Ферментативный катализ. Химическая природа ферментов и их биологическая роль. Специфичность ферментов. Отличия ферментов от неорганических катализаторов. Общие свойства ферментов и неорганических катализаторов. Специфичность действия ферментов, локализац

Химическая природа ферментов

По строению различают ферменты-протеины, однокомпонентные и ферменты- протеиды, двухкомпонентные.

К группе ферментов-протеинов относят ферменты, построенные по типу простых белков, в отличие от которых фермент имеет активный центр. Наличие в их молекуле активного центра обеспечивает каталитическую активность фермента. К однокомпонентным ферментам относятся почти все ферменты желудочно-кишечного тракта.

Ферменты- протеиды - двухкомпонентные(холоферменты)-сложные белки. Состоят из белковой части(апофермент) и вещества небелковой части(кофермент). У некоторых ферментов апофермент и кофермент соединены так прочно, что при разрыве это связи фермент разрушается. Но есть ферменты, у которых связь непрочная. Роль апофермента и кофермента различна. Белковая часть обуславливает субстратную специфичность фермента, а кофермент, входя в состав каталитического центра фермента, обеспечивает специфичность действия фермента, тип реакции, который ведет фермент. Роль коферментов выполняют производные различный витаминов, металлы(железо, медь).

Строение активного центра фермента, его роль.

Активный центр-это совокупность функциональных групп аминокислотных остатков, расположенных на поверхности ферментов и строго ориентированных в пространстве за счет третичной и иногда четвертичной структуры ферментов. Акт.центр имеет 2 участка: а) субстратный(контактный или якорная площадка), обуславливающий субстратную специфичность фермента и обеспечивающий его взаимодействие с субстратом; б) каталитический центр, ответственный за химические преобразования субстрата, который обуславливает специфичность действия фермента.

Активный центр имеет форму узкого углубления или щели. В этом углублении присутствует несколько полярных аминокислотных остатков для связывания или катализа. Актив центры, занимают небольшую часть молекулы фермента. Остальная часть фермента сохраняет актив. Центр от разрушения.

Первоначальная модель акт.центра, предложенная Э.Фишером, трактовала взаимодействие субстрата и фермента по аналогии с системой КЛЮЧ-ЗАМОК , те считалось, что между активным центром фермента и субстратом должно иметься полное соответствие. Эта модель, которую иногда называли модель ЖЕСТКОЙ МАТРИЦЫ . В настоящее время считают, что полного соответствия между субстратом и ферментом нет, оно возникает в процессе взаимодействия субстрата и фермента(теория Кошленда или теория индуцированного соответствия).

Что такое аллостерический центр ферментов, его роль?

У некоторых ферментов имеется так называемый аллостерический центр, участвующий в регуляции активности активного центра. Единого мнения о местонахождении этого центра нет. По некоторым данным аллост.центр располагается неподалеку от активного центра. При действии аллостерических эффекторов на этот центр происходят конформационные изменения молекулы фермента, в том числе изменяется и топография активного центра, в результате чего повышается или уменьшается структурное сродство фермента к субстрату. Аллост. центр характерен только для ферментов, имеющих несколько субъединиц.

Механизм действия ферментов

В механизме ферментативного катализа различают 3 стадии:

1.Образование фермент-субстратного комплекса. Субстрат присоединяется к участку молекулы фермента, который называется активным центром, в нем различают якорные участки. Соединение идет за счет связей, характер которых зависит от химической природы субстрата. Н-р, если в молекуле субстрата имеются заряженные группы, то образование комплекса возможно за счет электростатического взаимодействия. Место, куда прикрепляется субстрат находится на поверхности молекулы фермента. Таких участков может быть 2-3, они находятся на определенном расстоянии друг от друга.

2.Образование комплекса фермент - продукты реакции. Функционально активные группы активного центра фермента действуют на субстрат, дестабилизируя связи. При таком взаимодействии изменяется конфигурация субстрата, происходит его деформация, поляризация молекулы субстрата, растяжение связи между отдельными участками субстрата, перераспределение электронов, что приводит к изменению расположения электрического заряда, к снижению энергии активации, и субстрат распадается.

3.Распад комплекса фермент – продукты реакции с выделением свободного фермента. Третья стадия более медленная и от нее зависит скорость все реакции. Выявлено, что в механизме действия ферментов большое значение имеет изменение структуры субстрата, приводящее к снижению энергии активации. Величина энергии активации у различных субстратов разные.

6. Специфичность ферментов: а)субстратная, б) специфичность действия.

