Механизм ферментативной реакции

Реакция с участием фермента протекает в 3 стадии:

E + S ↔ ES ↔ E + P

I. Присоединение молекул S к ферменту в активном центре происходит по принципу «ключ-замок», в результате чего образуется промежуточный фермент-субстратный комплекс (ES или ФСК). В ФСК молекулы субстрата (тов) сближаются и определенным образом и ориентируются относительно друг друга. Это увеличивает время контакта между 2-мя молекулами субстратов.

II. Превращение субстрата. Вхождение субстрата (субстратов) в активный центр фермента и образование ФСК вызывает конформационное изменение структуры фермента и конфигурации активного центра. В результате этого происходит ослабление, поляризация и деформация внутримолекулярных связей в субстрате, затем их разрыв, и образование новых связей, т.е., образуется новая молекула. Именно благодаря образованию ФСК энергетический барьер реакции снижается, и ферментативные реакции протекают при относительно низкой температуре и обычном давлении (рис.).

III. Отделение конечных продуктов реакции. Образовавшаяся молекула (продукт, Р) выходит из активного центра.

 

Многие биохимические реакции протекают в несколько этапов в сложных мультиферментных комплексах, где несколько ферментов объединены структурно, т.е., закреплены в определенном порядке на мембране по типу конвейера.

Внутри клетки индивидуальные ферменты, как правило, содержатся в строго определенных ее органеллах. Внутриклеточная локализация ферментов непосредственно связана с той функцией, которую выполняет данный участок клетки.

 

Факторы, влияющие на скорость ферментативной реакции

1. Температура. Оптимальная температура для большинства ферментов - +40…+-600С. С повышением температуры возрастает кинетическая энергия мол-л, и, соответственно, скорость ферментативной реакции. При повышении t0 на 100 в пределах физиологических значений повышается в 1,4—2 раза скорость ферментативных реакций (рис).

2. рН. Ферменты содержат большое число ионогенных групп, ионизация которых, зависящая от рН, влияет на каталитическую активность фермента. рН внутриклеточной среды может оказывать и косвенное влияние на активность ферментов, влияя на связи апофермента с небелковым компонентом (рис.)

3. Ингибиторы. Для ингибиторов характерна специфичность действия. В качестве ингибиторов могут быть клеточные метаболиты и их структурные аналоги, яды, токсические вещества, ионы тяжелых металлов, многие фармакологически активные соединения и др. (рис).

4. Концентрация фермента и субстрата (рис).

 

Регуляция ферментативной деятельности

Скорость ферментативных реакций в клетке осуществляется двумя основными путями – за счет экспрессии (или репрессии) генов, или за счет активации или ингибирования деятельности уже имеющихся в клетке ферментов.

I. Экспрессия (репрессия) генов. При изменении условий в клетке усиливается дополнительный синтез белков-ферментов; появляются белки-ферменты с новыми каталитическим функциями или расширяется спектр изоферментов. Изоферменты – ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию, но различающиеся по структуре, физико-химическим свойствам. При изменении условий существования спектр изоферментов в клетке может меняться, что повышает адаптивность организма к внешним условиям.

II. Активация или ингибирование присутствующих в клетке ферментов.

Конкурентное ингибирование активного центра фермента продуктами реакции (при «перепроизводстве» продукта реакции).

Неконкурентная (аллостерическая) регуляция, алло- разный). Присоединение активатора или ингибитора к регуляторному центру фермента приводит к изменению формы активного центра фермента, где идет связывание фермента с субстратом, и это отражается на скорости ферментативной реакции (см. рис.). Ингибиторы бывают природные и синтетические, общего действия (ионы тяжелых металлов, например, Hg, Pb); специфические, подавляющие активность определенных ферментов. Например, фториды подавляют реакции гликолиза, а цианиды подавляют реакции аэробной фазы дыхания.

 

Локализация ферментов в клетке.

Внутри клетки индивидуальные ферменты содержатся и действуют в строго определенных органеллах в зависимости от функций, выполняемых данной органеллой (или частью клетки). Например, ферменты цикла Кальвина присутствуют в строме хлоропласта, ферменты гликолиза – в цитоплазме. Ферменты цикла Кребса находятся в матриксе митохондрий, окислительного фосфорилирования – на внутренней мембране митохондрий; ферменты синтеза нуклеиновых кислот находятся в ядре; гидролазы, осуществляющие распад полимеров на мономеры присутствуют в лизосомах.

