Ферменты. Лекция по биохимии_4

Ферменты (энзимы) — это высокоспецифичные белки, выполняющие функции биологических катализаторов. Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само в ходе этой реакции не расходуется. Условия необходимые для химического взаимодействия молекул, чтобы произошла химическая реакция: молекулы должны сблизиться (столкнуться). Но не всякое столкновение приводит к взаимодействию; необходимо, чтобы это столкновение стало эффективным — завершилось …

Катализаторы сами не вызывают химическую реакцию, а только ускоряют реакцию, которая протекает и без них. Не влияют на энергетический итог реакции. В обратимых реакциях катализаторы ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, причем в одинаковой степени, из чего следует, что катализаторы: не влияют на направленность обратимой реакции, которая определяется только соотношением концентраций исходных веществ (субстратов) …

Ферменты обладают всеми общими свойствами обычных катализаторов. Но, по сравнению с обычными катализаторами, все ферменты являются белками. Поэтому они обладают особенностями, отличающими их от обычных катализаторов. Эти особенности ферментов, как биологических катализаторов, иногда называют общими свойствами ферментов. К ним относится следующее. Высокая эффективность действия. Ферменты могут ускорять реакцию в 108-1012 раз. Высокая избирательность ферментов к …

Субстратом (S) называют вещество, химические превращения которого в продукт (Р) катализирует фермент (Е). Тот участок поверхности молекулы фермента, который непосредственно взаимодействует с молекулой субстрата, называется активным центром фермента. Активный центр фермента образован из остатков аминокислот, находящихся в составе различных участков полипептидной цепи или различных полипептидных цепей, пространственно сближенных. Образуется на уровне третичной структуры белка-фермента. В …

Различают два главных вида специфичности ферментов: субстратную специфичность и специфичность действия. Субстратная 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: абсолютная субстратная специфичность — это способность фермента катализировать превращение только одного, строго определенного субстрата; …

I класс — оксидоредуктазы К данному классу относятся ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. При окислении может происходить либо отнятие водорода от окисляемого вещества, либо присоединение кислорода к окисляемому веществу. В зависимости от способа окисления различают следующие подклассы оксидоредуктаз: дегидрогеназы. Катализируют реакции, при которых происходит отнятие водорода от окисляемого вещества; оксигеназы. Ферменты этого подкласса катализируют включение кислорода …

Любая ферментативная реакция протекает через ряд промежуточных стадий. Различают три основных этапа ферментативного катализа. 1 этап. Ориентировочная сорбция субстрата на активном центре фермента с образованием обратимого E-S комплекса (фермент-субстратного). На этом этапе происходит взаимодействие адсорбционного центра фермента с молекулой субстрата. При этом и субстрат подвергается конформационной перестройке. Все это происходит за счет возникновения слабых типов …

Любая химическая реакция характеризуется, кроме принципиальной возможности ее протекания (обусловленной законами термодинамики), скоростью процесса. Скорость ферментативной реакции — изменение [S] или [P] в единицу времени. Измерив ее скорость, т. е. скорость в присутствии фермента, мы должны измерить скорость реакции и в отсутствии фермента (спонтанно протекающая реакция). Именно эта разность и характеризует работу фермента. Измеряя скорость …

Ферменты.

Ферменты – органические вещества белковой природы являющиеся биологическими катализаторами.

По химической природе – глобулярные белки ускоряют химические реакции в тысячи раз

Открыл Константин Кирхгоф, 1814г (превращал крахмал в сахар под действием амилазы) Некоторые ферменты состоят только из белков, но большинство кроме белковой части (апофермента) имеют и не белковый компонент (ко фактор). Ко фактором могут быть неорганические ионы или органические соединения. Если белковая часть фермента слабо связана с ко фактором и фермент активируется только при присоединении этой части, то ко фактор называют ко ферментом. Часто ко ферментом являются нуклеотиды и витамины, молекулы всех ферментов имеют 1 или несколько активных центров. Активным центром присоединяется к субстрату, остальная часть фермента служит для подержания структуры активного центра. В состав активного центра входят ко факторы и ко ферменты.

Действие фермента в клетке всегда строго согласовано происходит в определенной последовательности по принципу «ключа и замка».

1 Классификация ферментов.

1 Оксидоредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции (оксидазы, дегидрогеназы, пироксидазы)

2 Трансферазы – катализируют перенос атомных групп с одной молекулы на другую (аминотрансферазы – перенос NH2 группы при переаминировании аминокислот).

