">Спиртовое и молочнокислое  брожение

Спиртовое брожение осуществляется так называемыми  дрожжеподобными организмами, а  также некоторыми плесневыми грибками. Суммарную реакцию спиртового брожения можно изобразить следующим образом:

 

Механизм реакции спиртового брожения чрезвычайно близок к гликолизу. Расхождение начинается лишь после этапа образования пирувата. При гликолизе пируват при участии фермента ЛДГ и кофермента НАДН восстанавливается в лактат. При спиртовом брожении этот конечный этап заменен двумя другими ферментативными реакциями – пируватдекарбо-ксилазной и алкогольдегидрогеназной.

В дрожжевых  клетках (спиртовое брожение) пируват  вначале подвергается декарбоксилированию, в результате чего образуется ацетальдегид. Данная реакция катализируется ферментом пируватдекарбоксилазой, который требует наличия ионов Mg и кофермента (ТПФ):

Образовавшийся  ацетальдегид присоединяет к себе водород, отщепляемый от НАДН, восстанавливаясь при этом в этанол. Реакция катализируется ферментом алкогольдегидрогеназой:

 

Таким образом, конечными продуктами спиртового брожения являются этанол и СО2, а  не молочная кислота, как при гликолизе.

Процесс молочнокислого брожения имеет большое  сходство со спиртовым брожением. Отличие  заключается лишь в том, что при молочнокислом брожении пировиноградная кислота не декарбоксилируется, а, как и при гликолизе в животных тканях, восстанавливается при участии ЛДГ за счет водорода НАДН.

Бета-окисление  высших жирных кислот

 

Процесс бета-окисления высших жирных кислот (ВЖК) складывается из следующих этапов:

1.Активация жирной кислоты

Этот этап протекает  в цитоплазме клетки при участии  ферментоа ацил-КоА-синтетазы . Он связан с использованием энергии АТФ:

CH3-(CH2)14-COOH+ ATФ- КоА-SH= CH3-(CH2)14-CO-S-KoA+ AMФ+H4P2O7

В результате ацил-КоА-синтетазной  реакции образуется ацил-КоА  (пальмитиол-КоА), представляющий собой активную форму  жирной (пальмитионовой) кислоты.

2. Транспорт ацил-КоА  в митохондрии.

Процесс окисления  жирных кислот в клетках эукариот происходит внутри митохондрий.  Однако внутренняя митохондиальная мембрана  для них непроницаема. Однако  внутренняя митохондриальная мембрана для них  непроницаема. Пэтому  в процессе эволюции  была сформирована особая система транспорта активной формы жирных кислот  из  цитозоля в митохондриальный матрикс. Важным компонентом этой системы  является витаминоподобное вещество карнитин. Будучи гидрофобным соединением , он находится в липидном бислое  внутренней митохондриальной мембраны.

 

Рассмотрим механизм транспорта активной формы пальмитионовой кислоты(пальмитоил-коэнзима А) в митохондрии. Из цитоплазмы пальмитоил-КоА путем  диффузии проникает  через наружную митохондриальную мембрану в межмембральное пространство.  Здесь он получает возможность взаимодействовать с молекулой  карнитина, находящиейся  во внутренней митохондриальной мембране. Эта реакция протекает на внешней поверхности мембраны, где располгается фермент карнитинацилтрансфераза I

Молекула пальмитоилкарнитина  имеет положительный заряд в  виду присутствия в ней  черещ липидный бислой  мембраны на материнскую сторону и попадает на активный центр карнитинацитилтрансферазы II. Этот изофермент располагается на внутренней поверхности мембраны. При его участии пальмитоилкарнитин подвергается распаду на карнитин и пальмитоил-КоА. Пальмитоил-КоА при этом попадает в матрикс , а освободившийся карнитин может вновь использоваться для переноса жирной кислоты в митохондрию.

 Ацитил- карнитин+ КоА-SH=карнитин+ ацитил-S-КоА

Реакция , катализируемая  карнитинацетил-трансферазой II 

Карнитинацетилтрансфераза I является регулярным ферментом , активность которого определяет  скорость процесса бета-окисления.

