Роль ферментов в метаболизме. Многообразие ферментов. Понятие о классификации ферментов, их номенклатура. Изоферменты. Проферменты.

Ферменты представляют собой сложные белковые молекулы и являются «биологическими катализаторами»,они являются продуктом или производным какого-либо живого организма и обладает способностью увеличивать скорость химической реакции, при этом само вещество в результате реакции не изменяется. Следовательно, после завершения реакции фермент способен сразу же вступать в новую.

Ферменты взаимодействуют только с одним веществом, и катализируют одно из возможных превращений, которым может подвергаться это вещество. Иными словами, фермент является своеобразным «ключом», способным открыть определенный «замок». В качестве «замка» выступают крупные органические молекулы, содержащиеся в сточных водах, которые расщепляются до веществ, необходимых микроорганизмам.Все ферменты делят на 6 классов.

1. Оксидоредуктазы — ускоряют реакции окисления — восстановления. Окисление протекает как процесс отнятия атомов Н (электронов) от субстрата, а восстановление — как присоединение атомов Н (электронов) к акцептору. Пример: каталаза.

2. Трансферазы — ускоряют реакции переноса функциональных групп и молекулярных остатков. В зависимости от характера переносимых группировок различают фосфотрансферазы, аминотрансферазы, гликозилтрансферазы, ацилтрансферазы, трансферазы, переносящие одноуглеродные остатки (метилтрансферазы, формил-трансферазы), и др. Например, амидазы ускоряют гидролиз амидов кислот. Из них важную роль в биохимических процессах в организме играют уреаза, аспарагиназа и глутаминаза. Уреаза ускоряет гидролиз мочевины до NН3 и СO2.

3. Гидролазы — ускоряют реакции гидролитического распада. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза.

4. Лиазы — ускоряют негидролитическое отщепление от субстратов определенных групп атомов с образованием двойной связи (или присоединяют группы атомов по двойной связи).

5. Изомеразы — ускоряют пространственные или структурные перестройки в пределах одной молекулы.

6. Лигазы — ускоряют реакции синтеза, сопряженные с распадом богатых энергией связей. Пример: ДНК-полимераза

Изоферменты— это различные по аминокислотной последовательности изоформы или изотипы одного и того же фермента, существующие в одном организме, но, как правило, в разных его клетках, тканях или органах. примером фермента, имеющего изоферменты, является амилаза — панкреатическая амилаза отличается по аминокислотной последовательности и свойствам от амилазы слюнных желёз, кишечника и других органов. Это послужило основой для разработки и применения более надёжного метода диагностики острого панкреатита путём определения не общей амилазы плазмы крови, а именно панкреатической изоамилазы. Проферменты— функционально неактивные предшественники ферментов, подвергающиеся тем или иным преобразованиям (обычно расщеплению специфическими эндо- или экзопептидазами или гидролизу), в результате чего образуется каталитически активный продукт — фермент.Примерами проферментов являются пепсиноген, трипсиноген и др.

 

9. Химическая природа ферментов. Свойства ферментов как биологических катализаторов: эффективность, специфичность действия, зависимость активности ферментов от температуры и рН среды.

Изучение ферментов показало, что они обладают св-ми белков. св-ва характерны ферментов

1) они являются амфотерными

2)осаждаются сульфатом аммония т.е. высаливаются

3) инактивируются при нагревании под действием концентрированных кислот и щелочей

4) неспособны проходить через полупроницаемые мембраны.

Абсолютным доказательством белковой природы ферментов - это синтез их из отдельных аминокислот. По хим. составу ферменты как и белки могут быть двух видов - простые и сложные (протеины и протеиды). Несколько слов о протеинах. Они могут состоять из одной полипептидной цепи (рибонуклеаза содержащая 124 ам. ксл. отатка, пепсин, трипсин) В то же время ряд ферментов состоят из нескольких полипептидных цепей т.е. являются олигомернымн белками. Например альдолаза - фермент гликолиза, РНК-полимераза и др. К первой группе относятся обычно класс гидролиз, практически все гадролитические ферменты состоят только из аминокислот т.е. являются простыми белками. Кроме того, некоторые лиазы, а вот все остальные классы ферментов в основном явл. сложными белками т.е. для каталитической активности многих ферментов кроме белковой части необходим второй компонент получивший название кофактор. Есть каталитически активный фермент вместе с кофактором получил название холофермент. Это каталитически активный фермент состоящий из белковой и небелковой части кофактора. Белковая часть сложного фермента получила название апофермент. Характерной особенностью или сложных ферментов протеидов является, то, что ни белковая часть апофермента, ни кофактор в отдельности не обладают заметной каталитической активностью.

