Какую роль играют витамины в функционировании ферментов

Витамины являются предшественниками коферментов. Некоторые из них непрочно связаны с белком (пр. НАД+, НSКоА, и др). Есть коферменты, которые прочно связаны с апоферментом, т.е. представляют собой простетическую группу (пр. гем, флавиновые коферменты).

Большинство коферментов не синтезируются в организме млекопитающих. Они должны поступать в организм с пищей (как правило, растительной). Однако в организм попадают не сами коферменты, а их предшественники — витамины. Уже в клетке витамины модифицируются до коферментной формы.

Витамин PP (никотинамид)

КоФ.: НАД, НАДФ

Витамин В2 (рибофлавин)

Коф.: ФАД, ФМН

Витамин В6 (пиридоксин)

Коф.: пиридоксаль-P (ПФ)

Витамин В1 (тиамин)

КоФ.: тиаминпирофосфат (ТПФ)

Витамин В5 (пантотеновая к-та)

КоФ: HS-KoA – кофермент лигаз и трансфераз

Витамин В9 (фолиевая кислота)

КоФ.: тетрагидрофолиевая кислота (ТГФК – Н4- фолат) – переносчик одноуглеродных групп

Витамин Н (биотин)

КоФ.: биоцитин – простетическая группа Ф-ов, катализирующих реакции карбоксилирования

Витамин С (аскорбиновая к-та)

КоФ.: аскорбиновая кислота (восстановленная форма) и дегидроаскорбиновая кислота (окисленная форма) — обе эти формы аскорбиновой кислоты быстро и обратимо переходят друг в друга и в качестве коферментов участвуют в окислительно-восстановительных реакциях.

Билет 8

Влияние концентрации субстрата на скорость ферментативных реакций. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Графическое выражение зависимости скорости ферментативных реакций от концентрации субстрата. Константа Михаэлиса ферментов

Одним из наиболее существенных факторов, определяющих скорость ферментативной реакции, является концентрация субстрата (или субстратов) и продукта (продуктов). При постоянной концентрации фермента и увеличении концентрации субстрата скорость реакции постепенно увеличивается, достигая определенного максимума, когда дальнейшее увеличение количества субстрата уже не оказывает влияния на скорость ферментативной реакции. В этом случае принято считать, что субстрат находится в избытке, а фермент полностью насыщен, т.е. все молекулы фермента связаны с субстратом. Ограничивающим скорость реакции фактором в данном случае становится концентрация фермента.

Именно при этих условиях определяют величину максимальной скорости (Vmax) и значения константы Михаэлиса (Km). Концентрация субстрата зависит от питания, возраста, физической нагрузки.

Зависимость скорости ферментативной реакции субстрата выражается уравнением Михаэлиса-Ментен:

Vmax – максимальная скорость реакции

[S] – концентрация субстрата

Km – константа Михаэлиса.

Анализ уравнения Михаэлиса-Ментен:

1. Концентрация субстрата мала, стремиться к нулю, [S] 0,

При этих условиях [S] можно пренебречь:

1. Концентрация субстрата стремится к бесконечности, пренебрегаем Km, и уравнение имеет вид:

Сокращаем на [S] и скорость реакции равняется Vmax.

1. Если принять, что , то из уравнения Михаэлиса-Ментен, разделив его на Vmax, получили Km=[S]:

и разделив на Vmax получим . Решая уравнение относительно Km получаем Km+[S] = 2[S],

Km=[S]

Km – величина, численно равная концентрации субстрата при , выраженная в молях. Km = 10-1-10-6 – для клеток организма, величина const.

Km показывает:

1. Степень сродства между ферментом и субстратом. Существует обратная зависимость – чем меньше Km, тем больше сродство Ф. к S.
2. Km позволяет определить какой субстрат будет превращаться под действием данного фермента:

Например, этиленгликоль – составная часть антифриза, алкагольдегидрогеназа (АДГ) будет превращать его в щавелевую кислоту, которая является ядом для печени.

Алкагольдегидрогеназа превращает этиловый спирт в уксусный альдегид и степень сродства АДГ к С2Н5ОН выше, чем к этиленгликолю и на этом основан способ нейтрализации этиленгликоля.

