Обмен веществ и энергии

Обмен веществ

Обмен веществами между клетками и окружающей средой — это основное свойство, отличающее живые организмы от неживой природы. Обменом веществ, или метаболизмом (от греч. metabole — перемена, изменение), называют совокупность всех химических реакций организма. Метаболизм включает процессы катаболизма и анаболизма. Катаболизм (от греч. katabole — сбрасывание), или диссимиляция (от лат. dissimilatio — расподобление), — это распад крупных органических молекул до простых соединений с одновременным выделением энергии. Анаболизм (от греч. anabole— подъем), или ассимиляция (от лат. assimilatio — уподобление), — это синтез сложных молекул из простых; анаболические реакции требуют затраты энергии.

Таким образом, процессы обмена веществ тесно связаны с обменом энергией. Вещества, возникающие в процессе обмена веществ, называют метаболитами. Катаболизм и анаболизм протекают одновременно, в клетках в одно и то же время происходят сотни и тысячи реакций.

Метаболизм делят на первичный и вторичный. Первичный метаболизм — это фотосинтез, дыхание, синтез ДНК, РНК, белков, липидов. Все низкомолекулярные продукты обмена веществ биохимики делят на первичные и вторичные. Первоначально им были даны следующие определения. Первичные метаболиты — низкомолекулярные соединения (молекулярная масса 2—3 кДа), необходимые для жизнедеятельности клетки. К ним относятся пуриновые и пиримидиновые основания (нуклеотиды), аминокислоты, сахара, органические кислоты, витамины. Эти вещества участвуют в основном обмене веществ, являются коферментами (НАД, НАДФ, ФАД, ФМН), строительными блоками для более сложных (высокомолекулярных) соединений. Первичные метаболиты присутствуют в любой клетке растения. Вторичные метаболиты — низкомолекулярные вещества, не требующиеся для поддержания жизнедеятельности клеток в нормальных условиях. Это определение исключает такие вещества, как сахара и их производные, а также аминокислоты. Процессы синтеза вторичных метаболитов из первичных называют вторичным метаболизмом.

Растение постоянно поглощает минеральные вещества и воду, синтезирует из них органические вещества своего тела, изменяет эти вещества и выделяет продукты метаболизма. Жизнь клетки, организма состоит из поглощения и накопления веществ, их разрушения и выделения. Вещества образуются в процессе фотосинтеза, а разрушаются в процессе дыхания. Результатом накопления веществ является рост. Без процесса разрушения веществ невозможна жизнь. Чем энергичнее трата веществ при дыхании, тем энергичнее жизнедеятельность. Уменьшение траты веществ приводит к угнетению жизнедеятельности и переходу растения в состояние покоя. Только совокупность двух процессов — образования и разрушения веществ — характеризует живой организм.

Химические реакции в клетке происходят с участием ферментов, которые ускоряют реакции в 10⁹— 10^й раз. Ферменты — это биологические катализаторы, образующиеся в клетке и являющиеся белками. От химических катализаторов ферменты отличаются тем, что они не только синтезируются в клетке, но и постоянно разрушаются, следовательно, они должны образовываться вновь. В любой клетке содержатся тысячи ферментов. Каждый организм имеет свой набор ферментов, зависящий от его наследственности.

По строению все ферменты делят на два больших класса — ферменты, состоящие только из белка (однокомпонентные, простые), и ферменты, состоящие из белка и небелковой части (двухкомпонентные, сложные). Небелковую часть, прочно связанную с белком, называют простетической группой; в ее состав могут входить металлы — железо, медь, цинк и др. Иногда металлы входят в состав нростетических групп в виде особых соединений, например железо в соединении с четырьмя пиррольными кольцами (геминовое железо, гем).

Небелковую часть, легко отделяющуюся от белковой части фермента, называют коферментом, в состав кофермента могут входить, например, витамины. Коферментами являются никотинамидадениндинуклеотид (НАД), никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), флавинадениндинуклеотид (ФАД), кофермент, А (КоА). Фермент без кофермента не обладает каталитической активностью. Часто кофермент соединяется с белком только на время реакции.

