Ферменты. Структурно-функциональная организация клетки и функции их компартментов. Ферменты в медицине. Изоферменты. Органоспецифичные ф

Государственный Медицинский  Университет г.Семей

 

Тема СРС:  «Ферменты. Структурно-функциональная организация  клетки и функции их компартментов. Ферменты в медицине. Изоферменты. Органоспецифичные ферменты».

 

 

                  Выполнила: Байсалбаева Салтанат

                                          231 группа, ОМФ

 

 

                 г. Семей 2011

                            Цель:

 

   В этой самостоятельной  работе я бы хотела рассказать  о ферментах, о структурно-функциональной  организации клетки и функции  их компартментов. А также объяснить такие понятия, как изофермены и органоспецифичные ферменты.  Расскрыть суть о ферментах в медицине.

 

Содержание.

 

• Введение.
• Основная часть.

        1. Структурно-функциональная  организация

             клетки и функции их компартментов.

        2. Ферменты  в медицине.

        3. Изоферменты. 

        4. Органоспецифичные ферменты.

• Заключение.
• Литература.

                       Введение.

 

Живые организмы отличает от неживых способность извлекать  из внешней среды различные

органические и неорганические вещества, использовать их как энергетический и структурный

материал, для синтеза  соединений, необходимых для выполнения клетками, органами и тканями

физиологических функций. Совокупность всех химических превращений органических и

неорганических молекул  в реакциях обмена веществ в организме  называется метаболизмом.

Метаболизм складывается из целой серии реакций синтеза (анаболизм) и серии реакций

разрушения различных  соединений (катаболизм). Каталитическое обеспечение этих процессов

осуществляется особым высокоспециализированным классом белковых соединений  – 

ферментами. Ферменты – это  биологические катализаторы, синтезируемые  белок

синтезирующим аппаратом  клеток. Ферменты – это тот  особый рабочий аппарат клетки, через

функции которых реализуется  информация, закодированная в генах, и через них проявляются

особенности фенотипа организма. Слово фермент происходит от латинского слова fermentum –

закваска. Другое название ферментов энзимы, происходит от греческого слова en zyme – в

дрожжах.

 

• Ферменты , или энзимы, представляют собой высокоспециализированный класс веществ белковой природы, используемый живыми организмами для осуществления многих тысяч взаимосвязанных химических реакций, включая синтез, распад и взаимопревращения огромного множества и разнообразия химических соединений. Прежде всего ферменты чрезвычайно эффективны и проявляют в миллионы раз более высокую каталитическую активность в условиях умеренной температуры, нормального давления и в области близких к нейтральным значений рН среды. Ферменты отличаются высокой специфичностью действия в отношении как химической природы субстрата, так и типа реакции, т.е каждый фермент катализирует в основном только определенную химическую реакцию.

 

• Учение о ферментах выделено в самостоятельную  науку – энзимологию. Термин «энзим» так же как и «фермент», означает процесс, связанный с выделением газов, брожением.

• Эукариотические клетки, к которым относятся клетки человека, крупнее и сложнее по строению, чем клетки прокариот и имеют семь мембранных образований (компартментов): ядро, цитозоль, эндоплазматический ретикулум, митохондрии, аппарат Гольджи, лизосомы и пероксисомы (микротельца), выполняющие конкретные функции.

 

• Клетка - это элементарная структурная, функциональная и генетическая единица многоклеточного организма.

• Цитоплазма клеток ограничена от окружающего пространства наружной клеточной мембраной – плазмолемма, которая регулирует поток веществ из клетки и в клетку, проводит импульсы в нервных и мышечных волокнах, участвует в химических взаимодействиях с другими клетками. Наружная клеточная плазматическая мембрана нередко образует складки, которые вдаются глубоко внутрь клетки, в цитоплазму, образуя систему трубочек Т-системы, могут соединяться с ядерной мембраной, создавая прямые каналы между внеклеточной средой и перинуклеальным пространством. Плазмолемма может образовывать пузырьки. Которые отшнуровываясь, сливаются с лизосомами. Этим путем обеспечивается процесс «заглатывания» клетками твердых частиц (фагоцитоз) или капелек жидкости (пиноцитоз). На поверхности некоторых клеток мембрана образует тончайшие выросты – микроворсинки, которые увеличивают клеточную поверхность, секреторную их активность и возможность межклеточного взаимодействия.
• Хотя цитоплазма клеток представляет собой жидкость (цитозоль), она пронизана множеством цитоплазматических мембран, образующих эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, микротельца, митохондрии и ядро – функциональные компартменты клетки.

• Цитозоль представляет собой смесь веществ, растворенных в воде. Концентрации ионов натрия и калия в цитозоле отличаются от таковых во внеклеточном пространстве, эти различия в концентрациях ионов играют важную роль в осморегуляции и передаче сигнала. 
  

                             Ядро.

