Будова та механізми дії ферментів. Активний та алостеричний (регуляторний) центр.

Більшість ферментів має чотири рівні структурної організації (первинну, вторинну, третинну і четвертинну), тобто є олігомерними білками, що складаються із протомерів. Кожна із субодиниць або окремі їх частини відіграють певну роль у процесі функціонування ферменту. Прості (однокомпонентні) ферменти здійснюють ферментативне перетворення субстрату з участю власне білкової молекули. Безпосередню участь у реакції бере не весь поліпептидний ланцюг ферменту, а тільки незначна його частина, що близько прилягає до субстрату. У ферментативну реакцію включається тільки декілька залишків амінокислот. Ці залишки можуть розташовуватися в поліпептидному ланцюзі як поруч, так і далеко один від одного, але просторово вони повинні бути досить зближені. Та частина молекули ферменту, яка з'єднується із субстратом, називається активним центром ферменту. Активний центр відповідає за специфічну спорідненість ферменту із субстратом, утворення ферменто-субстратного комплексу і каталітичне перетворення субстрату. В активному центрі ферменту умовно розрізняють так звану каталітичну ділянку, де відбувається каталітичне перетворення субстрату, і контактну, або якірну ділянку, що зв'язує фермент із субстратом. За утворення активного центру ферменту, як і за його каталітичну дію, відповідає третинна структура білкової молекули. Отже, при порушенні третинної структури (денатурація) роз'єднуються просторово поєднані амінокислотні залишки і, як наслідок, фермент втрачає активність. У складі активного центру простого ферменту знаходиться приблизно 15 залишків амінокислот. Активний центр утворюють залишки таких амінокислот, як серин, цистеїн, гістидин, тирозин, лізин та деякі інші, що надають ферменту як просторової, так і електричної спорідненості із субстратом. В утворенні тимчасового комплексу між ферментом і субстратом важлива роль належить дисульфідним, іонним, а також слабким зв'язкам (водневі зв'язки, гідрофобна взаємодія). В утворенні активних центрів беруть участь також кофактори даного ферменту: простетичні групи, іони металів. Активний центр складних (двокомпонентних) ферментів містить у своєму складі як кофермент, так і ту частину апоферменту, що просторово прилягає до нього. Кофермент при цьому може відповідати за утворення зв'язку із субстратом, формування третинної або четвертинної структури апоферменту і каталітичне перетворення субстрату. Ферменти можуть мати 1, 2, 3 і більше активних центрів, що залежить від кількості протомерів (субодиниць), які входять у його структуру. Крім активних центрів, у ферментах можуть бути ще так звані алостеричні центри (від грец. алос — інший, другий; стереос — просторовий, структурний). Алостеричні центри служать місцем впливу на фермент різних регуляторних чинників, тому їх ще називають регуляторними центрами, а речовини, що взаємодіють з алостеричним центром, отримали назву ефекторів. Приєднання до алостеричного центру ефектора призводить до певних структурних змін в активному центрі та, як наслідок, пригнічення або підвищення активності ферменту. Ефекторами можуть служити продукти ферментативних реакцій, гормони, медіатори нервової системи, метали. Алостеричних центрів (як і активних) фермент може мати декілька, відповідно до кількості протомерів. Важливо зазначити, що алостеричні й активні центри у ферментах просторово відокремлені, тобто знаходяться один від одного на певній відстані. Механізми дії ферментів Ферменти збільшують швидкості біохімічних реакцій, які вони каталізують, у 108-1020 разів; при відсутності ферменту будь-яка метаболічна реакція практично невідбувається.