Важнейшее свойство ферментов — их специфичность: обычно фермент катализирует одну какую-нибудь реакцию или один тип реакций. В молекуле фермента имеется активный центр, к которому прикрепляется вещество, вступающее в химическую реакцию. Это вещество называют субстратом. Молекула субстрата обычно очень мала по сравнению с молекулой фермента. Активный центр — это группа атомов, принимающих участие в реакции. Чтобы химическая реакция могла осуществиться, молекула субстрата должна соединиться с активным центром фермента. Для этого форма молекулы субстрата должна соответствовать форме активного центра так, как форма ключа соответствует замку (Э. Фишер, Германия, 1911). Это пространственное соответствие поверхностей взаимодействующих молекул или их частей, приводящее к образованию между ними вторичных связей (водородных, ионных и др.), называют комплементарностъю (от лат.

complementum — дополнение). Если форма активного центра изменится, фермент и субстрат не соединятся и реакция не пойдет. Под влиянием фермента субстрат активируется и превращается в один или несколько продуктов. Продукты реакции отделяются от фермента, а последний может катализировать новую реакцию.

Ферменты катализируют самые разнообразные химические реакции. По характеру действия их делят на шесть классов:

• 1) оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции; играют большую роль в дыхании и фотосинтезе;
• 2) трансферазы переносят функциональные группы атомов от одних соединений к другим. Аминотрансфсразы переносят аминогруппы, фосфотрансферазы (киназы) — остаток фосфорной кислоты;
• 3) гидролазы катализируют расщепление различных, сложных органических соединений с участием воды (гидролиз), а иногда и синтез веществ. Например, пептидазы участвуют в гидролизе белков, амилазы — крахмала, липазы — липидов. Эти ферменты играют важную роль при прорастании семян;
• 4) лиазы катализируют отщепление каких-либо групп от субстратов без участия воды; при этом происходит образование двойных связей или, наоборот, присоединение какой-либо группы к двойной связи. Например, карбоксилазы и декарбоксилазы катализируют соответственно присоединение или отщепление С0₂;
• 5) изомеразы катализируют изомеризацию (превращение органических соединений в их изомеры);
• 6) лигазы (синтетазы) катализируют соединение двух молекул, связанное с расщеплением пирофосфатной связи в АТФ или других нуклсозидтрифосфатах.

Названия ферментов, как правило, оканчиваются нааза и определяют природу субстрата (амилаза действует на крахмал), функцию фермента (карбоксилаза — фермент, катализирующий присоединение к молекуле субстрата С0₂) или природу субстрата и функцию фермента (фосфоснолпируваткарбоксилаза — фермент, присоединяющий С0₂ к фосфоенол пиру вату).

Известно, что при любом химическом взаимодействии вступают в реакцию только те молекулы, которые обладают избытком энергии. Число столкновений между молекулами, приводящее к химическому взаимодействию, составляет очень маленькую часть от общего числа столкновений. Эффективными оказываются лишь те столкновения между молекулами, которые в этот момент обладают некоторым избытком внутренней энергии по сравнению со средней величиной (для данной температуры). Энергия, которую необходимо придать молекулам вещества А для превращения их в вещество В сверх той средней величины, которую они уже содержат, называют энергией активации. Благодаря созданию фермент-субс гратного комплекса фермент понижает энергию активации. Например, энергия активации гидролиза белка с помощью кислоты составляет 840 000 кДж/моль, а при ферментативном разложении — всего 5040 кДж/моль, т. е. она понижается в 170 раз. При образовании фермент-субстратного комплекса происходит определенная ориентация молекул, создание напряженных связей, поляризация субстрата (смещение электронов). Все это делает молекулы субстрата более реакционноспособными.

По месту действия ферменты делят на группы: эндо-, экзои эктоферменты. Эндоферменты — ферменты, действующие в той клетке, где они образуются.