1. Km показывает степень сродства между белковой и небелковой частью Ф.,
2. Km позволяет определить вид ингибирования.

Способ определения Km

1. Построение графика Михаэлиса-Ментен:

I участок – с увеличением концентрации субстрата увеличивается скорость ферментативной реакции

II участок – с увеличением концентрации субстрата скорость реакции не изменяется, т.к. все активные центры заняты.

Недостаток графика Михаэлиса-Ментен при определении Km заключается в том, что Vmax достигается с трудом, реакции в клетке протекают с оптимальной скоростью, а не Vmax.

1. Построение графика Лайнуэвера-Бэрка – метод обратных величин

Преимущество метода заключается в том, что прямую можно построить по двум точкам и нет необходимости определять максимальную скорость.

Витамины — это низкомолекулярные органические вещества самого разнообразного строения, которые не синтезируются в организме, но являются жизненно необходимыми и поэтому должны обязательно поступать в организм с пищей, хотя и в малых количествах. Некоторые витамины в ограниченном количестве вырабатываются микрофлорой кишечника.

Витамины — группа биологически активных органических соединений различной химической природой.

Витамины были открыты русским врачом Н.И. Луниным.

История. витамин органический низкомолекулярный фермент

Важность некоторых видов еды для предотвращения определённых болезней была известна ещё в древности. Так, древние египтяне знали, что печень помогает от куриной слепоты. Ныне известно, что куриная слепота может вызываться недостатком витамина A. В 1330 году в Пекине Ху Сыхуэй опубликовал трёхтомный труд «Важные принципы пищи и напитков», систематизировавший знания о терапевтической роли питания и утверждавший необходимость для здоровья комбинировать разнообразные продукты.

В 1747 году шотландский врач Джеймс Линд, пребывая в длительном плавании, провел своего рода эксперимент на больных матросах. Вводя в их рацион различные кислые продукты, он открыл свойство цитрусовых предотвращать цингу.

Истоки учения о витаминах заложены в исследованиях российского ученого Николая Ивановича Лунина. Он скармливал подопытным мышам по отдельности все известные элементы, из которых состоит коровье молоко: сахар, белки, жиры, углеводы, соли. Мыши погибли. В сентябре 1880 г. при защите своей докторской диссертации Лунин утверждал, что для сохранения жизни животного, помимо белков, жиров, углеводов, солей и воды, необходимы ещё и другие, дополнительные вещества.

В 1895 г. В. В. Пашутин пришел к выводу, что цинга является одной из форм голодания и развивается от недостатка в пище какого-то органического вещества, создаваемого растениями, но не синтезируемого организмом человека.

Витамины как незаменимый компонент входят в состав активных центров многих ферментов и участвуют в реакциях биокатализа, в регуляциях многих биохимических и физиологических процессов. Витамины способствуют укреплению здоровья, увеличивают сопротивляемость организма к простудным и инфекционным заболеваниям, повышают работоспособность.

Биологическая роль большинства известных витаминов заключаются в том, что они входят в состав коферментов и простетических групп ферментов и, следовательно, используются организмом как строительный материал при синтезе коферментов и небелковых частей ферментов.

Витамин В6 — пиридоксин — используется при синтезе кофермента пиридоксалъфос-фата. Этот кофермент необходим для трансаминаз — ферментов, катализирующих первую стадию катаболизма аминокислот.

Кроме витаминов в пище могут находится также провитамины. Провитамины являются предшественниками витаминов. Попадая в организм, провитамины превращаются в витамины.

Антивитамины — вещества, затрудняющие использование организмом витаминов. Действие антивитаминов осуществляется путем связывания и разрушения соответствующих витаминов, а также за счет включения антивитамина вместо витамина в синтезируемый кофермент, что делает невозможным участие такого кофермента в биокатализе.

Изменение содержания витаминов в организме приводит к возникновению различных патологических (болезненных) состояний:

Авитаминоз — тяжелейшее заболевание, вызванноеполным отсутсвием в организме какого-то витамина в организме. У людей авитаминозы, практически не встречаются, так как в пищевом рационе всегда присутствует минимальное количество витаминов. Авитаминозы могут быть вызваны у эксперементальных животных с целью изучения биологической роли витаминов в организме. Для этого применяются диеты, не содержащие определенного витамина или используются антивитамины.

Гиповиаминоз — специфическое заболевание, протекающее в более легкой формой сравнению с авитаминозами, вызываемые недостаточным содержанием отдельных витаминов в организме.