2.КІНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНИХ РЕАКЦІЙ. Ферментативна кінетика є розділомхімічної кінетики, що займається вивчен- нямвпливу різних хімічних тафізико-хімічних факторів на швидкість реакцій. Вона вивчає, зокрема, залежність швидкостей ферментативних реакцій від концентраційферменту, субстрату, рН та температури середовища, дії активаторів та інгібіторів. Для характеристики утворенняфермент-субстратного комплексу використову- ється субстратна константа, або константа дисоціації комплексу Міхаеліса:

Кs = k-1/k+1

Відношення міжсумою констант швидкостей реакцій зворотного розпаду (k-1) і розщеплення комплексу з утвореннямпродуктів реакції (k+2) та константоюшвид- кості утворення фермент-субстратного комплексу (k+1) називається константою Міхаеліса (Кm):

Кm = k-1 + k+2/ k+1

Швидкість ферментативної реакції буде прямопропорційно залежати від концентрації ферменту, а саме:

V = k · [E], тобто збільшення в клітині рівня певного ферментного білка повинно супрово- джуватися зростанням швидкості реакції, що каталізується цим ферментом. Більш складною є залежність швидкості ферментативної реакції від концентрації субстрату.: при низьких кон- центраціях субстрату швидкість реакції прямо пропорційна його концентрації (реак- ція 1-го порядку), а при високих кон- центраціях досягається ефект насичення, тобто незалежність V від [S]

Константа Кm дорівнює концентрації субстрату, при якій швидкість реакції становить половину від максимальної.

Вплив рН на активність ферментів.Кожен фермент має свій рН-оптимум, тобто значення рН середовища, при якому його каталітична активність максимальна. Більшість внутрішньоклітинних та тканин- нихферментів організму людини найактивніші в нейтральному, слаболужному або слабокис- лому середовищі (звичайно, вмежах рНміж 5,0 та 9,0). Ферментами з оптимумами при екстре- мальних значеннях рН є пепсин (рНопт = 1-2) і аргіназа (рНопт = 10-11).

Вплив температури на активність ферментів. Зростання температури до оптимальних значень (для більшості ферментів — у межах 37-40 °C) cупроводжується збільшенням швид- кості ферментативної реакції

3.Коферментні функції глутатіону Глутатіон - є похідним Трипептиду: γ-глутамініл- цистеїніл-гліцин. Функція:перенос водню в пероксидазних та редуктазних реакціях

4 Спільні проміжні продукти катаболізму білків, вуглеводів, ліпідів, їх роль в інтеграції метаболізму клітини. У ферментативному розщепленні складних біоорганічних сполук в організмі виділяють три основних стадії (етапи), що є загальними для катаболізму різних біомолекул.Ацетил-КоА — це загальний кінцевий продукт другої стадії внутрішньоклітинного катаболізму вуглеводів, ліпідів та амінокислот. На третій стадії катаболізму відбувається окислення ацетил-КоА до кінцевих метаболітів — двоокису вуглецю та води. Ця стадія має місце в мітохондріях і складається з двох процесів:

– циклу трикарбонових кислот

– системи електронного транспорту в мембранах мітохондрій,

5.РЕАКЦІЇ БІОЛОГІЧНОГО ОКИСЛЕННЯ та їх функціональне значення. Внутрішньомолекулярне окислення біологічних субстратів (біологічне окис- лення) є основним молекулярним механізмом, за рахунок якого забезпечуються енергетичні потребифункціонуванняживих організмів. Окислення — це процес втрати атомом, молекулою, що окислюється (суб- стратом окислення), електронів або атомів водню (протонів та електронів).

У процесах біологічного окислення, що мають місце в живих системах, виділяють такі класи реакцій: 1. Реакції, пов’язані з передаванням субстратом, що окислюється, певному акцептору, водню: Реакції такого типу називаються реакціями дегідрування, а ферменти, що їх каталізують — дегідрогеназами.

2. Реакції, що відбуваються з передаванням від субстрату до акцептора електронів (одного або двох): Реакції такого типу каталізуються цитохромами дихального ланцюга мітохондрій.