 

• Главная функция ядра – хранение и передача наследственной информации – связана с хромосомами. Каждый вид организма имеет свой набор хромосом: определенное их число, форму и размеры.
• Ядро обычной клетки животного организма почти полностью заполнено ДНК, где находится в комплексе с белками. Помимо ДНК в ядре содержится РНК, которая синтезируется по программе триплетной последовательности ДНК. Вследствие кислых свойств, ДНК окрашивается основными красителями. Задолго до установления химической природы ДНК, обнаруживаемая с помощью красителей в ядре клеток вещества назвали хорматином. Хроматин во время деления клетки организуетсяв хромосомы. Клеточное ядро содержит одно или несколько плотных ядрышек – областей, чрезвычайно обогащенных РНК. Ядрышки – это места синтеза и временного накопления рибосомальных РНК. Ядро клетки окружено ядерной оболочкой, которая состоит из двух мембран, разделенных слоем и несколько десятков нанометров. В мембранах имеются поры диаметром 40-100 нм по котрым из ядра в цитоплазму проходят РНК и другие вещества.

Схема строения клеточного ядра.

 

Главная функция ядра –  хранение и передача наследственной информации – связана с хромосомами. Каждый вид организма имеет свой набор хромосом: определенное их число, форму и размеры.

                        Митохондрии.

 

  
А. Структура митохондрий  

• Митохондрии - это органеллы размером с бактерию (около 1 х 2 мкм). Они найдены в большом количестве почти во всех эукариотических клетках. Обычно в клетке содержится около 2000 митохондрий, общий объем которых составляет до 25% от общего объема клетки. Митохондрия ограничена двумя мембранами - гладкой внешней и складчатой внутренней, имеющей очень большую поверхность. Складки внутренней мембраны глубоко входят в матрикс митохондрий, образуя поперечный перегородки - кристы. Пространство между внешней и внутренней мембранами обычно называют межмембранным пространством. 
  
• Различный типы клеток отличаются друг от друга как по количеству и форме митохондрий, так и по количеству крист. Особенно много крист имеют митохондрии в тканях с активными окислительными процессами, например в сердечной мышце. Вариации митохондрий по форме, что зависит от их функционального состояния, могут наблюдаться и в тканях одного типа. Митохондрии — изменчивые и пластичные органеллы. 
  
• Мембраны митохондрий содержат интегральные мембранные белки. Во внешнюю мембрану входят порины, которые образуют поры и делают мембраны проницаемыми для веществ с молекулярной массой до 10 кДа . Внутренняя же мембрана митохондрий непроницаема для большинства молекул; исключение составляют О₂, СО₂, Н₂0. Внутренняя мембрана митохондрий характеризуется необычно высоким содержанием белков (75%). В их число входят транспортные белки-переносчики, ферменты, компоненты дыхательной цепи и АТФ-синтаза. Кроме того, в ней содержится необычный фосфолипид кардиолипин. Матрикс также обогащен белками, особенно ферментами цитратного цикла.  
  

 

Б. Метаболические функции  

• Митохондрии являются «силовой станцией» клетки, поскольку за счет окислительной деградации питательных веществ в них синтезируется большая часть необходимого клетке АТФ (АТР). В митохондриях локализованы следующие метаболические процессы: превращение пирувата в ацетил-КоА, катализируемое пируватдегидрогеназным комплексом: цитратный цикл; дыхательная цепь, сопряженная с синтезом АТФ (сочетание этих процессов носит название «окислительное фосфорилирование»); расщепление жирных кислот путем β-окисления и частично цикл мочевины. Митохондрии также поставляют клетке продукты промежуточного метаболизма и действуют наряду с ЭР как депо ионов кальция, которое с помощью ионных насосов поддерживает концентрацию Са²⁺ в цитоплазме на постоянном низком уровне (ниже 1 мкмоль/л). 
  
• Главной функцией митохондрий является захват богатых энергией субстратов (жирные кислоты, пируват, углеродный скелет аминокислот) из цитоплазмы и их окислительное расщепление с образованием СО₂ и Н₂О, сопряженное с синтезом АТФ. 
  
• Реакции цитратного цикла приводят к полному окислению углеродсодержащих соединений (СО₂) и образованию восстановительных эквивалентов, главным образом в виде восстановленных коферментов. Большинство этих процессов протекают в матриксе. Ферменты дыхательной цепи, которые реокисляют восстановленные коферменты, локализованы во внутренней мембране митохондрий. В качестве доноров электронов для восстановления кислорода и образования воды используются НАДН и связанный с ферментом ФАДН₂. Эта высоко экзергоническая реакция является многоступенчатой и сопряжена с переносом протонов (Н⁺) через внутреннюю мембрану из матрикса в межмембранное пространство. В результате на внутренней мембране создается электрохимический градиент. В митохондриях электрохимический градиент используется для синтеза АТФ из АДФ (ADP) и неорганического фосфата (Р_i) при катализе АТФ-синтазой. Электрохимический градиент является также движущей силой ряда транспортных систем.

 

А. Структура митохондрий. 
 
 
 
Б. Метаболические функции.

                 Дыхательная цепь.