Экзоферменты — ферменты, выделяющиеся из клетки. Эктоферменты — ферменты, находящиеся в плазмалемме и действующие в периплазматическом пространстве. Исследования с культурой клеток и тканей высших растений помогли обнаружить у них экзоферменты. Выделяя экзоферменты, корни влияют на химический состав прикорневого слоя почвы (ризосферы). При прорастании зерновок злаков запасные питательные вещества эндосперма расщепляются иод действием экзоферментов (амилазы, пептидаз), образующихся в клетках алейронового слоя и щитка. У насекомоядных растений специальные железистые клетки выделяют пищеварительные ферменты, гидролизирующие белки. Экзоферменты защищают растение от грибов и насекомых, разрушая их клеточные стенки.

Синтез ферментов генетически предопределен и осуществляется при участии нуклеиновых кислот. Особенности каждой клетки зависят от набора ферментов, которые обеспечивают специфические реакции обмена веществ в этой клетке. Белок фермента обусловливает его специфичность, т. е. способность находить субстрат, зависимость активности от температуры, pH, ионного состава среды и др.

Один и тот же фермент может существовать в разных формах, называемых изофермептами. Они отличаются по реакции на внешние условия. Их максимальная активность проявляется при разных температурах, величинах pH и т. д. Наличие изоферментов позволяет растениям лучше приспосабливаться к меняющимся условиям среды и разным климатическим зонам. Так, ферменты, выделенные из растений весной, активнее при более низкой температуре, чем выделенные летом.

Активность ферментов регулируется их химической модификацией (присоединением фосфата, жирных кислот, АМФ), агрегацией молекул, присоединением регуляторов, изменяющих структуру молекул белка и сродство к субстратам реакции. Одни ферменты содержатся в органеллах, другие — в цитозоле, третьи — прикреплены к мембранам.

Оптимальной температурой для большинства ферментов является 25—30°С. При более высоких температурах реакции ускоряются, но нарушается их согласованность в клетке, необходимая для определенной направленности обмена веществ. При температуре выше 55 °C происходит денатурация белков и полная инактивация ферментов. Ферментативные реакции подчиняются правилу Вант-Гоффа: скорость реакции (V) увеличивается почти вдвое при повышении температуры (Т) на 10 °C (значение <2₁₀):

Ферментативная реакция характеризуется определенной начальной скоростью, которая в зависимости от субстрата сохраняется разное время. При насыщении субстратом, т. е. когда субстрата больше, чем фермента, начальная скорость прямо пропорциональна концентрации фермента.

При данной концентрации фермента скорость реакции зависит от концентрации субстрата и выражается на графике гиперболой (рис. 1.17). Концентрация субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной скорости (моль/л), называется константой Михаэлиса (К_т). Чем меньше К_т, тем быстрее идет реакция. К_т зависит от типа субстрата, pH реакционной смеси, ее температуры. Максимальная скорость (У_тах) достигается при высокой концентрации субстрата, когда все молекулы фермента насыщены субстратом.

Рис. 1.17. Зависимость скорости реакции ( V), катализируемой ферментом, от концентрации субстрата [5″).

Общая скорость реакции зависит от скорости образования и распада комплекса «фермент — субстрат», частоты столкновений молекул, концентрации реагирующих веществ, температуры, количества молекул, находящихся в активном состоянии.

Международная единица активности (ME) — это количество фермента, катализирующего превращение 1 мкмоля субстрата в минуту. Число оборотов — это число молей превращенного субстрата в минуту.

Характерной особенностью живой клетки является согласованность действия ферментов. Химические реакции взаимосвязаны и согласованы друг с другом и с внешней средой. Из внешней среды клетка получает необходимые вещества и выделяет в нее продукты метаболизма. Внешние условия (температура, влажность, освещенность и пр.) влияют на скорость химических реакций и направленность обмена. Организм сам может регулировать обмен веществ.

