COOH

+ HO

Р

О

СН2

утворилася, може знову вступати в реакцію з

ОН

+ГДФ

СН2

СН2

іншою молекулою ацетил-КоА, і процес розпочи-

- HSKoA

-ГТФ

СН

ОН

2

С

О

нається спочатку. Каталізує реакцію малатде-

СООН

О

Р О

гідрогеназа, коферментом якої є НАД+. НАД+-

ОН

Сукцинілфосфат Сукцинат

залежна малатдегідрогеназа перебуває в мат-

риксі мітохондрій.

При цьому вивільняється НSКоА. Сукциніл-

Відщеплення Гідрогену відбувається в чоти-

рьох реакціях циклу Кребса — ізоцитратдегід-

фосфат також має макроергічний, але не карбок-

рогеназній, α

-кетоглутаратдегідрогеназній, сук-

силтіоловий, а карбоксилфосфатний зв’язок.

цинатдегідрогеназній і малатдегідрогеназній.

Далі сукцинілфосфат реагує із ГДФ і перетво-

Усього відщеплюються вісім атомів Гідрогену.

рюється на сукцинат, а ГДФ, приєднавши фос-

За один оборот циклу відбуваються дві реакції

фат, перетворюється на ГТФ. Реакцію перетво-

приєднання води. Одна молекула води при-

рення сукциніл-КоА на сукцинат каталізує фер-

єднується при гідролізі цитрил-КоА (у цитрат-

мент сукциніл-КоА-синтетаза. Утворений у сук-

синтазній реакції), а друга — при перетворенні

циніл-КоА-синтетазній реакції ГТФ може потім

фумарату на малат. У цих двох реакціях беруть

передавати свою кінцеву фосфатну групу на

участь чотири атоми Гідрогену двох молекул

АДФ з утворенням АТФ; ця оборотна реакція

води. Таким чином, за рахунок окиснення оц-

каталізується нуклеозиддифосфаткіназою:

тової кислоти вивільняються чотири атоми

ГТФ + АДФ →

ГДФ + АТФ

Гідрогену, тобто всі атоми, які входять до скла-

Отже, енергія окисного декарбоксилювання

ду її молекули. Отже, у результаті реакцій одно-

α -кетоглутарату

остаточно може резервувати-

го обороту циклу Кребса оцтова кислота окис-

ся в АТФ (субстратне фосфорилування).

нюється з виділенням чотирьох атомів Гідроге-

ну й двох молекул СО2.

Енергетичний баланс циклу

3. Біосинтез ВЖК, холестеролу. Цитрат може

трикарбонових кислот

виходити з мітохондрій у цитозоль, де розщеп-

Цикл Кребса забезпечує організм енергією.

люється з утворенням оксалоацетату та цито-

зольного ацетил-КоА, який надходить у систему

Від чотирьох проміжних продуктів циклу Креб-

синтезу вищих жирних кислот, холестеролу.

са відділяються чотири пари атомів Гідрогену. Із

4. Біосинтез гему. Сукциніл-КоА може вико-

них три пари атомів Гідрогену переносяться на

ристовуватися для біосинтезу порфіринів, що вхо-

НАД+, що є коферментом ізоцитратдегідрогена-

дять до складу гему гемоглобіну, й в інші сполу-

зи, α -кетоглутаратдегідрогенази й малатдегідро-

ки. Відтік проміжних продуктів циклу Кребса

генази. Далі ці атоми Гідрогену від НАДН+Н+

поповнюється завдяки дії іншого набору фер-

передаються на ланцюг дихальних ферментів і в

ментів.

остаточному підсумку відновлюють дві молеку-

Спеціальні реакції, що забезпечують попов-

ли О2 з утворенням трьох молекул Н2О.