3. Реакції, що полягають у безпосередньому приєднанні до субстрату, який окислюється, одного або двох атомів кисню. Такі реакції дістали назву оксигеназних, а відповідні ферменти, що їх ката- лізують, — оксигеназ. Залежно від кількості атомів кисню, що взаємодіють із субстратом, оксигеназні реакції поділяють на: – монооксигеназн;і– діоксигеназні. Монооксигеназні реакції каталізуються цитохромом Р-450 і лежать в основі окислювального гідроксилювання багатьох гідрофобних субстратів екзогенного та ендогенного походження (мікросомальне окислення). До діоксигеназних належать реакції перекисного окислення ліпідів, тобто ненасичених жирних кислот, що входять до складу ліпідів природного походження.

Білет №5

1.Номенклатура та класифікація ферментів.Типи реакцій, що каталізують окремі класи ферментів. Номенклатура ферментів: 1. Систематична номенклатура.Згідно з цією номенклатурою, назва фарменту включає в себе: хімічну назву субстрату;тип реакції, що каталізується; суфікс -аза.2.Тривіальна номенклатура.Утворюється на основі хімічної назви субстрату з додаванням суфікса -аза.

Класифікація ферментів:Згідно з типом реакції, які ферменти каталізують, їх поділяють на класи, а класи - на підкласи. 1-й клас. Оксидоредуктази — ферменти, що каталізують окислювально-відновлювальні реакціїрізних типів.До оксидоредуктаз належать дегідрогенази— ферменти, що каталізують реакціїдегідрування, оксидази, що окислюють субстрати шляхом приєднання кисню,цитохроми — переносники електронів тощо.

2-й клас. Трансферази — ферменти, що каталізують реакції міжмолекулярного

переносу хімічних груп.Трансферази поділяють на амінотрансферази, метилтрансферази, ацил-трансферази, фосфотрансферази, глікозилтрансферази — ферменти, що

переносять амінні, метильні, ацильні, фосфатні, глікозильні групи, відповідно.

До трансфераз належать також кінази, зокрема протеїнкінази — ферменти, що

каталізують фосфорилювання субстратів та інших білків за рахунок фосфатного

залишку АТФ.

3-й клас. Гідролази — ферменти, що каталізують реакції гідролізу, тобто

розщеплення субстратів за участю молекули води.Гідролази здатні розщеплювати складноефірні, пептидні, глікозидні та інші зв’язки — естерази, пептидази та протеази, глікозидази.

4-й клас. Ліази — ферменти, що каталізують реакції розщеплення ковалентних зв’язків між атомами С, О, N, S негідролітичним шляхом.До ліаз належать декарбоксилази — ферменти, що відщеплюють від органічних кислот карбоксильну групу у вигляді СО2; альдолази, що розщеплюють вуглець-вуглецеві зв’язки з утворенням альдегідів; дегідратази, які відщеплюють від субстратів молекулу води з утворенням подвійного зв’язку.

5-й клас. Ізомерази — ферменти, що каталізують реакції ізомеризації субстратів (рацемізації, епімеризації, внутрішньомолекулярної оксидоредукції) — рацемази, епімерази тощо.

6-й клас. Лігази (синтетази) — ферменти, що каталізують реакції синтезу біомолекул, тобто утворення нових хімічних зв’язків за рахунок енергії АТФ.

2.Активний центр ферменту. Активний центр — ділянка молекули ферментного білка, що взаємо-

діє із субстратом під час ферментативної реакції і необхідна для перетво-

рення субстрату в каталітичному процесі.Активний центр локалізується, як правило, в заглибленні, просторовій ніші, щоутворюється в макромолекулі білка-ферменту.

У структурі активного центру розрізняють:

– ділянку, що зв’язує субстрат(якірну ділянку), що містить радикали полярних (зв’язують молекули субстрату за рахунок водневих зв’язків або дипольних взаємодій) або неполярних амінокислотних залишків (створюють в активному центрі гідрофобнізони, що взаємодіють із відповідними радикалами в субстраті);

– каталітично активну ділянку, до складу якої входять хімічні групи, що беруть безпосередню участь у перетворенні субстрату (групи –ОН, –SH, ≥N,–NH3, –СОО).