3 Гидролазы – ускоряют гидролиз (амилазы, липазы).

4 лиазы – ускоряют негидролитический распад по связям С-С, С-О (декарбоксилаза отщепляет СО2 от ПВК с образованием уксусного альдегида).

5 изомеразы – ускоряют превращение изомеров.

6 лигазы (синтетазы).

Классы подразделяются на подклассы и подподклассы. Каждый извлеченный фермент имеет свой шифр, содержащий 4 числа. Первая цифра указывает класс, вторая – подкласс, третья – подподкласс и четвертая указывает порядковый номер в подподклассе.

Пример: шифр 3.5.3.1.

3 подкласс гидролаз; 5 действующая на C-N связи; 3 расщепляющий эти связи в линейных, а не циклических соединениях.

2 механизмы катализа. Кинетика и регуляция ферментативных реакций.

Механизм действия ферментов:

Фермент + Субстрат---Субстрат комплекс---Фермент + Продукт реакции

В основе механизма лежит образование промежуточного фермент-субстратного комплекса, в котором вещество связано с активным центром фермента при образовании комплекса, молекула субстрата подвергается деформации, электрическое поле фермента меняет пространственную конфигурацию субстрата. Происходит перераспределение полярности, электронной плотности, связи субстрата разрыхляются, прочность снижается. Ферментный субстрат комплекс становится не стабильным превращаясь в комплекс ферментов - продукт, в котором продукт уже не соответствует активному центру и комплекс распадается на ферменты и продукты реакции.

3 Энергия активации.

Минимальное количество энергии которой должна обладать частица для того чтобы произошла химическая реакция называют Энергией активации. Чем больше эта энергия, тем меньше скорость реакции. Активация происходит при нагревании, поглощении лучистой энергии столкновения с возбужденными частицами, увеличение плотности в живых организмах, большие колебания температуры и плотности невозможны, поэтому энергетический барьер снижают ферменты, понижая энергию активации они увеличивают скорость реакции до 1012 раз.

4 Единицы измерения активности ферментов.

Ускорение реакции при участии ферментов очень велико, измеряется числом оборотов - числом молей субстрата, превращающих за 1 минуту 1 молем ферментов.. так число оборотов у альфа мелазы 40 тыс., изомеразы 500 тыс., каталазы 5млн.

Для оценки активности ферментативных препаратов используют понятие Молекула активации – число молекул субстрата превращаемых за 1 минуту 1 молекулой фермента. За стандартную единицу, для любого фермента, принимается такое количество ферментов, которое катализирует превращение1 микро моля субстрата за 1 минуту при оптимальных условиях(обычно 30 0С, оптимальная PH, оптимальная концентрация субстрата)

5 Зависимость скорости реакции от температуры и реакции среды.

1 от температуры.

Влияние температуры может быть выражено через температурный коэффициент Q10

Q10 =скорость реакции при (х+10)0С/скорость реакции при х ОС

В приделах интервала от 0-25-35 ОС Q10 = 2-3. при дальнейшем повышении температуры скорость увеличивается, и после достижения температурного порога, различного для каждого фермента, скорость начинает быстро падать. За пределами этого порога скорость снижается не смотря на увеличение частоты столкновения молекул. Причина – разрушение структуры белковой части ферментов (денатурация).

Чувствительность фермента к высокой температуре называют Термолабильность . Понижение температуры вызывает постепенную инактивацию фермента без его денатурации.

2 реакция среды.

При оптимальной температуре любой фермент наиболее эффективно работает в узких пределах PH. Большинство ферментов наиболее активны при PH=7, т. е. нейтральной среде. Даже незначительный сдвиг PH изменяет заряд ионизированных кислотных и основных групп, как самого фермента так и субстрата.

От резких сдвигов PH фермент может денатурировать.

Внутриклеточная PH всегда оптимальна для фермента, тем самым путем изменения клеткам удается регулировать активность ферментов.

6 Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента и субстрата.

1 концентрация фермента.

При увеличении количества ферментов скорость реакции повышается до того предела, который характеризуется количеством субстрата доступным действию ферментов. Ф оптимальных условиях скорость реакции пропорциональна концентрации ферментов. Многие ферменты могут не проявлять своей максимальной активности в клетках только из-за нехватки соответствующего субстрата.