нення пулу проміжних продуктів циклу Кребса,

При окисненні однієї молекули НАДН+Н+ за

участю дихальних ферментів утворюються три

дістали назву анаплеротичних (поповнюючих)

реакцій. Найважливіша реакція такого роду в

молекули АТФ, а всього — 9 молекул АТФ. Одна

тваринних тканинах — це карбоксилювання

пара атомів Гідрогену потрапляє на дихальний

пірувату за рахунок СО2 з утворенням оксало-

ланцюг через ФАД (кофермент сукцинатдегідро-

ацетату:

генази), у результаті утворюються 2 молекули

Піруват + СО2 + АТФ + Н2О →

АТФ. Одна молекула АТФ синтезується із ГТФ,

що утворюється в сукциніл-КоА-синтетазній ре-

→ Оксалоацетат + АДФ + Н3РО4 + 2Н+.

акції (субстратне фосфорилування).

Каталізує цю реакцію фермент піруваткар-

1. Ізоцитратдегідрогеназа

1 НАДН+Н+ →

3 АТФ

боксилаза. Ця реакція — головна анаплеротич-

на реакція в печінці й нирках. У міокарді та м’я-

2. α -Кетоглутаратдегідрогеназа

зах анаплеротичною є фосфоенолпіруваткарбок-

1 НАДН+Н+

→

3 АТФ

сикіназна реакція:

Фосфоенолпіруват + СО2 + ГДФ →

3. Сукцинілфосфат

→ Оксалоацетат + ГТФ.

1 ГТФ →

1 АТФ

У цій реакції відбувається розщеплення мак-

4. Сукцинатдегідрогеназа

роергічної сполуки фосфоенолпірувату, що утво-

1 ФАДН2 →

2 АТФ

рився в процесі гліколізу. Енергія, що вивіль-

5. Малатдегідрогеназа

няється, використовується для карбоксилювання

з утворенням оксалоацетату, а її залишок запа-

1 НАДН+Н+ →

3 АТФ

сається у формі ГТФ.

Отже, при окисненні однієї молекули ацетил-

Атоми Гідрогену відновленої форми НАДФ

(НАДФН+Н+), що утворюються в ізоцитратде-

КоА в циклі Кребса утворюються 12 молекул

гідрогеназній реакції, можуть використовувати-

АТФ.

ся для біосинтезу вищих жирних кислот, стероїд-

них гормонів, холестеролу, нуклеотидів й інших

Амфіболічні й анаплеротичні реакції

речовин.

Проміжні продукти циклу Кребса можуть бра-

Регуляція циклу трикарбонових кислот

ти участь у реакціях біосинтезу багатьох орга-

Активність ключових ферментів циклу Креб-

нічних сполук.

са й процесу в цілому контролюється енергетич-

1. Біосинтез білка. Оскільки цикл може функ-

ним статусом клітини. Негативним модулятором

ціонувати як катаболічний шлях, а також і як

виступає високий рівень АТФ, тоді цитрат не ме-

джерело сполук для анаболічних шляхів, то його

таболізується в ЦТК, а виходить із мітохондрій

часто називають амфіболічним шляхом (від

у цитоплазму, де розпадається на оксалоацетат

грецьк. аmphi — обидва). α -Кетоглутарат і ок-

і ацетил-КоА, що бере участь у біосинтезі вищих

салоацетат можуть видалятися з циклу й вико-

жирних кислот і холестеролу. Ацетил-КоА, що не

ристовуватися як попередники амінокислот глу-

окиснюється в мітохондріях у результаті гальму-

тамінової й аспарагінової, глутаміну й аспара-

вання ЦТК, може переходити в цитоплазму за

гіну, решта — для біосинтезу білків, азотистих

допомогою карнітинового човникового механіз-

основ, нуклеотидів, нуклеїнових кислот й інших

му й брати участь у біосинтетичних процесах.

сполук.

Однак гальмування реакцій ЦТК може відбува-

2. Біосинтез глюкози. Оксалоацетат є вихід-

тися в результаті порушення функції окисно-

ним продуктом глюконеогенезу. Оксалоацетат

відновних ферментів при різних патологічних

і α -кетоглутарат утворюються в результаті

процесах (наприклад цукровий діабет), тоді аце-

дезамінування аспарагінової й глутамінової

тил-КоА, незважаючи на дефіцит макроергів у

кислот, а фумарова кислота — у циклі синтезу

клітині, синтезує холестерол, тому при цукрово-

сечовини.

му діабеті прогресує атеросклероз.