Метаболизм: ассимиляция и диссимиляция. Ферменты (гетеротрофы, миксотрофы)

Типы обмена по источнику углерода и энергии: автотрофы синтезируют органику из CO₂ (фототрофы — за счёт света, хемотрофы — за счёт окисления неорганических веществ); гетеротрофы используют готовую органику (животные, грибы, большинство бактерий: сапротрофы, паразиты, симбионты); миксотрофы — эвглена зелёная, росянка. По отношению к кислороду: аэробы (нужен O₂) и анаэробы (облигатные — гибнут в O₂: столбнячная палочка; факультативные — дрожжи, кишечная палочка).

Ферменты — белковые катализаторы (иногда РНК — рибозимы). Строение: активный центр (связывает субстрат по принципу «ключ — замок» или индуцированного соответствия), у многих — кофермент (небелковая часть: витамины, НАД⁺, ионы металлов) — белковая часть без него называется апофермент. Свойства: высокая специфичность, эффективность (ускоряют в 10⁶–10¹² раз), не расходуются, действуют в мягких условиях, активность регулируется. Отличия от неорганических катализаторов: специфичность, работа при обычной температуре и pH, чувствительность к денатурации, регулируемость.

Участие кислорода в обменных процессах. Кислород атмосферы — продукт фотолиза воды при фотосинтезе. Главный его потребитель — клеточное дыхание: O₂ служит конечным акцептором электронов дыхательной цепи и, присоединяя электроны и протоны, превращается в воду; благодаря этому органические вещества окисляются полностью, до CO₂ и H₂O. Кислородом окисляют неорганические вещества большинство хемосинтетиков, с его участием ферменты печени обезвреживают яды и лекарства. Побочно образуются активные формы кислорода (пероксид водорода и др.), повреждающие мембраны и ДНК; аэробы разрушают их ферментами, например каталазой, а у облигатных анаэробов таких защитных ферментов обычно нет — поэтому кислород для них губителен.

Ферментативный характер метаболизма. Практически каждую реакцию обмена катализирует свой фермент, и набор ферментов определяет, какие превращения возможны в клетке. Реакции складываются в метаболические пути — цепочки, где продукт одной реакции служит субстратом следующей (гликолиз — десять реакций, у каждой свой фермент); разные пути разнесены по органоидам: гидролиз — в лизосомах, цикл Кребса — в матриксе митохондрий. Синтез ферментов задают гены, поэтому мутация в гене фермента выключает целую реакцию (при фенилкетонурии фенилаланин не превращается в тирозин и накапливается).

Как ферменты ускоряют реакции. Субстрат связывается в активном центре, его молекула деформируется, и энергия активации — «барьер», который нужно преодолеть, — снижается. Поэтому реакции, идущие в пробирке только при нагревании и высоком давлении, в клетке идут при 37 °C. Фермент не сдвигает равновесие и не расходуется: одна молекула каталазы разлагает за секунду десятки тысяч молекул пероксида водорода.

Этапы ферментативной реакции. Субстрат присоединяется к активному центру, образуя фермент-субстратный комплекс; в нём связи субстрата перестраиваются, и он превращается в продукт; продукт отделяется, а фермент освобождается неизменным (Ф — фермент, С — субстрат, П — продукт):

Коферменты и витамины. Многие ферменты работают только с небелковой частью — коферментом: НАД⁺ и ФАД (переносят водород), коэнзим А, ионы Mg²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺. Предшественниками коферментов часто служат витамины, поэтому авитаминоз проявляется как нарушение целых групп реакций обмена.

Простые и сложные ферменты. Простые ферменты состоят только из белка (пепсин, трипсин), сложные — из белковой части (апофермента) и небелковой — кофактора: иона металла или органической молекулы, которую называют коферментом (в школьных учебниках коферментом часто называют любую небелковую часть). По отдельности обе части неактивны: апофермент определяет, какой субстрат будет связан, а кофермент непосредственно участвует в его превращении. Из витамина PP образуются НАД⁺ и НАДФ⁺, из B₂ — ФАД, из B₅ — коэнзим А, из B₁ — кофермент, участвующий в отщеплении CO₂ от ПВК перед циклом Кребса.

Белки-активаторы и белки-ингибиторы. У многих ферментов, кроме активного центра, есть регуляторный (аллостерический): присоединившаяся к нему молекула меняет форму всей глобулы и активного центра. Активность ферментов меняют и особые регуляторные белки: белок-активатор кальмодулин, связав ионы Ca²⁺, включает ферменты мышечных и нервных клеток, а белок-ингибитор трипсина, закрывая его активный центр, не даёт ферменту переварить клетки поджелудочной железы. Ингибиторы бывают обратимыми — конкурентными (похожи на субстрат и занимают активный центр, их действие ослабевает при избытке субстрата) и неконкурентными (садятся в другой участок и искажают активный центр), — и необратимыми (соли тяжёлых металлов разрушают структуру белка). Многие ферменты синтезируются неактивными: пепсиноген превращается в пепсин под действием соляной кислоты, трипсиноген в трипсин — под действием фермента кишечного сока энтерокиназы.