Гипервитаминоз — Спецефическое заболевание, причиной которого является избыточное поступление в организм отдельных витаминов, Чаще гипервитаминозы вызываются накоплением в организме жирорастворимых витаминов, выделение которых затруднено из-за их нерастворимости в воде.

Из перечисленных патологических состояний у людей чаще всего наблюдаются гиповитаминозы. Наиболее часто встречающиеся причины возникновения гиповитаминоза:

Экзогенные причины

Использование продуктов с малым содержанием витаминов

• 1) Неправильное приготовление пищи, приводящее к разрушению витаминов в пище
• 2) Однообразное питание

Эндогенные причины

• 1) Заболевания желудочно-кишечного тракта и печени, сопровождающиеся нарушением всасывания витаминов
• 2) Угнетение микрофлоры кишечника. Наблюдается при использовании для лечения инфекционных заболеваний различных антимикробных препаратов (антибиотики)

Повышенная потребность организма в витаминах часто наблюдается при беременности, при выполнении тяжелой физической работы. В этом случае обычно поступление витаминов с пищей, их синтеза кишечными микробами окажется недостаточным для организма. Поэтому у регулярно тренирующихся спортсменов потребность в витаминах возрастает в 1,5 — 2 раза.

Многие психологические, психические и физические проблемы можно избежать, если просто снабжать свое тело теми витаминными нормами, которые определила сама природа.

По физико-химическим свойствам витамины делятся на две группы:

Водорастворимые (В1,В2, В5, В6, С, Р, РР)

Свойства:

• 1. Растворяются в воде.
• 2. Легко всасываются из кишечника, не накапливаются в тканях (исключением является витамин В12), поэтому их необходимо ежедневно принимать с пищей.
• 3. В организм поступают в основном с продуктами растительного происхождения (однако некоторые представители водорастворимых витаминов содержатся в животной пище в больших количествах, чем в растительной).
• 4. Быстро выводятся из организма и не задерживаются в нем более нескольких суток.
• 5. Нехватка водорастворимых витаминов приводит к тому, что многие другие витамины становятся неактивными.
• 6. Передозировка водорастворимыми витаминами не вызывает расстройства организма (за исключением редких случаев), так как их избыток быстро выходится с мочой или расщепляется.
• 7. В организме большинство из них становятся активными в результате присоединения остатка фосфорной кислоты.

Функции:

• 1. Водорастворимые витамины в составе коферментов участвуют в обмене веществ, являясь катализаторами (ускорителями) биохимических реакций.
• 2. Витамины группы В регулируют общее состояние здоровья. Если они поступают в достаточном количестве, то человеческий организм может жить без животных белков. Это особенно важно при аллергиях.
• 3. Некоторые из них являются витаминами — антиоксидантами (например, витамин С).

К ним относятся:

витамин В1 (тиамин, антиневритный);

витамин В2 (рибофлавин);

витамин В3 (витамин РР, никотиновая кислота, антипеллагрический);

витамин В5 (пантотеновая кислота);

витамин В6 (пиридоксин, антидермитный);

витамин В9 (фолиевая кислота, антианемический витамин);

витамин В12 (цианокобаламин, антианемический витамин);

витамин Н (биотин, витамин В8, фактор роста для грибков, дрожжей и бактерий, антисеборейный);

витамин С (аскорбиновая кислота, антискорбутный);

витамин Р ( биофлавоноиды, витамин проницаемости);

витамин Т.

Жирорастворимые (А, Е, К, D)

Свойства:

• 1. Растворяются в жирах.
• 2. Входят в состав клеточных мембран.
• 3. Имеют способность накапливаться в подкожно-жировой клетчатке, в жировых капсулах внутренних органов. Благодаря этому в организме создается достаточно «прочный» запас жирорастворимых витаминов. Их избыток хранится в печени и при необходимости выводится из нее с мочой.
• 4. Основным источником содержания является пища животного происхождения (мясо, рыба, молоко, яйца, сыр и так далее), а также растительные продукты. Витамин К образуется кишечной микрофлорой организма.
• 5. Недостаток жирорастворимых витаминов встречается крайне редко, так как из организма данный тип витаминов выводится медленно.
• 6. Передозировка жирорастворимыми витаминами или однократное применение сверхвысокой дозы могут привести к тяжелому расстройству организма. Особенно токсична передозировка витаминами А и D.