Ферменты обладают специфичностью, т.е. избирательно действовать на определенный субстрат (субстратная специфичность) и ускорять определенную химическую реакцию (специфичность действия), т.е. специфичность действия – это способность ферментов производить с субстратом лишь одно из возможных химических превращений. Ферменты могут воздействовать на несколько субстратов, но при этом катализировать только одну определенную реакцию. Субстратная специфичность: если фермент катализирует превращение только одного субстрата, то специфичность абсолютная (аргиназа расщепляет аргинин). Если фермент катализирует превращение группы субстратов, объединенных одним типом связи, то такая специфичность называется относительной (пепсин расщепляет жиры и живот. и раст. происхождения). Стереохимическая специфичность обусловлена существованием оптических изомеров L- и D- форм или геометрических изомеров хим. веществ. Так фермент может действовать только на один из изомеров(фумараза катализирует превращение только фумаровой кислоты, но не действует на малеиновую кислоту)

7. Мощность действия ферментов . Большинство реакций, катализируемых ферментами, протекают в 10-100 раз быстрее, чем некатализируемые реакции. Для характеристики мощности действия ферментов введено понятие катал – число молекул субстрата, подвергающееся воздействию одной молекулы фермента в течение 1 минуты. Мощность большинства ферментов равна 1000 каталов, мощность действия каталазы – 1.000.000 каталов, амилазы – 240.000, а ацетилхолинэстеразы – более 1.000.000 каталов. Высокая мощность действия ферментов обуславливает высокую скорость химических процессов в организме.

8. Изоферменты, их диагностическое значение. Изоферменты – молекулярные формы ферментов, катализирующие одну и ту же реакцию с одним и тем же субстратом, но в различных условиях. Они различаются по строению апофермента, по физико-химическим свойствам, по сродству апофермента к субстрату. Коферменты изоферментов одинаковые, поэтому биологическое действие изоферментов одинаково. Клетки и органы различаются по содержанию тех или иных изоферментов, т.е. изоферменты обладают органотропностью. Это имеет большое диагностическое значение, так как при поражении того или иного органа в кровь выходят преимущественно определенные изоферменты, что позволяет провести органную диагностику. Н-р, лактатдегидрогиназа(ЛДГ), ускоряющая реакцию дегидрирования молочной кислоты, имеет 5 изоферментов с одинаковым коферментом – НАД. В состав апофермента ЛДГ входят 4 полипептидные цепи. Различают Н-цепи (сердце) и М-цепи(мышцы).

ЛДГ 1 – 4 цепи Н-типа, в сердце

ЛДГ 2 – 3 цепи Н-типа и 1 цепь М-типа, в сердце, почках

ЛДГ 3 – 2 цепи Н-типа и 2 цепи М-типа, в легких

ЛДГ 4 – 1 цепь Н-типа и 3 цепи М-типа, в печени

ЛДГ 5 – 4 цепи М-типа, в мышцах и печени.

Декарбоксилазы аминокислот

По химической природе декарбоксилазы аминокислот – это сложные ферменты, коферментами которых могут являться фосфопиридоксаль(вит В6 связанный с фосф.к-той)

И пирролохинолинохинон (PQQ). ДК аминокислот являются ферментами бактерий, например, в толстом отделе кишечника у животных и человека. Эти ферменты в толстом кишечнике вызывают гниение белков, декарбоксилируя аминокислоты. В клетках человека и животных ДК аминокислот мало. Декарбоксилирование аминокислот также происходит при разложении трупа, когда под действием катепсинов белки тканей распадаются до аминокислот, а ДК аминокислот проводят дальнейшие изменения их

Подкласс-гидролиазы

Представитель-карбангидраза- двухкомпонентный фермент, кофермент окончательно не изучен, но известно, что в его состав входит цинк. Фермент ускоряет обратимую реакцию синтеза и распада угольной кислоты Н2О + CO2 = H2CO3

Направление реакции зависит от концентрации СО2, поэтому фермент вызывает удаление избытка угольной кислоты и играет роль в регуляции дыхательного центра.

Декарбоксилазы аминокислот

декарбоксилазы аминокислот- чаще всего бактериального происхождения, играют важную роль при бактериальных инфекциях и в процессе гниения. Набольшое кол-во встречается и в животных тканях, гфе они принимают участие в обмене некоторых аминокислот, способствую образования биогенных аминов(вещества, образующиеся в организме животных или растений из аминокислот при их декарбоксилировании ферментами декарбоксилазами и обладающие высокой биологической активностью.) . По строению это двухкомп. Ферменты, коф-т – фосфопиридоксаль (витамин В6 с H3PO4).

Карбоангидраза.

Карбоангидраза или угольная ангидраза - представитель подкласса гидро-лиазы. Двухкомп. фермент, сост из апофермента и кофермента, в состав кофермента входят ионы цинка. Катализирует р-ю распада и синтеза угольной к-ты. Сод-ся в эритроцитах и играет роль в процессах переноса СО2 от тканей к легким.

Н2О + СО2 ↔ Н2СО3

Направление реакции зависит от конц-ии СО2. Имеет значение в удалении избытка угольной к-ты(СО2) и играет роль в регуляции дыхательного центра.

36 Оксирезуктазы. Классификация. Это большой класс ферментов, которые катализируют окислительно-восстановительные реакции (реакции отщепления или присоединения водорода или электронов). По химической природе двухкомпонентны, содержатся в клетках. Различают около 90 подклассов. Для удобства изложения и усвоения этого материала по способу окисления можно разделить на 4 группы:

1) дегидролазы (Представители: 1)пиридинферменты; 2) флавинферменты)

Цитохромы,

Каталаза и пероксидаза,

Гидрооксилазы и оксигеназы

Дегидрогеназы, предтавители

К дегидрогеназам относятся ферменты, осуществляющие окисление веществ путем их дегидрирования (отнятия водорода), участвуя в БО и восстановлении, т.е. в реакциях, связанных с процессами тканевого дыхания, гликолиза, брожения. Известно свыше 150 ДГ-аз. Представители: 1)пиридинферменты; 2) флавинферменты

Представители. 1.