 

 

Классификация ферментов

Согласно международной классификации, принятой в 1961 г, все ферменты разделяют на 6 классов в соответствии с характером катализируемых ими реакций.

 

1. Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции.

Ферменты, катализирующие перенос водорода (Н+), называют дегидрогеназами

(имеют коферменты НАД (Ф), ФМН, ФАД):

 

R₁H₂ + R₂ R₁ + RH₂

 

Оксидазами называют ферменты, для которых акцептором водорода (Н+ и е -) служитО₂ (цитохромоксидаза, полифенолоксидазы, пероксидазы, аскорбатоксидаза,

каталаза).

 

RH₂ + 1/2 O₂ R + H₂O (оксидазы)

 

RH₂ + H₂O₂ R +2H₂O (пероксидазы)

 

1. Трансферазы катализируют реакции переноса отдельных группировок (карбоксильных, альдегидных, аминогрупп; групп, содержащих серу, фосфор) с одного соединения на другое:

 

АХ +В А + ВХ

 

1. 3.Гидролазы - ускоряют расщепление сложных веществ (углеводов, жиров, белков) веществ с участием воды (гидролиз). Протеазы, липазы, амилазы, инвертаза и др.

R₁R₂ + H₂O R-OH + R-H

1. 4. Лиазы катализируют реакцию негидролитического расщепления с образованием двойных связей или реакции присоединения по двойным связям.

 

1. 5.Изомеразы катализируют реакции изомеризации соединений (внутримолекулярный перенос групп), например, взаимопревращение альдосахаров в кетосахара,

ФГА в ФДА, глю-6-Ф во фру-6-Ф.

 

1. Синтетазы (лигазы) - ускоряют реакции синтеза с использованием энергии макроэргических соединений. Синтетазы катализируют реакции образования амидов, биополимеров: белков, олиго - и полисахаридов, нуклеиновых кислот и др.

 

 

Углеводы (СН₂О)n

Первичным источником углеводов для всех живых организмов на Земле, за исключением хемосинтезирующих организмов, является фотосинтез. Углеводы входят в составе клеток и тканей всех растительных и животных организмов, они выполняют как структурные, так и метаболические функции:

• углеродные «скелеты» для построения др. органических веществ;
• запасной источник энергии (крахмал, инулин, сахароза, др.) для метаболических процессов;
• структурные компоненты КС (целлюлоза, гемицеллюлоза, пектины);
• входят в состав мембран (рецепторы -гликопротеины, иммунные белки - лектины).

 

Выделяют три группы углеводов: моносахариды, или простые сахара (глюкоза, фруктоза); олигосахариды — соединения, состоящие из 2-10 последовательно соединенных молекул простых сахаров (сахароза, мальтоза); полисахариды, включающие более 10 молекул сахаров (крахмал, целлюлоза).

 

 

Моносахариды — это кетонные или альдегидные производные многоатомных спиртов. В зависимости от количества атомов углерода, их разделяют на: триозы-С3, тетрозы-С4, пентозы-С5, гексозы-С6 и т. д.

 

Триозы (С3-) в свободном виде обычно не встречаются. Фосфорные эфиры триоз – фосфоглицериновый альдегид (ФГА ) и фосфодигидроацетон (ФДА) образуются как промежуточные продукты превращений более сложных моносахаридов, а также в процессе фотосинтеза.

Тетрозы (С4-). Эритроза — один из промежуточных продуктов фотосинтеза и пентозофосфатного цикла окисления глюкозы.

Пентозы (С5-). Пентозы в свободном виде встречаются очень редко, чаще они входят в состав более сложных углеводов и др. органических соединений. Рибоза и дезоксирибоза - входят в состав нуклеиновых кислот и свободных нуклеотидов. Арабиноза – входит в состав гемицеллюлоз, пектиновых веществ, слизей, гумми. Ксилоза (древесный сахар) входит в состав гемицеллюлоз, растительных слизей; много в соломе, отрубях, древесине, шелухе подсолнечника. Организмом человека ксилоза усваивается плохо.