 

• Дыхательная цепь является частью процесса окислительного фосфорилирования . Компоненты дыхательной цепи катализируют перенос электронов от НАДН + Н⁺ или восстановленного убихинона (QH₂) на молекулярный кислород. Из-за большой разности окислительно-восстановительных потенциалов донора (НАДН + Н⁺ и, соответственно, QH₂) и акцептора (О₂) реакция является высокоэкзергонической. Большая часть выделяющейся при этом энергии используется для создания градиента протонов и, наконец, для образования АТФ с помощью АТФ-синтазы.  
  
• А. Компоненты дыхательной цепи. Дыхательная цепь включает три белковых комплекса (комплексы I, III и IV), встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану, и две подвижные молекулы-переносчики — убихинон (кофермент Q) и цитохром с. Сукцинатдегидрогеназа, принадлежащая собственно к цитратному циклу, также может рассматриваться как комплекс II дыхательной цепи. АТФ-синтаза иногда называется комплексом V, хотя она не принимает участия в переносе электронов. 
  
• Комплексы дыхательной цепи построены из множества полипептидов и содержат ряд различных окислительно-восстановительных коферментов, связанных с белками . К ним принадлежат флавин [ФМН (FMN) или ФАД (FAD), в комплексах I и II], железо-серные центры (в I, II и III) и группы гема (в II, III и IV). Детальная структура большинства комплексов еще не установлена. 
  
• Электроны поступают в дыхательную цепь различными путями. При окислении НАДН + Н⁺ комплекс I переносит электроны через ФМН и Fe/S-центры на убихинон. Образующиеся при окислении сукцината, ацил-КоА и других субстратов электроны переносятся на убихинон комплексом II или другой митохондриальной дегидрогеназой через связанный с ферментом ФАДН₂ или флавопротеин. При этом окисленная форма кофермента Q восстанавливается в ароматический убигидрохинон. Последний переносит электроны в комплекс III, который поставляет их через два гема b, один Fe/S-центр и гем с₁ на небольшой гемсодержащий белок цитохром с. Последний переносит электроны к комплексу IV, цитохром с-оксидазе. Цитохром с-оксидаза содержит для осуществления окислительно-восстановительных реакций два медьсодержащих центра (Cu_A и Cu_B) и гемы а и а₃, через которые электроны, наконец, поступают к кислороду. При восстановлении О₂ образуется сильный основной анион О^2-, который связывает два протона и переходит а воду. Поток электронов сопряжен с образованным комплексами I, III и IV протонным градиентом.  
  

 

• Б. Организация дыхательной цепи. Перенос протонов комплексами I, III и IV протекает векторно из матрикса в межмембранное пространство. При переносе электронов в дыхательной цепи повышается концентрация ионов H⁺, т. е. понижается значение рН. В интактных митохондриях по существу только АТФ-синтаза позволяет осуществить обратное движение протонов в матрикс. На этом основано важное в регуляторном отношении сопряжение электронного переноса с образованием АТФ. 
  
• Как уже упоминалось, все комплексы с I по V интегрированы во внутренней мембране митохондрий, тем не менее обычно они не контактируют друг с другом, так как электроны переносятся убихиноном и цитохромом с. Убихинон благодаря неполярной боковой цепи свободно перемещается в мембране. Водорастворимый цитохром с находится на внешней стороне внутренней мембраны. 
  
• Окисление НАДН (NADH) комплексом I происходит на внутренней стороне мембраны, а также в матриксе, где происходит также цитратный цикл и β-окисление — самые важные источники НАДН. В матриксе протекают, кроме того, восстановление O₂ и образование АТФ (ATP). Полученный АТФ переносится

       Эндоплазматический ретикулум.

 

• Строение. Эндоплазматический ретикулум состоит из разветвлённой сети трубочек и карманов, окружённых мембраной. Площадь мембран эндоплазматического ретикулума составляет более половины общей площади всех мембран клетки.
• Мембрана ЭПР морфологически идентична оболочке клеточного ядра и составляет с ней одно целое. Таким образом, полости эндоплазматического ретикулума открываются в межмембранную полость ядерной оболочки. Мембраны ЭПС обеспечивают активный транспорт ряда элементов против градиента концентрации. Нити, образующие эндоплазматический ретикулум, имеют в поперечнике 0,05—0,1 мкм (иногда до 0,3 мкм), толщина двухслойных мембран, образующих стенку канальцев, составляет около 50 ангстрем (5 нм, 0,005 мкм). Эти структуры содержат ненасыщенные фосфолипиды, а также некоторое количество холестеринаи сфинголипидов. В их состав также входят белки.
• Выделяют два вида ЭПР:

- гранулярный  эндоплазматический ретикулум;

- агранулярный (гладкий) эндоплазматический ретикулум.

 

• Функции эндоплазматического ретикулума. При участии эндоплазматического ретикулума происходит трансляция и транспорт белков, синтез и транспорт липидов и стероидов. Для ЭПС характерно также накопление продуктов синтеза. Эндоплазматический ретикулум принимает участие в том числе и в создании новой ядерной оболочки (например после митоза). Эндоплазматический ретикулум содержит внутриклеточный запас кальция, который является, в частности, медиатором сокращения мышечной клетки. В клетках мышечных волокон расположена особая форма эндоплазматического ретикулума — саркоплазматическая сеть.