Реакции ЦТК

Пункты сопряжения БО и ОФ

БО имеет 3 пункта,в которых выделяется энергия,достаточная для образования АТФ. Эти пункты называются пунктами сопряжения БО и ОФ,это 2(когда НАДН 2 окисляется ФФ),6(Цхв окисляется,ЦХс1 восстанавливается),9 и 10(в ЦХО,Цха окисляется,ЦХа3 восстанавливается)

Разобщение БО и ОФ

Главная суть в том, что они разрывают связь между БО и ОФ, то есть 3 и 4 стадией энерг. Обмена.

А. 2.4 динитрофенол (принимался против ожирения)

Б. Дикумарол – применяется как антикогулянт в клинич. Практике.

В. Транспорт Са в митохондрии. Не происходит сохранение АТФ и АТФ тратится на захват кальция.

Ферментные ансамбли.

Мембранносвязанные ферменты, участвующие в БО в митохондриях, расположены не линейно, а обьеденены в комплекса:

1. Комплекс ФП(ФМН)

Оксидазное окисление.

ПФ и ФП окисляют субстраты перенося водород, на убихиноне они распадаются на протоны и электроны. Далее электроны транспортируются различными цитохромами, передаваясь на кислород, ионизируя его. Ион кислорода, соедин. С протонами водорода, образует эндогенную воду. В процессе БО выделяется энергия, идущая на образование АТФ 40% и тепла 60%

½ О2 + 2Н+ = энергия + Н2О

61. Оксигеназное окисление, значение, ферменты, конечные продукты. Больше половины оставшегося кислорода используется на оксигеназный тип окисления, который идет по 2 путям – монооксигеназному и диоксигеназному. Монооксигеназный путь происходит в митохондриях и микросомах. В митохондриях происходит гидроксилирование (при участии НАДФН2, ЦхР450). При гидроксилировании образуется окисленный продукт, вода и НАДФ. При диоксигеназном пути оксигеназного типа под влиянием оксигеназ происходит включение обоих атомов кислорода в субстрат. Обычно это происходит с веществами, имеющими ненасыщенные связи по месту их разрыва, например, ненасыщенные ЖК.

62. Пероксидазное окисление . Пероксидазное окисление - побочный путь окисления, обычно наблюдается при выходе из строя цитохромной системы или когда субстрат не окисляется другим путем, например, мочевая кислота. Протекает с участием ферментов оксидаз, наиболее активных в пероксисомах.

Пероксисомы – микротельца, обнаруженные в гепотоцитах; окислительные органеллы. Эти микротельца содержат оксидазу мочевой кислоты, оксидазу Д-аминокислот, а также каталазу, которая расщепляет пероксид водорода.

Например: Ксантин + Н2О2 + О2 = (фермент ксантиноксидаза) получается молочная кислота + Н2О2 ; 2 % кислорода в организме идет на окисление восстановленных ФП(ФАД) с образованием перекиси водорода

ФПН2 + О2 = ФП + Н2О2(фермент Каталаза)

Н2О2 = Н2О + О2 (фермент каталаза)

63. Пероксидное окисление. Образование АФК . Пероксидный тип окисления или перекисный, или свободно-радикальный - происходит при одноэлектронном восстановлении О2. Этому типу окисления подвергаются ПНЖК в составе ФЛ мембран. ПОЛ инициируется под действием АФК.АФК делятся на 2 группы: 1 группа – свободные радикалы: супероксиданион радикал, гидроксипероксирадикал (НОО ), гидроксильный радикал, радикал оксида азота, алкилоксирадикал (LO ), липопероксирадикал (LOO ) 2 группа – нерадикальные вещества: гипохлорит-анион, перекись водорода, синглетный кислород (1О2), озон (О3), железокислородный комплекс (Fe++-О2) и ГПЛ (LOOH). АФК в больших количествах опасны для клеток. Так, супероксиданион может вызвать деполимеризацию ГАГ, окисление адреналина и тиолов. Перекись водорода токсична, хотя механизм токсичности не ясен. Известно, что избыток перекиси водорода вызывает окисление тиогрупп белков, может приводить к образованию гидроксильного радикала. Главная опасность АФК – инициация ПОЛ. Свободно-радикальное окисление (СРО) носит цепной характер:

ПНЖК - ДК - ГПЛ - МДА (малоновый диальдегид)

диеновые конъюгаты гидропероксиды

ПОЛ – главный путь использования ПНЖК. Продукты ПОЛ необходимы при синтезе некоторых гормонов и белков (например, в синтезе тироидных гормонов), образования простагландинов (ПРГ), для функционирования фагоцитов, для регуляции проницаемости и состава липидов мембран, скорости пролиферации клеток и их секреторной функции.

Однако следует учесть, что увеличение скорости ПОЛ и концентрации продуктов ПОЛ приводит к повреждению клетки и ее смерти, например, продукты ПОЛ, являясь высокотоксичными повреждают ДНК и РНК, вызывают мутации. Продукты ПОЛ вызывают денатурацию белков, разобщают БО и ОФ, нарушают структуру мембран.