Различают два главных вида специфичности ферментов: Субстратную специфичность и специфичность действия.

Субстратную специфичность - это способность фермента катализировать превращения только одного определенного субстрата или же группы сходных по строению субстратов. Определяется структурой адсорбционного участка активного центра фермента.

Различают 3 типа субстратной специфичности:

1) АБСОЛЮТНАЯ субстратная специфичность - это способность фермента катализировать превращение только одного, строго определенного субстрата.

2) ОТНОСИТЕЛЬНАЯ субстратная специфичность - способность фермента катализировать превращения нескольких, сходных по строению, субстратов.

3) СТЕРЕОСПЕЦИФИЧНОСТЬ - способность фермента катализировать превращения определенных стереоизомеров.

Специфичность действия - это способность фермента катализировать только определенный тип химической реакции.

В соответствии со специфичностью действия все ферменты делятся на 6 классов. Классы ферментов обозначаются латинскими цифрами. Название каждого класса ферментов соответствует этой цифре.

 

Механизм действия ферментов. Образование фермент-субстратных комплексов. Активные центры ферментов, их химическая структура. Роль конфармационных изменений фермента и субстрата при катализе.

 

Принято выделять сегодня две стороны проблемы. 1. Термодинамический аспект 2. Структурно – кинетический. Термодинамический аспект. Каждая молекула любого вещества обладает определенным уровнем внутренней энергии. Этой энергии недостаточно для того, чтобы вещество вступало в реакцию с другими веществами. В то же время достаточно поднять уровень внутренней энергии до определенного предела, как вещество начинает взаимодействовать со своим окружением, т.е. реагировать с ним. Минимальный уровень внутренней энергии необходимый для перехода молекулы вещества в реакционно-способное состояние явл.- энергетическим барьером реакции. По количеству энергии кот. необходимо сообщить молекуле для перехода ее в реакционное состояние получило назв. - энергии активации. Чем больше эн. актив., тем медленнее пройдет реакция. С увеличением энергии активации вероятность перехода молекул субстрата в реакционно-способное состояние резко снижается. Величину энергии активации можно уменьшить двумя приемами. 1. Увеличение среднего уровня внутренней энергии путем повышения температуры. 2. Попытка снизить энергетический барьер реакции. Снижение его возможно только путем снижения изменение структуры субстрата. Ферменты ускоряют ход химической реакции, снижая энергетический барьер реакции. Однако тем самым уменьшают энергию активации. Ферменты снижают энергию активации значительно больше, чем катализаторы небиологической природы. Например, реакция гидролиза сахарозы до глюкозы и фруктозы. Е актив. = 32 Ккал/молъ. В присутствии кислоты снижается до 25, а в присутствии сахоразы до 9. Реакции при кот. происходит выделения энергии получили названия экзоорганические. Эти реакции могут идти самопроизвольно. Ферменты катализируют только экзоораническне реакции. Реакции эндоорганические требуют использование энергии макроэргических соединений.

Сруктурно-кинетическая сторона проблемы механизма. Снижение энергетического барьера говорит о том, что при взаимодействии фермента с субстратом происходит изменение структуры реагирующих молекул, причем это такие изменения которые способствуют протеканию определенных реакций. Химическая реакция - это перестройка, иногда разрыв, одной - двух редко трех связей. Реакции, протекающие в организме человека многоступенчатые. Тогда становится ясно, что ослабление прочности перестраиваемой связи будет способствовать протеканию реакции. Ферменты, взаимодействующие с субстратом так перестраивают структуру этого субстрата, что определенные связи в субстрате становятся менее прочными, а значит более уязвимыми к действию реагентов. Ослабление прочности связи может достигаться двумя путями. 1 Путь это изменение электронной плотности путем перераспределения конкретной связи. 2 Путь это изменение пространственной структуры молекулы субстрата. С этих позиций можно выделить несколько эффектов которые в той или иной мере объясняет ускорение хода реакция ферментами. 1- й эффект. Сам факт связывания фермента с субстратом в активном центре приводит к изменению электронной структуры субстрата и поэтому уже сам факт связывания есть начало катализа. 2-ой эффект. Связанная молекула субстрата оказывается в активном центре в сфере действия каталитических групп. Эти функциональные группы еще более деформируют электронную структуру субстрата, а перераспределение электронной плотности в молекуле субстрата ослабляет, перестраивая связь. 3-й эффект. В активном центре ферментов присутствуют функциональные группировки радикалов аминокислот, которые обладают кислотными и основными свойствами. От их действия к одной части молекулы субстрата будут присоединяться протоны, а от другой ее части протоны будут отщепляться. 4-й эффект. Определяет перестройку субстрата после соединения его к активному центру. 5-й эффект. Молекула субстрата находясь в водной фазе обычно окружена гидратной оболочкой. Связываясь с активным центром, как правило субстрат теряет данную гидратную оболочку. Молекула субстрата, связываясь с группировками активного центра может подвергаться пространственным искажениям. И, наконец, к ускорению реакции в присутствии фермента имеют отношение 2 кинетически структурных момента. 1-Скорость реакции по закону действующих масс растет с увеличением концентрации принудительно в результате их связывания