3. Внутримитохондриальное  окисление жирных  кислот.

В процессе окисления  жирных кислот в митохондриях происходит их распад на двухуглеродные фрагменты- остатки уксусной кислоты, связанные с коэнзимом А (ацетил-КоА) . Каждый двухуглеродный фрагмент отщепляется от молекулы жирной кислоты  (ацил-коэнзима А) . В результате одного цикла ферментативных реакций. Для полного распада 16-углеродной молекулы пальмитионовой кислоты требуется семь таких  повторяющих циклов.

Цикл распада  жирной кислоты в процессе бета-окисления  представляет собой последовательность  ферментативных реаций , в результате которой от ацил-коэнзима А отщепляется молекула ацетил-коэнзима А. 

Рассмотрим процесс  бета-окисления пальмитоил коэнзима А .В первой реакции цикла бета-окисления , пальмитоил-КоА подвергается окислению  с помощью ФАД-зависимого фермента-ацил-КоА-дегидрогеназы. Продуктом реакции является ненасыщенное производное жирной кислоты- еноил-КоА . Заместители по месту двойной связи в этом промежуточном продукте находятся в trans-положении. В тоже время природные ненасыщенные жирные кислоты представляют собой cis-изомеры.

 В  следующей реакции  еноильное производное коэнзима  А подвергается гидратации под действием фермента еноил-КоА-гидратазы. В качестве продукта реакции приэтом образуется 3-гидроксиацил-КоА. Этот метаболит далее подвергается окислению под действием НАД-зависимого фермента-3-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназы с образованием следующего промежуточного продукта -3-кетоацил-КоА. В заключительной реакции первого цикла бета-окисления пальмитиновой кислоты 3-кетоацитил-КоА под действием фермента тиолазы распадается на два продукта –ацетил-КоА и миристоил-КоА.

Далее в аналогичный цикл превращений  вступает миристоил-КоА. В результате О распадается с образованием в качестве продуктов  реакции  молекулы ацетил-КоА и тиоэфира лауриновой кислотоы с коэнзимом А (лаурил-КоА). 
 

Процесс продолжается до техпор,пока углеводородная цепь остатка теперь уже лауриновой кислоты окончательно  не распадается на 6 молекул ацетил-КоА. Таким образом, в результате  распада пальмитиновой кислоты в процессе ее бета окисления, в качестве продукта реакции образуется 8 молекул ацетил-коэнзима-А

 

Образующиеся  в процессе бета-окисления в митохондриальном матриксе молекулы ацетил-КоА, далее  подвергаются распаду до конечных продуктов  в цикле трикарбоновых кислот. Учитывая это, можно рассчитывать энергетический баланс распада жирных кислот в митохондриях(на примере пальмитиновой кислоты):

В процессе 7 циклов бета-окисления  из пальмовой кислоты  образуется 7 молекул восстановленного НАД и ФАД.При их окислении  в дыхательной цепи образуются соответственно по 21 и 14 молекул АТФ.Окисление ЦТК 8 молекул ацетил-КоА сопровождается образованием еще 8*12=96 молекул АТФ.Оксление ЦТК молекул ацетил-КоА сопровождается образованием 21+14+96=131АТФ.

Учитывая, что активация жирной кислоты связана с использованием 1 молекулы АТФ в ацил-КоА синтезной реакции, общий энергетический выход при полном окислении молекулы пальмитиновой кислоты составляет 130АТФ. 

Протеолитические  ферменты

ПРОТЕОЛИТИЧЕСКИЕ  ФЕРМЕНТЫ (протеазы), ферменты класса гидролаз, катализирующие гидролиз (протео-лиз) пептидных связей. Место расщепления пептидной связи в полипептидной цепи определяется позиционной и субстратной специфичностью фермента и пространств. структурой гидролизуемого субстрата (белка или пептида).