64. Антиоксиданты ферментные и неферментные Скорость ПОЛ контролируется АОС. АОС подразделяется на ферментную и неферментную.

К первой относятся: 1)СОД (Супероксиддисмутаза), которая переводит супероксидный радикал в менее токсичную перекись водорода2О2 + 2Н+ = Н2О2 +О2 2)Каталаза, которая разрушает пероксид водорода до воды и молеклярного кислорода; 3) Глутатионпероксидаза (ГПО)окисляет гидрокперекись липидов до легкоокисляемых ЖК 4) Глутатионредуктаза(ГР), восстанавливающая окисленный глутатион. К неферментной АОС относятся жирорастворимые витамины, каротиноиды, витамин С, витамин Р, витамин В2, карнозин (нейтрализует гидроксильный радикал), ферритин (связывает двухвалентное железо, которое является источником электронов для образования АФК), церулоплазмин (связывает двухвалентную медь, что уменьшает возможность ее окисления и образования супероксиданион-радикала, а также окисляет двухвалентное железо, выполняя роль феррооксидазы), металлотионеины (связывают медь и другие металлы, выполняя не только антиоксидантную функцию, но и антитоксическую), таурин (нейтрализует гипохлорит-анион).

Пункты сопряжения БО и ОФ

К ним относятся пункты под № 2,6,9,10

2) 2 пункт - НАДН 2 окисляется ФП. Теряя водороды НАДН 2 окисляется, а флавопротеиды, присоединяя водороды восстанавливается

6) 6 пункт - Происходит ОВР между ферроЦхЬ(окисляется) и ферриЦхс 1 (восстанавливается).

9-10) очень тесно объединены м.у собой, т.к происходят в мультиферментном комплексе - цитохромоксидазе. 2 ферро Цха(Fe2+)передают 2e 2ферриЦха3 (Fe3+).

Цха(Fe2+)-окисляется, Цха3(Fe3+)- восстанавливается

Разобщение БО и ОФ

Некоторые липофильные вещества (2,4-динитрофенол, некоторые лекарства, жирные кислоты) могут переносить ионы водорода через внутреннюю мембрану митохондрий в матрикс, минуя канал АТФ-синтазы. В результате этого снижается протонный градиент и прекращается синтез АТФ. Это явление называется разобщением, а вещества - разобщителями дыхания и фосфорилирования.

Прототипы разобщителей ОФ

2,4 –динитрофенол – классический разобщитель ОФ. Токсичен, но одно время использовался как лекарство от ожирения.

Дикумарол – обладает аналогичным действие и используется как антикоагулянт

Транспорт Ca2+ в митохондрии также изменяет взаимоотношения между электронным транспортом и ОФ.

Ферментные ансамбли

Мембранносвязанные ферменты, участвующие в БО в митохондриях, расположены не линейно, а объединены в 4 комплекса: 1 комплекс ФП(ФМН), 2 комплекс ФП(ФАД), 3 комплекс Цхв и Цхс1, 4 – Цха и Цха3

Ферменты,понятие. Сходства в действии ферментов и неорганических катализаторов. Общие свойства ферментов.

Ферменты-это биологические катализаторы белковой природы,ускоряющие биохимические реакции в животных организмах.

Сходства: 1) фермент и неорганический катализатор снижают энергию активации;

2)фермент и неорг. кат. ускоряют только энергетически возможные реакции;

3)фер. и неорг.кат. не изменяют направление реакции, не нарушают равновесия обратимой реакции,а только ускоряют наступление равновесия;

4)фер. и неорг.кат. не расходуются в процессе реакции и не входят в состав конечных продуктов реакции.

Общие свойства: Общие свойства ферментов одновременно являются и отличием ферментов от неор.кат.:

· Ферменты имеют белковую природу, поэтому обладают свойствами, характерными для белков;

· Ферменты имеют сложное строение;

· Ферменты обладают высокой специфичностью, как субстратной,так и специфичностью действия;

· Ферменты имеют высокую биологическую активность, что обусловлено высоким сродством фермента к субстрату, и они гораздо сильнее снижают энергию активации. Ед.измерения активности фермента- катал;

· Ферменты действуют в мягких условиях(при T-37-45,давлении 1 атм.);

· Ферменты- это катализаторы с регулируемой активностью.

Ферменты –это белковые молекулы, которые катализируют химические реакции в живых системах. Относительная молекулярная масса ферментов от 10 в 5 степени до 10 в 7 степени

Все биохимические реакции являются каталитическими. Катализаторы биохимических реакций имеют белковую природу и называются ферментами.

Ферменты отличаются от обычных катализаторов:

1)Они обладают более высокой каталитической эффективностью. Эффективность работы ферментов выражается молярной активностью – числом молекул субстрата, превращающихся в продукты реакции за единицу времени при условии полного насыщения фермента субстратом.

2)Ферменты высокоспецифичны, т.е. избирательность действия. Различают субстратную и групповую специфичность. Субстратная специфичность включает в себя и стереоспецифичность – проявление каталитической активности только в отношении одного из стереоизомеров данного вещества.

Ферменты с групповой специфичностью обеспечивают превращения разных субстратов, но имеющих определенные структурные фрагменты.