2- Для того чтобы молекулы прореагировали, они должны столкнуться друг с другом, причем в определенном пространственном соотношении. Эти два кинетических эффекта известны под названием эффектов сближения (1) и пространственной ориентации.

 

11. Структура ферментов. Функциональные центры ферментов. Кофакторы ферментов, их классификация и роль в катализе. Связь с витаминами, примеры.

Функциональные центры - участки поверхности молекулы фермента ответственное за взаимодействие с др белками, причем белками или обладающими каталитической активностью (ферментами) или белками, не обладающими каталитической активностью

Подобного рода взаимодействия встречаются при формировании надмолекулярных мультиферментных комплексах. Те комплексы о которых мы говорили (пируватдегдрогеназные, альфакетоглюторатгидрогеназные) синтетазы высших жирных кислот) включают несколько ферментов. Дело в том, что включение нескольких ферментов в этом комплексе достаточно в заметной степени сказывается на каталитической активности других ферментов этого комплекса.

Почему? Дело в том, что пространственная структура свободного фермента и фермента включенного в комплекс меняется, а значит, меняется и каталитическая активность. Субстраты в превращении которых участвуют ферменты по сравнению с самим ферментом очень часто очень мелкие молекулы, понятно, что в образовании энз-субс. комплекса участвует не вся мол-ла фермента, а только какой-то ее участок, какая-то часть ее поверхности. Этот участок пов-ти фермента ответственный за связывание и превращение субстрата и получил название активного центра

В структуру актив, центра входят: в его образование принимают участие не более 10-15 ам.к. остатков определенных образом ориентированных в пространстве по отношению друг к другу. Эти остатки могут далеко располагаться в полипептидной цепи, могут сближаться при формировании третичной структуры.

Хемотрипсин принимают участие 4 ам.к. остатка: 2 остатка гистидина (57,40), серин (195), аспартат (102). Составн. элем, актив, центра часто относится участок остова полипептидной цепи удержив. ам.к. радик. в определенном положении друг к др.

В активный центр фермента входят кофакторы (исключ. некот. ионов металлов). В активном центре условно выделяют 2 участка: а) субстратный - отвечает за связывание субстрата

б) каталитический центр - участок осуществляющий катализ связав. субстрата. Сюда входит кофактор. Кофактору и функ гр. присуща большая роль.

В составе многих ферментов так же кроме активных центров имеются регуляторные центры.

а) Аллостерический центр б) Центр ковалентной модификации в) Центр связывания с белками и регуляторами

Аллостер. центр - центр, находящийся в другом месте от активного центра - участок на пов-ти фермента образованный определенным образом ориентированных ам.к. радикалов. Его 3 мерная структура комплементарна низкомолекулярным лнгандам - кот. выступают в качестве регуляторов. цАМФ, АТФ. Присоединение аллост. модуляторов к аллост. центру приводит к изменению конформации белка, что сопровождается изменением пространственной структуры ферм, и изменен, к катализу. 1. Если присоединение модулятора повышает активность - аллостерич. активатор 2. Если понижает - аллостер ингибитор. Связыв. модул, с актив, центром - обратима. Никогда не возникает ковалентная связь. Активность определяется концентрацией модуляторов. Аллостер ферм, имеют как правило 4 структуру. Один и тот же фермент имеет 2 и более актив, центра кот комплемент, разный модуляторам.