Различают экзопептидазы, расщепляющие связи вблизи С- или N-конца цепи (соотв. карбоксипептидазы и аминопеп-тидазы)и эндопептидазы (протеиназы), гидролизующие связи, удаленные от концевых остатков (напр., трипсин). Лишь ограниченное число протеолитических ферментов обладает строгой субстратной специфичностью. К ним относят, напр., ренин, гидроли-зующий связь между остатками лейцина в положениях 10 и 11 в ангиотензиногене (предшественник ангиотензина пептида, участвующего в регуляции кровяного давления), или энтеропептидазу отщепляющую N-концевой гексапептид в трипсиногене (предшественник трипсина). Специфичность большинства протеолитических ферментов определяется в осн. структурой аминокислотного остатка, расположенного рядом с расщепляемой связью. Ферменты трипсинового типа катализируют гидролиз связей, образованных карбоксильной группой основных аминокислот (остатками лизина и аргинина). Для мн. ферментов (химотрипсин, пепсин, субтилизины и др.) важно наличие вблизи расщепляемой связи объемистых гидрофобных остатков (фенилаланина, тирозина, триптофана и лейцина). Протеолитические ферменты типа эластазы (фермент поджелудочной железы) гидролизуют связи, образованные аминокислотными остатками с небольшой боковой группой (напр., остатками аланина и серина). Место расщепления зависит от расположения пептидной связи в пространств. структуре субстрата-легче всего гидролизуются связи на р-изгибах цепи, к-рые расположены на пов-сти молекулы. Углеводные цепи в гликопротеинах могут препятствовать доступу фермента к данной связи.

Многие протеолитические ферменты прочно ассоциированы с клеточными мембранами и поэтому действуют только на определенные белки (т. наз. компартментализация). К ним относят, напр., сигнальные протеазы, участвующие в транспорте белков во внеклеточное пространство. В зависимости от локализации фермента протеолиз происходит при разл. рН. Так, протеолитические ферменты желудка (напр., пепсин, гастриксин) функционируют при рН 1,5-2, лизосомные ферменты-при рН 4-5, а протеолитические ферменты сыворотки крови, тонкого кишечника и др.-при нейтральных или слабощелочных значениях рН. Нек-рые протеолитические ферменты используют в качестве кофактора ионы металлов-Са2+, Mg2+ и др.

Дефектные и  чужеродные белки деградируют в  клетке при участии АТФ-зависимой  системы протеолиза. У эукариот (все  организмы, кроме бактерий и синезеленых водорослей) эта система включает низкомол. белок убикитин, образующий с белками-субстратами конъюгат, и протеазы, расщепляющие этот конъюгат.

Протеолитические  ферменты играют важную роль во мн. процессах, происходящих в организме, напр. при оплодотворении, биосинтезе белка, свертывании крови и фибринолизе, иммунном ответе (активации системы комплемента), гормональной регуляции. Во мн. этих случаях фермент расщепляет в субстрате лишь одну или неск. связей (ограниченный протеолиз). Активность протеолитических ферментов регулируется на посттрансляц. стадии путем активации их неактивных предшественников (зи-могенов), а также действием прир. ингибиторов ферментов (a2-макроглобулина, a1антитрипсина, секреторного панк-реатич. ингибитора и др.). Нарушения механизмов регуляции активности протеолитических ферментов-причина мн. тяжелых заболеваний (мышечной дистрофии, аутоиммунных заболеваний, эмфиземы легких, панкреатитов и др.). 

Протеолитические  ферменты применяют в медицине, напр. для коррекции нарушений пищеварения, заживления ран и ожогов и др. Их также используют для получения смесей аминокислот, применяемых для парэнтерального питания, в произ-ве гормональных препаратов и нек-рых антибиотиков, в пищ. и кожевенной пром-сти, произ-ве моющих ср-в 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Литература:

1. Основи біохімії:Посібник для вузів/ Давидов В.В., Божков А.І.
2. Антонов В. К., Химия протеолиза, 1983
3. Орлова М. А., "Успехи химии", 1993.