3)Ферменты проявляют максимальную эффективность только в мягких условиях температура (36*-38*), характеризующихся небольшим интервалом температур и значений рН

Ферменты катализируют превращение аминокислот; пищеварительные ферменты расщепляют пептидные связи самих белков; все биохимические реакции осуществимы в присутствии ферментов

Каждый фермент катализирует только определенную химическую реакцию.

Другой случай представляет собой ферменты с широкой специфичностью в отношении субстрата.

Вследствие высокой специфичности ферментов в обратимых процессах при определенных условиях они обычно увеличивают скорость только реакции, идущей в нужном направлении. В этом заключается одно из отличий ферментативного катализа от простого.

В организме для регуляции ферментативных процессов используются активаторы и ингибиторы .

Ингибиторы тормозят действие ферментов. Бывает обратимое и необратимое ингибирование фермента.

Обратимое наблюдается при взаимодействии с катионами металлов-токсикантов:Hg , Pb,Cd или с ингибиторами белковой природы.

При необратимом торможении ингибитор, обладающий структурным сходством с субстратом, блокирует активный центр фермента, надолго выводя его из строя. (отравляющие вещества)

12. Зависимость скорости ферментативной реакции от: а) температуры; б) рН среды; в) концентрации фермента. Ответ поясните с использованием графиков.

При увеличении температуры свыше определенного значения (45*-50*) биохимические реакции резко замедляются, а затем останавливаются, что связано с инактивацией ферментов при высоких температурах. Снижение активности фермента при температуре выше оптимальной связано с тепловой денатурацией белка, которая наступает при 50*-60*,а в некоторых случаях и при 40*

Снижение активности фермента при значенияхрН , отличающихся от оптимального значения, объясняется изменением степени его ионизации изменением характера ион-ионных и других взаимодействий, обеспечивающих стабильность третичной структуры белка. Для большинства ферментов Оптимальное значение рН совпадает с физиологическими значениями (7,3-7,4). Существуют ферменты, для нормального функционирования которых нужна сильно кислая (пепсин 1,5-2,5) или сильно щелочная (аргиназа 9,5-9,9) среда.

При высокой концентрации субстрата, обеспечивающей полное насыщение всех активных центров фермента, скорость реакции перестает зависеть от концентрации субстрата, однако скорость реакции остается зависеть от концентрации фермента

ГРАФИКИ НА СТРАНИЦЕ 227 В КРАСНОМ УЧЕБНИКЕ

Особенности кинетики ферментативной реакции. Графическая зависимость влияния концентрации субстрата на скорость ферментативной реакции (при постоянной концентрации фермента). Уравнение Михаэлиса-Ментен и его анализ.

Для каждой ферментативной реакции промежуточной реакцией является присоединение к активному центру фермента (Е) молекулы субстрата (St) с возникновением фермент-субстратного комплекса () , который в дальнейшем распадается на продукты реакции (Р) и молекулу фермента:

Где k1 , k-1 , k2 - константы скоростей отдельных стадий

Образование фермент-субстратного комплекса приводит к перераспределению электронов в молекуле субстрата. Скорость реакции зависит от концентрации субстрата. При низких концентрациях субстрата реакция имеет по субстрату первый порядок (Nst = 1) , а при высоких – нулевой (Nst = 0) . При этом скорость реакции становится максимальной. Максимальная скорость ферментативной реакции зависит от концентрации фермента в системе.

ГРАФИК СТРАНИЦА 227 КРАСНЫЙ УЧЕБНИК

Впервые кинетическое описание ферментативных процессов сделали Михаэлис и Ментен, которые предположили уравнение:

Км – константа Михаэлиса, учитывающая величины констант скоростей отдельных реакций (К1 , К-1 , К2), численно равна концентрации субстрата, при которой скорость ферментативной реакции равна половине максимальной (U мах /2)

Величина Км для данной ферментативной реакции зависит от типа субстрата, рН реакционной среды, температуры и концентрации фермента в системе. Реакция протекает тем быстрее, чем меньше Км. На скорость ферментативной реакции влияет присутствие активаторов и ингибиторов. Скорость зависит от концентрации субстрата и фермента.

Вопрос 18. Сходство и отличие ферментов и неорганических катализаторов. Зависимость скорости ферментативных реакций от температуры, рН. Виды специфичности.

Строение простых и сложных ферментов (на примере гидролаз, дегидрогеназ).

По составу ферменты делятся на простые и сложные.

Простые ферменты состоят из аминокислот. К ним относятся ферменты желудочно-кишечного тракта – α-амилаза, пепсин, трипсин, липаза и др. Все эти ферменты относятся к 3 классу – гидролаз.

Сложные ферменты состоят из белковой части – апофермента и небелковой – кофактора. Каталитически активный комплекс «фермент – кофактор» называется холоферментом. В качестве кофакторов могут выступать как ионы металлов, так и органические соединения, многие из которых являются производными витаминов.

Например, оксидоредуктазы используют в качестве кофакторов Fe²+, Сu²+, Mn²+, киназы Mg²+; для глутатионпероксидазы – фермента, обезвреживающего перекись водорода, требуется селен.

Коферменты – это органические вещества, которые непрочно связаны с белковой частью. Например, НАД-зависимые дегидрогеназы состоят из белка и коферментов НАД, НАДФ, производных витамина РР.