2 концентрация субстрата.

При постоянной концентрации фермента увеличивается количество субстрата, что приводит в начале к быстрому, а затем более медленному росту скорости реакции, пока не достигается максимальная скорость, которая почти не изменяется при дальнейшем увеличении концентрации субстрата.

Скорость не изменяется так как активные центры фермента оказываются насыщенными субстратом в любой момент времени. Данная зависимость описывается уравнением Михаэлиса-Ментен.

Е+S---ЕS---Е+Р

V – скорость реакции;

Vmax – максимальная скорость реакции при бесконечно большой концентрации субстрата;

S – концентрация субстрата, моль/л;

Km – константа Михаэлиса-Ментен соответствующая концентрации субстрата при которой скорость реакции равна половине максимума;

Km - константа диссоциации комплекса фермента + субстрата: чем меньше диссоциация ферментного субстратного комплекса, тем выше скорость реакции.

7 Ингибиторы ферментативных реакций.

Ингибиторы - Вещества подавляющие действие ферментов.

Делятся на 2 класса:

1 общие ингибиторы (соли тяжелых металлов, свинца, ртути, вольфрама и серебра; трихлоруксусная кислота) эти соединения вызывают денатурацию белка, подавляют действие всех ферментов.

2 специфические – действуют на одну группу ферментативных реакций или группу близких реакций. Действие основано на специальном связывании с определенными химическими группировками в активном центре фермента. Все их делят на конкурентные и не конкурентные ингибиторы.

Конкурентное ингибирование.

Происходит когда ингибитор близок по своей структуре к обычному субстрату данного фермента. Сам ингибитор не может прореагировать, однако занимая активный центр преграждает к нему доступ настоящего субстрата.

В цикле Кребса фермент сукцинамдегидрогеназы катализирует окисление янтарной кислоты до фумаровой кислоты. Однако если в среду попадает малоновая кислота, то скорость окисления резко падает. Причина – близость по структуре этих кислот окислять.

Малоновую кислоту фермент не может и данный комплекс какое то время существует, т. е. происходит конкуренция кислот за активный центр фермента, при введении в среду большого количества янтарной кислоты повышается вероятность попадания в активный центр настоящего субстрата, а не ингибитора.

Не конкурентное ингибирование.

Как правило такое ингибирование не обратимо. Ингибиторы данного рода неродственны по структуре субстрату и в образовании комплекса с ферментом они занимают не активный центр, а другую часть молекулы фермента. При этом глобулярная структура фермента изменяется, изменяется полярность, и хотя субстрат присоединяется к активному центру реакция не происходит. Пример: цианид действует на ферменты дыхания (цитохромоксидазу) связываясь с входящими в ее состав ионами меди, реакция подавляется, дыхание прекращается, клетки погибают очень быстро.

8Активаторы ферментативных реакций. Активация и ингибирование по принципу обратной связи.

Активаторами часто являются ионы и соединения (К+, Са2+ ,СО2+ и др). Для пероксидазы и каталазы – Fe, для липазы –Са, для амилазы - CL. Многие ферменты вырабатываются клетками в не активной форме – проферменты. Переход проферментов в активные формы происходит под действием активаторов, механизм действия различный, в одних случаях активатор освобождает активные центры ферментов от ингибитора, в других – присоединяясь к белку изменяет его структуру, чем активирует активный центр. В третьих облегчает образование фермент-субстратного комплекса, когда конечный продукт начинает накапливаться, он сам может оказывать каталитические действия. Так небольшое количество пепсинов может стать катализатором превращения пепсиногена в пепсин.

Данный вид активации называют активным по принципу обратной связи или автоактивации.

Продукты реакции могут не только активировать, но и ингибировать ферментативный процесс, такое явление называют Ингибированием по принципу отрицательной обратной связи.

Так фермент фосфофруктокеназа участвует в реакциях гликолиза, ингибируется если концентрация АТФ высокая. Если уровень метаболизма высокий и качество АТФ понижается, то активность фермента восстанавливается.

9 Регуляция метаболизма. Мульти ферментные комплексы.

В типичной клетке более 500 ферментов, их активность и концентрация все время изменяется. Регуляция и согласованность процесса метаболизма обусловлены специфическим действием метаболизма, их пространственной организации и функциональности взаимодействия с клеткой компонентами.