Функции:

• 1. Биологическая роль жирорастворимых витаминов заключается в поддержании оптимального состояния клеточных мембран разного типа.
• 2. Являются помощниками организма в усвоении продуктов питания. Особенно обеспечивают наиболее полное расщепление пищевых жиров.
• 3. Не образуют коферменты (за исключением витамина К).
• 4. Наряду со стероидными гормонами выполнят функцию индукторов синтеза белка. Особенно высокой гормональной активностью обладают активные формы витамина D.
• 5. Некоторые из них (такие как витамины А и Е) являются витаминами-антиоксидантами и защищают наш организм от опаснейших «разрушителей» — свободных радикалов.

К ним относятся:

провитамины А (каротины и каротиноиды);

витамин А (ретинол);

витамин D (кальциферолы);

витамин Е (токоферолы);

витамин К (филлохиноны).

Если провести образное сравнение, то витамины — это «драйвера», которые обеспечивают нормальное функционирование операционной системы, то бишь, организма. Уберите их, и программа превратится в мертвый код, не способная выполнить ни одной операции.

Познание роли витаминов имеет очень большое значение. Оно позволяет, с одной стороны, глубже подойти к изучению ферментов и регулируемых ими жизненных процессов; с другой стороны, связь между витаминами и ферментами открывает новые возможности более широкого изучения витаминов на основе достижений ферментологии.

Витамины и ферменты находятся в определенных генетических взаимоотношениях и что многие витамины входят в качестве составных частей ( простетических групп, или коферментов, стр. Поэтому, поскольку организм человека или животных не может производить витамины, введение их с пищей необходимо для образования ферментов, без которых невозможно течение в организмах жизненно важных процессов.

Витамины, участвующие в биохимических процессах, являются

предшественниками коферментов (например витамин В1) или соб-

ственно коферментами (например липоамид). Коферменты — орга-

нические природные соединения небелковой природы, необходимые

для осуществления каталитического действия ферментов.

Коферменты вместе с функциональными группами аминокислот-

ных остатков фермента формируют активный центр фермента, на котором происходит связывание с субстратом и образование активированного фермент-субстратного комплекса.Некоторые витамины обеспечивают осуществление физиологических процессов, например: витамин А2 участвует в процессе зрительного восприятия; витамин А3 — в процессе дифференцировки клеток; витамин

D — в процессе формирования костной ткани; витамин Е — антиоксидант. Известно более 20 соединений, которые могут быть отнесены к витаминам. Наряду с витаминами, необходимость которых для человека и животных бесспорно установлена, в пище содержатся биологически активные вещества, которые по своим функциям ближе не к витаминам, а к другим незаменимым пищевым веществам. Эти вещества называют витаминоподобными. К ним обычно относят биофлавоноиды, холин, инозит, оротовую, пангамовую и пара-аминобензойную кислоты, полиненасыщенные жирные кислоты и др.

Некоторые аналоги и производные витаминов способны занимать место витамина в активном центре фермента, однако при этом не способны выполнять коферментную функцию, что ведет к снижению активности данного фермента и развитию соответствующей витаминной недостаточности. Такие соединения называются антивитаминами. Так,например, производные 4-гидроксикумарина (дикумарин и др.), пре-дупреждающие возникновение тромбов, — антагонисты витамина К.

Список литературы

• 1. Михайлов С.С.; Спортивная биохимия: Учебник / СПбГАФК им. П.Ф. Лесгафта. — СПб., 2002 — 264 с.
• 2. О.Ф. Филенко. Биология: Школьный иллюстрированный справочник. — Москва. — «Росмэн». 1995 — 309 с.
• 3. Биология. Пособие для поступающих в вузы / А.Г. Мустафин, Ф.К. Лагкуева, Н.Г. Быстренина и др.; Под ред. В.Н. Ярыгина. — 10-е изд., стер. — М.: Высш. шк., 2007. — 492 с.: ил.
• 4. Биология: Справ. материалы : Учеб. пособие для учащихся / Д.И. Трайтак, В.А. Карьенов, Е.Т. Бровкина и др.; Под ред. Д.И.Трайтака. — 3-е изд., перераб. — М.: Просвещение, 1994. — 223 с ., ил.
• 5. Ю. А. Овчинников Витамины // Биоорганическая химия. — Москва: Просвещение, 1987. — С. 668.