Простетическая группа – это коферменты, которые прочно (часто ковалентно) связаны с апоферментом. Например, флавиновые дегидрогеназы состоят из белка и простетических групп ФАД, ФМН, производных витамина В 2 . Апофермент определяет направленность или специфичность действия фермента.

. Общие свойства ферментов: специфичность, влияние температуры, pH среды на активность ферментов.

На активность ферментов оказывают влияние температура, рН среды, ионная сила растворов.

Так как ферменты по химической природе являются белками, повышение температуры свыше 45-50˚С приводит к тепловой денатурации и ферменты инактивируются (исключение – миокиназа мышц, папаин).

Низкие температуры не разрушают ферменты, а только приостанавливают их действие. Оптимальная температура для проявления активности фермента равна 37-40˚С.

На активность ферментов оказывает влияние реакция среды. Значение рН среды, при котором фермент проявляет максимальную активность, называют оптимумом рН среды для действия данного фермента. РН-оптимум действия ферментов лежит в пределах физиологических значений 6,0-8,0. Исключения: пепсин, рН-оптимум которого равен 2,0; аргиназа – рН-оптимум равен 10,0.

Ферменты обладают специфичностью. Различают несколько видов специфичности:

1. Абсолютная специфичность – фермент взаимодействует только с одним субстратом. Например, уреаза ускоряет гидролиз мочевины, но не расщепляет тиомочевину.

2. Стереоспецифичность – фермент взаимодействует с определенным оптическим и геометрическим изомером.

3. Абсолютная групповая специфичность – ферменты специфичны в отношении характера связи, а также тех соединений, которые образуют эту связь. Например, α-амилаза расщепляет α-гликозидную связь в молекуле мальтозы, состоящей из двух молекул глюкозы, но не расщепляет молекулу сахарозы, состоящую из молекулы глюкозы и молекулы фруктозы.

4. Относительная групповая специфичность. В этом случае ферменты специфичны только в отношении связи, но безразличны к тем соединениям, которые образуют эту связь. Например, протеазы ускоряют гидролиз пептидных связей в различных белках, липазы ускоряют расщепление сложноэфирных связей в жирах.

Вопрос 19 Активаторы и ингибиторы ферментов. Механизм их действия. Обратимое и необратимое, конкурентное и неконкурентное ингибирование. Использование принципа конкурентного ингибирования в медицине.

.Активаторы и ингибиторы ферментов, механизмы их влияния и значение.

На скорость химических реакций оказывают влияние различные вещества. По характеру влияния вещества подразделяются на активаторы, увеличивающие активность ферментов, и ингибиторы (парализаторы), подавляющие активность ферментов.

Активирование ферментов могут вызывать:

1. Присутствие кофакторов – ионы металлов Fe²+, Mg²+, Mn²+, Cu²+, Zn²+, АТФ, липоевая кислота.

2. Частичный их протеолиз.

Ферменты желудочно-кишечного тракта вырабатываются в виде неактивных форм – зимогенов. Под влиянием различных факторов происходит отщепление пептида с формированием активного центра и зимоген превращается в активную форму фермента.

Пепсиноген НСl пепсин + пептид

Трипсиноген энтерокиназа трипсин + пептид

Этот вид активирования предохраняет клетки желудочно-кишечного тракта от самопереваривания.

3. Фосфорилирование и дефосфорилирование. Например:

неакт. липаза + АТФ → липаза-фосфат (акт. липаза);

липаза-фосфат+Н3РО4 → липаза (неакт. липаза)

Ингибиторы по характеру своего действия подразделяются на обратимые и необратимые. В основе такого деления лежит прочность соединения ингибитора с ферментом.

Обратимые ингибиторы – это соединения, которые нековалентно взаимодействуют с ферментом и могут отщепляться от фермента.

Необратимые ингибиторы – это соединения, которые образуют ковалентные, прочные связи с ферментом.

Необратимое ингибирование может быть специфическим и неспецифическим.

При специфическом ингибировании ингибиторы тормозят действие определенных ферментов, связывая отдельные функциональные группы активного центра. Например, тиоловые яды ингибируют ферменты, в активный центр которых входят SН-группы; угарный газ (СО) ингибирует ферменты, имеющие в активном центре Fe²+.

Неспецифические ингибиторы тормозят действие всех ферментов. К ним относятся все денатурирующие факторы (высокая температура, органические и минеральные кислоты, соли тяжелых металлов и др.).

Обратимое ингибирование может быть конкурентным. При этом ингибитор является структурным аналогом субстрата и конкурирует с ним за связывание в субстратсвязывающем участке активного центра.

Отличительная особенность конкурентного ингибирования состоит в том, что его можно ослабить или полностью устранить, повысив концентрацию субстрата.

Сукцинатдегидрогеназа (СДГ) – фермент цитратного цикла, дегидрирует сукцинат, превращая его в фумарат. Малонат, который структурно похож на сукцинат, связывается в активном центре СДГ, но не может дегидрироваться. Поэтому малонат – конкурентный ингибитор СДГ.