Перечисленные особенности четко прослеживают существующих в клетках 2 типах метаболических путей:

1 линейный – некоторые ферменты действуют организованно будучи объединенными друг с другом в мульти ферментные комплексы, обычно эти комплексы связаны с мембраной. линейные расположения создают возможность саморегуляции путем ингибирования по принципу отрицательной обратной связи, т. е. скорость реакции зависит от концентрации конечного продукта.

Такая тесная связь понижает до минимума воздействие других реакций. Каждый фермент связан с соседними и продукт одного из них становится субстратом для следующего.

2 разветвленный метаболический путь.

Такой путь может привести к разным конечным продуктам и какой из них образуется зависит от условий существующих в клетке на данный момент. Регуляция образования конечного продукта осуществляется ингибированием по принципу обратной связи. Здесь также действуют мульти-ферментные системы, но ферменты находятся в растворе и тесно друг с другом не связаны.

Такую систему можно встретить в матриксе митохондрий, где происходят реакции цикла Кребса. Продукты некоторых реакций могут изыматься из ц. Кребса.

Кафедра биохимии

КУРС ЛЕКЦИЙ

ПО ОБЩЕЙ БИОХИМИИ

для студентов 2 курса

лечебно-профилактического

факультета

Модуль 1. Ферменты

Екатеринбург,

ЛЕКЦИЯ № 1

Тема: Введение в биохимию. Ферменты: строение, свойства, локализация, номенклатура и классификация

Биохимия – наука, изучающая вещества, входящие в состав живых организмов, их превращения, а также взаимосвязь этих превращений с деятельностью органов и тканей.

Биохимия – наука, о химических основах процессов жизнедеятельности.

Биохимия - молодая наука, около ста лет назад она возникла на стыке физиологии и органической химии. Термин биохимия ввел в 1903г молодой немецкий биохимик Карл Нейберг (1877-1956).

Современная биохимия как наука делится на:

1) статическую (анализирует структуру и химический состав организмов);

2) динамическую (изучает обмен веществ и энергии в организме);

3) функциональную (исследует взаимодействие химических процессов с биологическими и физиологическими функциями).

По объектам исследования, биохимия делиться на:

1) биохимию человека и животных;

2) биохимию растений;

3) биохимию микроорганизмов;

4) вирусов.

Мы с вами будем заниматься медицинской биохимией, одним из разделов биохимии человека и животных.

Предметом медицинской биохимии является человек.

Цельюкурса медицинской биохимии является изучение:

1) молекулярных основ физиологических функций человека;

2) молекулярных механизмов патогенеза болезней;

3) биохимических основ предупреждения и лечения болезней;

4) биохимических методов диагностики болезней и контроля эффективности лечения.

Задачи курса медицинской биохимии:

1) изучить теоретический материал;

2) получить практический навык биохимических исследований;

3) научиться интерпретировать результаты биохимических исследований.

Медицинская биохимия связана со всеми фундаментальными и клиническими медицинскими дисциплинами. Патогенез любой патологии включает в себя нарушение нормальных биохимических процессов, лежащих в основе физиологических функций организма, а излечение патологии – нормализация нарушенных биохимических процессов и физиологических функций организма. Поэтому, биохимия является фундаментальной наукой для врача.

Ферменты. Химическая природа, физико-химические свойства и биологическая роль .

Основу жизнедеятельности любого организма составляют химические процессы. Практически все реакции в живом организме протекают с участием природных биокатализаторов, называемых ферментами или энзимами.

Ферменты - это белки (установлено в 1922г), которые действуют как катализаторы в биологических системах.

Являясь веществами белкой природы, ферменты обладают всеми свойствами белков:

1. являются амфотерными соединениями;

2. вступают в те же качественные реакции, что и белки (биуретовую, ксантопротеиновую, фолина и др.);

3. подобно белкам растворяются в воде с образованием коллоидных растворов;

4. обладают электрофоретической активностью;

5. гидролизуются до аминокислот;

6. склонны к денатурации под влиянием тех же факторов: температуры, изменениях рН, действием солей тяжелых металлов, действием физических факторов (ультразвук, ионизирующее излучение и др.);

7. имеют несколько уровней организации макромолекул, что подтверждено данными рентгеноструктурного анализа, ЯМР, ЭПР.

Биологическая роль ферментов заключается в том, что они катализируют контролируемое протекание всех метаболических процессов в организме.

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.