Гексозы (С6-). Из гексоз наиболее широко распространены глюкоза, фруктоза, галактоза.

Глюкоза (виноградный сахар, декстроза) присутствует в свободном виде в зеленых частях растений, в семенах, различных фруктах и овощах. Глюкоза входит в состав важнейших дисахаридов и полисахаридов. Глюкоза — первичный источник энергии для клеток.

Фруктоза (плодовый сахар) в свободном состоянии содержится в зеленых частях растений, в плодах, нектаре цветов, меде. Входит в состав многих сложных сахаров, например, сахарозы. Фруктоза — в 1,5 раза слаще сахарозы и в 3 раза слаще глюкозы.

Галактоза вместе с глюкозой входит в состав дисахарида лактозы (молочный сахар), трисахарида рафинозы, тетрасахарида стахиозы и некоторых гликозидов.

 

Дисахариды — образуются в результате реакции конденсации между двумя моносахаридами, обычно гексозами, 1,4-гликозидной связью. Среди дисахаридов наиболее широко распространены мальтоза (глюкоза + глюкоза), лактоза (глюкоза + галактоза), сахароза (глюкоза + фруктоза).

Мальтоза (солодовый сахар) - является промежуточным продуктом при гидролизе крахмала, он широко распространен в растительных и животных организмах. Солодовый сахар значительно менее сладок, чем тростниковый (в 0,6 раза).

Лактоза (молочный сахар). Название этого дисахарида возникло в связи с его получением из молока (от лат. lactum — молоко). Лактоза в 4 или 5 раз менее сладка, чем сахароза.

Сахароза (тростниковый или свекловичный сахар) - очень распространена в растительном мире. Встречается в листьях, стеблях, корнях, фруктах, ягодах, клубнях. Это наиболее известный и широко применяемый сахар. При гидролизе из него образуются глюкоза и фруктоза. Смесь равных количеств глюкозы и фруктозы, получающаяся в результате инверсии тростникового сахара (в связи с изменением в процессе гидролиза правого вращения раствора на левое), называется инвертным сахаром. Природным инвертным сахаром является мед, состоящий в основном из глюкозы и фруктозы. Сахарозу получают в огромных количествах. Сахарная свекла содержит 16-20 % сахарозы, сахарный тростник — 14-26 %..

Рафиноза и стахиоза являются мало распространенной транспортной формой углеводов у некоторых древесных растений.

 

Полисахариды — высокомолекулярные соединения, состоящие из большого числа моносахаридов (до нескольких десятков тысяч). Различают гомополисахариды, состоящие из моносахаридов одного типа (крахмал и целлюлоза состоят только из глюкозы); гетерополисахариды, в состав которых могут входить несколько различных моно сахаров (гемицеллюлозы, пектиновые вещества).В зависимости от выполняемых функций полисахариды делят на запасные и структурные.

Целлюлоза, или клетчатка (от лат. сellula — клеточка) является основным компонентом клеточной стенки растительных клеток. Это линейный полисахарид, состоящий из глюкозы, соединенных 1,4-связями. Клетчатка составляет от 50 до 70 % древесины. Хлопок представляет собой почти чистую клетчатку. Волокна льна и конопли состоят преимущественно из клетчатки. Наиболее чистыми образцами клетчатки является очищенная вата, получаемая из хлопка, и фильтровальная бумага.

Гемицеллюлозы (полуклетчатки) - гетерополисахариды, входят в состав клеточных стенок; являются главными компонентами матрикса клеточных стенок, цементируют волокна целлюлозы в клеточных стенках.В состав гемицеллюлоз входят С6-сахара: манноза, галактоза; С5-сахара: арабиноза, ксилоза.

Крахмал — гомополисахарид, широко распространенный запасной углевод растений. Крахмал образуется при фотосинтезе в зеленых листьях в виде зерен, которые откладываются в хлоропластах (первичный, ассимиляционный крахмал). Накапливается в виде зерен, главным образом в клетках семян, луковиц, клубней, а также в листьях и стеблях (резервный, запасной крахмал). Крахмал и его производные широко применяются в медицине, и многих отраслях промышленности: пищевой, текстильной, бумажной, кожевенной, фармацевтической и т.д.