Многие лекарственные препараты являются конкурентными ингибиторами ферментов. Например, сульфаниламидные препараты, являясь структурными аналогами парааминобензойной кислоты (ПАБК) – основного фактора роста болезнетворных микроорганизмов, конкурируют с ней за связывание в субстратсвязывающем участке активного центра фермента. На этом основано противомикробное действие сульфаниламидных препаратов.

Сравнение каталитического действия ферментов и неорганических катализаторов

В настоящее время учение о ферментах является центральным в биохимии и выделено в самостоятельную науку – энзимологию . Достижения энзимологии используются в медицине для диагностики и лечения, для изучения механизмов патологии, а, кроме того, и в других областях, например, в сельском хозяйстве, пищевой промышленности, химической, фармацевтической и др.

Строение ферментов

Метаболит - вещество, которое участвует в метаболических процессах.

Субстрат – вещество, которое вступает в химическую реакцию.

Продукт – вещество, которое образуется в ходе химической реакции.

Ферменты характеризуются наличием специфических центров катализа.

Активный центр (Ац) – это часть молекулы фермента, которая специфически взаимодействует с субстратом и принимает непосредственное участие в катализе. Ац, как правило, находиться в нише (кармане). В Ац можно выделить два участка: участок связывания субстрата – субстратный участок (контактная площадка) и собственно каталитический центр .

Большинство субстратов образует, по меньшей мере, три связи с ферментом, благодаря чему молекула субстрата присоединяется к активному центру единственно возможным способом, что обеспечивает субстратную специфичность фермента. Каталитический центр обеспечивает выбор пути химического превращения и каталитическую специфичность фермента.

У группы регуляторных ферментов есть аллостерические центры , которые находятся за пределами активного центра. К аллостерическому центру могут присоединяться “+” или “–“ модуляторы, регулирующие активность ферментов.

Различают ферменты простые, состоят только из аминокислот, и сложные, включают также низкомолекулярные органические соединения небелковой природы (коферменты) и (или) ионы металлов (кофакторы).

Коферменты – это органические вещества небелковой природы, принимающие участие в катализе в составе каталитического участка активного центра. В этом случае белковую составляющую называют апоферментом , а каталитически активную форму сложного белка – холоферментом . Таким образом: холофермент = апофермент + кофермент.

В качестве коферментов функционируют:

· нуклеотиды,

· коэнзим Q,

· Глутатион

· производные водорастворимых витаминов:

Кофермент, который присоединен к белковой части ковалентными связями называется простетической группой . Это, например, FAD, FMN, биотин, липоевая кислота. Простетическая группа не отделяется от белковой части. Кофермент, который присоединен к белковой части нековалентными связями называется косубстрат . Это, например, НАД + , НАДФ + . Косубстрат присоединяется к ферменту в момент реакции.

Кофакторы ферментов – это ионы металлов, необходимые для проявления каталитической активности многих ферментов. В качестве кофакторов выступают ионы калия, магния, кальция, цинка, меди, железа и т.д. Их роль разнообразна, они стабилизируют молекулы субстрата, активный центр фермента, его третичную и четвертичную структуру, обеспечивают связывание субстрата и катализ. Например, АТФ присоединяется к киназам только вместе с Mg 2+ .

Изоферменты – это множественные формы одного фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающие по физическим и химическим свойствам (сродству к субстрату, максимальной скорости катализируемой реакции, электрофоретической подвижности, разной чувствительности к ингибиторам и активаторам, оптимуму рН и термостабильности). Изоферменты имеют четвертичную структуру, которая образована четным количеством субъединиц (2, 4, 6 и т.д.). Изоформы фермента образуются в результате различных комбинаций субъединиц.

В качестве примера можно рассмотреть лактатдегидрогеназу (ЛДГ), фермент, который катализирует обратимую реакцию:

НАДН 2 НАД +

пируват ← ЛДГ → лактат

ЛДГ существует в виде 5 изоформ, каждая из которых состоит из 4-х протомеров (субъединиц) 2 типов М (muscle) и Н (heart). Синтез протомеров М и Н типа кодируется двумя разными генетическими локусами. Изоферменты ЛДГ различаются на уровне четвертичной структуры: ЛДГ 1 (НННН), ЛДГ 2 (НННМ), ЛДГ 3 (ННММ), ЛДГ 4 (НМММ), ЛДГ 5 (ММММ).

Полипептидные цепи Н и М типа имеют одинаковую молекулярную массу, но в составе первых преобладают карбоновые аминокислоты, последних – диаминокислоты, поэтому они несут разный заряд и могут быть разделены методом электрофореза.

Кислородный обмен в тканях влияет на изоферментный состав ЛДГ. Где доминирует аэробный обмен, там преобладают ЛДГ 1 , ЛДГ 2 (миокард, надпочечники), где анаэробный обмен - ЛДГ 4 , ЛДГ 5 (скелетная мускулатура, печень). В процессе индивидуального развития организма в тканях происходит изменение содержания кислорода и изоформ ЛДГ. У зародыша преобладают ЛДГ 4 , ЛДГ 5 . После рождения в некоторых тканях происходит увеличение содержания ЛДГ 1 , ЛДГ 2 .

Существование изоформ повышает адаптационную возможность тканей, органов, организма в целом к меняющимся условиям. По изменению изоферментного состава оценивают метаболическое состояние органов и тканей.