В большинстве случаев химические реакции в клетке составляют цепи, которые катализируются несколькими ферментами. В таких цепях продукт одной реакции является субстратом для следующей и т. д. Цепи реакций могут образовать сети и циклы. Скорость циклических реакций клетка может регулировать сама, например при помощи обратной связи. Обратной связью называют влияние более позднего члена цепи взаимосвязанных реакций на более ранний член.

Циклический или цепной процесс может остановиться на любой реакции. Это зависит от того, какие вещества нужны клетке: конечные продукты цикла или промежуточные метаболиты.

В клетке одновременно могут идти противоположные реакции, например синтез данного вещества и его распад. Это возможно, потому что синтез и распад одного и того же вещества в клетке пространственно разобщены. Так, синтез сахара (глюкозы) идет в хлоропласте, а его окисление (распад) — в цитозоле и митохондрии.

Пространственная изоляция и взаимосвязь химических реакций хорошо видны на примере синтеза белка: информация о последовательности расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи хранится в ядре, там же синтезируются нужные РНК, строительный материал — аминокислоты — синтезируются в цитозоле, сам процесс идет в рибосомах.

К. А. Тимирязев писал: «Превращения вещества происходят в организмах по тем же законам, как и вне их, конечно, если условия одинаковы».

Ферменты — не только катализаторы, но и регуляторы обмена веществ. В клетке содержатся десятки тысяч различных соединений, и для их образования и разрушения должны происходить многочисленные реакции. Однако число реакций ограничивается, поскольку ферменты различают только определенные молекулы. Каждый организм имеет свой набор ферментов, зависящий от его наследственности.

Ферменты сохраняют свою активность и при выделении их из клетки. Однако в клетке активность ферментов и их специфичность могут отличаться от действия вне клетки.

В ответ на изменение условий в клетке изменяется обмен веществ. Только постоянно изменяясь в ответ на изменения внешней среды, растения могут нормально жить.

Ферменты могут находиться в клетке в активном и неактивном состоянии, активность их может изменяться в зависимости от потребностей клетки в тех или иных веществах, а также от условий, в которых находится клетка.

Существует несколько механизмов регуляции активности ферментов: ограниченный протеолиз, присоединение к ферменту радикалов, влияние на активный центр (изои аллостерическая регуляция), разрыв дисульфидных связей, присоединение регуляторных белков, агрегация и дезагрегация субъединиц фермента.

Ограниченный протеолиз — это расщепление одной или нескольких пептидных связей. Например, в образовании клеточной стенки дрожжей участвует хитинсинтетаза, она находится в мембране в неактивном состоянии. К тому месту, где идет почкование клетки и должна образоваться клеточная стенка, подходит лизосома. Л изосома разрушается, из нее выходит протеаза. Протеаза активирует синтетазу с помощью ограниченного протеолиза. Достраивается клеточная стенка. Затем хитинсинтетаза соединяется с ингибитором и становится неактивной.

Активность фермента может измениться в результате присоединения радикалов к ферментам: СН₃ (.метилирование), СН₃СО (ацетилирование) и пр. Радикалы аминокислотных остатков ферментов могут присоединять фосфорный остаток (фосфорилироваться) и терять его (дефосфорилироваться), что влияет на активность ферментов. Фосфорилирование и дефосфорилирование белковых молекул при участии специальных протеинкиназ и фосфатаз — важнейший способ быстрого регулирования их активности.

Включение фосфата в молекулу белка приводит к перераспределению в ней электрических зарядов, изменению структуры и функций.

Влияние на каталитический центр фермента могут оказывать различные вещества, в результате изменяется активность фермента. Эффектор — вещество, взаимодействующее с активным центром фермента и изменяющее его активность. Эффектор может увеличить или уменьшить активность фермента. Эффекторами могут быть метаболиты, возникающие в реакции, промежуточные метаболиты, гормоны, другие физиологически активные вещества. Например, сахарозофосфатсинтаза активируется глюкозо-6-фосфатом и ингибируется фосфатом.