Крахмал состоит из двух полисахаридов - амилозы (15-25%) и амилопектина (75-85%). Амилоза (из 20000-500000 мол глюкозы, соединенных ((1(4)-связями, неразветвленная цепь) легко растворяется в теплой воде и дает маловязкие растворы. Молекулы амилопектина имеют разветвленное строение, в точках ветвления молекулы глюкозы соединены связью а(1-6). При нагревании в воде молекулы амилопектина дают вязкие растворы.

Инулин запасной полифруктозид у ряда растений из сем. Астровых и колокольчиковых (топинамбур, георгин, одуванчик, спаржа, чеснок, цикорий, мать-и-мачеха, артишок и др.);

состоит на 97% из мол-л фру и на 3% мол-л глюкозы.

Пектиновые вещества (П.в).- высокомолекулярные соединения, состоят из остатков галактуроновой кислоты.В растениях присутствуют в виде нерастворимого протопектина в межклеточном веществе, а также в виде растворимого пектина в соке плодов и овощей. Особенно много П.в. во фруктах, ягодах, корнеплодах (сахарная свёкла). В волокнистых растениях П.в. скрепляют между собой растительные волокна. Нерастворимые П.в. составляют большую часть первичных клеточных стенок и межклеточного вещества (срединных пластинок) растений; растворимый пектин содержится в клеточном соке.. Размягчение плодов при созревании происходит вследствие изменения количества и качества П.в. под влиянием пектолитических ферментов. Пектиновые вещества, входящие в состав клеточных стенок, придают им катионообменные свойства (см. лаб. раб. –30-31).

Слизи и гумми – растворимые в воде полисахариды, образующие чрезвычайно вязкие и клейкие растворы. Гумми выделяются в виде наплывов вишневыми, сливовыми, миндальными деревьями.

Липиды

 

Липиды - неоднородная группа соединений, нерастворимых в воде и хорошо растворимых в органических растворителях (эфире, бензоле, ацетоне, хлороформе и др.). По химической природе липиды являются производными высших жирных кислот, спиртов или альдегидов.

Функции липидов в клетке:

· являются структурными элементами клеточных мембран ((фосфо-, гликолипиды, липопротеины, филлохиноны, стероиды);

· при прорастании семян некоторых видов служат источником метаболической воды:

· служат энергетическим материалом для организма (запасные вещества - жиры);

· образуют водоотталкивающие (кутикула, восковой налет) и термоизоляционные покровы надземных органов растений; защищают от высыхания при недостатке влаги и вымывания веществ в период длительных дождей.

Липиды разделяют на:

· нейтральные жиры (собственно жиры, триацилглицерины) – сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и жирных кислот (ЖК) с четным числом атомов углерода (С₁₆—С₁₈). Чем больше ненасыщенных ЖК в составе жира, тем более жидкую консистенцию имеет жир. В жирах (маслах) растений чаще всего встречаются насыщенные ЖК: пальмитиновая (С₁₆), стеариновая (С₁₈); ненасыщенные ЖК: олеиновая (С_18:1), линолевая (С_18:2), линоленовая (С_18:3), арахидоновая (С_20:4). У растений жиры, выполняющие функцию запасных веществ, накапливаются в семенах. В прорастающих семенах при окислении жиров высвобождается (метаболическая) вода, что имеет большое значение при прорастании семян в условиях водного стресса.

· воска - сложные эфиры высших ЖК (С_14-34) и высших одноатомных спиртов (С_22-32). Из них формируется восковой налет, который предохраняет от смачивания, высыхания и проникновения патогенных грибов, бактерий, мелких вредителей-насекомых.

· сложные (полярные) липиды – фосфо-, глико-, сульфолипиды входят в состав клеточных мембран, играют важную роль в функционировании мембран.

· стероиды – липиды, обладающие сложной циклической структурой, образующиеся в результате конденсации веществ типа терпенов. Они играют важную роль в регуляции проницаемости клеточных мембран (эргостерол = витамин группы D).

· терпены (изопреноиды - (С₅Н₈)п). Эфирные масла (ментол, камфора); в-каротин, вит А, фитогормоны гиббереллины, пигменты фотосинтеза каротиноиды и др. вторичные вещества (каучук, гуттаперча).