Локализация и компартментализация ферментов в клетке и тканях .

Ферменты по локализации делят на 3 группы:

I – общие ферменты (универсальные)

II - органоспецифические

III - органеллоспецифические

Общие ферменты обнаруживаются практически во всех клетках, обеспечивают жизнедеятельность клетки, катализируя реакции биосинтеза белка и нуклеиновых кислот, образование биомембран и основных клеточных органелл, энергообмен. Общие ферменты разных тканей и органов, тем не менее, отличаются по активности.

Органоспецифичные ферменты свойственны только определенному органу или ткани. Например: Для печени – аргиназа. Для почек и костной ткани – щелочная фосфатаза. Для предстательной железы – КФ (кислая фосфатаза). Для поджелудочной железы – α-амилаза, липаза. Для миокарда – КФК (креатинфосфокиназа), ЛДГ, АсТ и т.д.

Внутри клеток ферменты также распределены неравномерно. Одни ферменты находятся в коллоидно-растворенном состоянии в цитозоле, другие вмонтированы в клеточных органеллах (структурированное состояние).

Органеллоспецифические ферменты . Разным органеллам присущ специфический набор ферментов, который определяет их функции.

Органеллоспецифические ферменты это маркеры внутриклеточных образований, органелл:

1) Клеточная мембрана: ЩФ (щелочная фосфатаза), АЦ (аденилатциклаза), К-Nа-АТФаза

2) Цитоплазма: ферменты гликолиза, пентозного цикла.

3) ЭПР: ферменты обеспечивающие гидроксилирование (микросомальное окисление).

4) Рибосомы: ферменты обеспечивающие синтез белка.

5) Лизосомы: содержат гидролитические ферменты, КФ (кислая фосфатаза).

6) Митохондрии: ферменты окислительного фосфорилирования, ЦТК (цитохромоксидаза, сукцинатдегидрогеназа), β-окисления жирных кислот.

7) Ядро клетки: ферменты обеспечивающие синтез РНК, ДНК (РНК-полимераза, НАД-синтетаза).

8) Ядрышко: ДНК-зависимая-РНК-полимераза

В результате в клетке образуются отсеки (компартменты), которые отличаются набором ферментов и метаболизмом (компартментализация метаболизма).

Среди ферментов выделяется немногочисленная группа регуляторных ферментов, которые способны отвечать на специфические регуляторные воздействия изменением активности. Эти ферменты имеются во всех органах и тканях и локализуются в начале или в местах разветвления метаболических путей.

Строгая локализация всех ферментов закодирована в генах.

Определение в плазме или сыворотке крови активности органо- органеллоспецифических ферментов широко используется в клинической диагностике.

Этапы катализа

В ферментативной реакции можно выделить следующие этапы:

1. Присоединение субстрата (S) к ферменту (E) с образованием фермент-субстратного комплекса (E-S).

2. Преобразование фермент-субстратного комплекса в один или несколько переходных комплексов (E-X) за одну или несколько стадий.

3. Превращение переходного комплекса в комплекс фермент-продукт (E-P).

4. Отделение конечных продуктов от фермента.

Механизмы катализа

2. Ковалентный катализ – ферменты реагируют со своими субстратами, образуя при помощи ковалентных связей очень нестабильные фермент-субстратные комплексы, из которых в ходе внутримолекулярных перестроек образуются продукты реакции.

Типы ферментативных реакций

1. Тип "пинг-понг" – фермент сначала взаимодействует с субстратом А, отбирая у него какие либо химические группы и превращая в соответствующий продукт. Затем к ферменту присоединяется субстрат В, получающий эти химические группы. Примером являются реакции переноса аминогрупп от аминокислот на кетокислоты - трансаминирование.

Ферментативная реакция по типу "пинг-понг"

2. Тип последовательных реакций – к ферменту последовательно присоединяются субстраты А и В, образуя "тройной комплекс", после чего осуществляется катализ. Продукты реакции также последовательно отщепляются от фермента.

Ферментативная реакция по типу "последовательных реакций"

3. Тип случайных взаимодействий – субстраты А и В присоединяются к ферменту в любом порядке, неупорядоченно, и после катализа так же отщепляются.

Ферментативная реакция по типу "случайных взаимодействий"

Ферменты имеют белковую природу

Давно выяснено, что все ферменты являются белками и обладают всеми свойствами белков. Поэтому подобно белкам ферменты делятся на простые и сложные.

Простые ферменты состоят только из аминокислот – например, пепсин , трипсин , лизоцим .

Сложные ферменты (холоферменты) имеют в своем составе белковую часть, состоящую из аминокислот –апофермент , и небелковую часть – кофактор . Кофактор, в свою очередь, может называться коферментом или простетической группой. Примером могут быть сукцинатдегидрогеназа (содержит ФАД) (в цикле трикарбоновых кислот), аминотрансферазы (содержат пиридоксальфосфат) (функция), пероксидаза (содержит гем). Для осуществления катализа необходим полноценный комплекс апобелка и кофактора, по отдельности катализ они осуществить не могут.

Как многие белки, ферменты могут быть мономерами , т.е. состоят из одной субъединицы, и полимерами , состоящими из нескольких субъединиц.