Существует два типа регуляции активности ферментов с помощью эффектора: изостерическая и аллостерическая. Изостерическая регуляция — эффектор действует на активность фермента, связываясь с его каталитическим центром и немного изменяя структуру фермента. Структура молекулы эффектора должна быть похожа на структуру молекулы субстрата, тогда эффектор может связаться с каталитическим центром фермента. Структура молекулы фермента при этом изменяется не больше, чем при соединении с субстратом. Субстрат и эффектор конкурируют за каталитический центр фермента. Такой тип ингибирования называется конкурентным ингибированием.

Аллостерическая регуляция — эффектор действует на активность фермента, изменяя третичную структуру его молекулы, присоединяясь к ферменту в особом участке, удаленном от активного центра. При присоединении эффектора структура молекулы изменяется, в результате изменяется и структура активного центра. Аллостерическим регулятором активности главного фермента фотосинтеза РуБисКО является магний. Аллостерическим ингибитором может быть конечный продукт реакции, когда он накапливается в большой концентрации. Он может действовать на фермент, катализирующий первую реакцию цепи.

Разрыв дисульфидных связей между молекулами белков может активировать фермент. Например, р-амилаза в клетках эндосперма злаков неактивна, так как связана с помощью серных мостиков (—S—S—) с запасными белками. К началу прорастания из клеток алейронового слоя в эндосперм поступают восстанавливающие вещества, дисульфидные связи разрушаются:

В результате р-амилаза активируется и гидролизует запасной крахмал.

В клетке существуют специальные регуляторные белки, например кальмодулин, которые, присоединяясь к молекуле фермента, изменяют структуру его молекулы, и он может присоединиться к субстрату.

Агрегация и дезагрегация субъединиц фермента. Существуют ферменты, молекула которых состоит из нескольких субъединиц. Например, протеинкиназа, фосфорилирующая ферменты, состоит из двух субъединиц — каталитической и рецепторной. Если обе субъединицы соединены, то фермент неактивен, так как его активный центр закрыт для субстрата. Если происходит дезагрегация субъединиц фермента, то активный центр открывается и реакция становится возможной.

Кроме активаторов, в клетке имеются вещества, ингибирующие активность ферментов. Например, у однодольных и двудольных растений в апопласте имеются белки, ингибирующие активность деполимераз грибов, разрушающих клеточную стенку растений. При инфекции они ингибируют полигалактуроназу грибов, и клеточная стенка не разрушается.

Ингибиторы взаимодействуют с функциональными группами фермента. Они могут быть неспецифическими и специфическими. Неспецифические ингибиторы — все денатурирующие агенты (ртуть, иод, медь, сероводород), а также фенолы, с их помощью растение ингибирует экзоферменты патогена. Специфические ингибиторы избирательно подавляют действие того или другого фермента. Многие ферменты с каталитически активным атомом Fe или Си ингибируются CN~; активность фермента с активными SH-группами подавляется иодуксусиой кислотой или арсенитом. Ингибирование — основной механизм регуляции работы фермента в клетке.

Ингибиторы бывают обратимые и необратимые. Необратимыми называют ингибиторы, прочно связанные с ферментом, а иногда даже разрушающие его функциональные группы, обратимыми — непрочно связанные с ферментом. Кон-

курентный ингибитор по химической природе похож на субстрат, поэтому связывается с его активным центром. Неконкурентный ингибитор не похож на субстрат, связывается с ферментом не в активном центре, а в любом другом месте полипептидной цепи, в результате изменяется форма активного центра.

Ингибиторы помогают изучать работу и свойства ферментов. Многие ингибиторы являются лекарствами (подавляют работу ненужных ферментов). Их используют в промышленности для остановки реакции на нужной стадии.

Активность данного фермента может возрасти при увеличении его количества. Однако в этом случае необходимо индуцировать экспрессию соответствующего гена (см. гл. 2).