Оксидоредуктазы

Катализируют окислительно-восстановительные реакции. В реакцию вступают 2 вещества и 2 образуются, одно окисляется, другое восстанавливается: Sвост + S’окисл ↔ S’вост + Sокисл

Оксидоредуктазы делятся на: дегидрогеназы (отщепляют Н от субстратов), оксидазы (переносят Н с субстрата на кислород), оксигеназы (включают кислород в молекулу субстрата), гидроксипероксидазы (разрушают перекиси водорода и органические перекиси).

Систематическое название включает в себя название донора е и Н + через двоеточие название акцептора через тире – название класса: донор: акцептор (косубстрат) оксидоредуктаза

R-CH 2 -OH + НАД + ↔ R-CH=О + НАДН 2

Систематическое название: Алкоголь: НАД + оксидоредуктаза

Тривиальное название: алкогольдегидрогеназа. Шифр: КФ 1.1.1.1

Пируват + НАДН 2 ↔ лактат + НАД +

Систематическое название: Лактат: НАД + оксидоредуктаза

Тривиальное название: ЛДГ. Шифр: КФ 1.1.2.7

Трансферазы

Ферменты этого класса принимают участие в переносе атомных групп, молекулярных остатков от одного соединения к другому. В реакцию вступают 2 вещества и 2 образуются: S-G + S’ ↔ S + S’-G.

В зависимости от переносимых групп трансферазы делятся на: 1). фосфотрансферазы (киназы); 2). аминотрансферазы; 3). гликозилтрансферазы; 4). метилтрансферазы; 5). ацилтрансферазы.

Систематическое название : откуда: куда в какое положение–что–трансфераза

или донор: акцептор–транспортируемая группа– трансфераза

АТФ + D-гексоза ↔ АДФ + D- гексоза-6ф

Систематическое название: АТФ: D-гексоза-6-фосфотрансфераза

Тривиальное название: гексокиназа

ФЕП + АДФ → ПВК + АТФ

Систематическое название: АТФ: ПВК-2-фосфотрансфераза

Тривиальное название: пируваткиназа

3. Гидролазы. Расщепляют ковалентную связь с присоединением молекулы воды.

В реакцию вступают 2 вещества и 2 образуются: S-G + Н 2 О ↔ S-ОН + G-Н.

В зависимости от характера гидролизуемой связи, различают подклассы: 1). гликозидазы – гидролиз гликозидов (лактоза – лактаза, мальтоза – мальтаза, сахароза – сахараза); 2). пептидазы – гидролиз пептидных связей; 3). эстеразы – разрыв связи в сложных эфирах.

Систематическое название субстрат–что отщепляется–гидролаза

или субстрат–гидролаза

Ацетилхолин + Н 2 О ↔ Ацетат + Холин

Систематическое название: Ацетилхолин-ацилгидролаза (Ацетилхолин-гидролаза)

Тривиальное название: Ацетилхолинэстераза

Глюкозо-6ф + Н 2 О → глюкоза + Н 3 РО 4

Систематическое название: Глюкозо-6ф-фосфогидролаза

Тривиальное название: Глюкозо-6ф-фосфотаза

Лиазы

Отщепление групп от субстратов по негидролитическому механизму с образованием двойных связей (или наоборот, присоединение по двойной связи). Реакции обратимы, за исключением отщепления СО 2 .

В реакцию вступает 1 вещество и 2 образуются (или наоборот): -SХ-SY- ↔ XY + -S=S-

Систематическое название субстрат: что отщепляется–лиаза

L-малат ↔ фумарат + Н 2 О

Систематическое название: L-малат: гидро– лиаза

Тривиальное название: фумараза

Изомеразы

Взаимопревращения оптических, геометрических, позиционных изомеров. В реакцию вступает 1 вещество и 1 образуется. Исходя из типа катализируемой реакции изомеризации выделяется несколько подклассов: 1) рацемазы; 2) эпимеразы; 3) таутамеразы; 4) цис,- трансизомеразы; 5) мутазы (при внутримолекулярном переносе группы); 6) цикло-, оксоизомеразы.

Систематическое название субстрат –вид изомеризации –изомераза или субстрат –продукт –изомераза

Фумаровая к-та ↔ малеиновая к-та

Систематическое название: фумарат– цис,транс– изомераза

гл-6ф ↔ фр-6ф

Систематическое название: гл-6ф– фр-6ф– изомераза

Лигазы (синтетазы)

Соединение 2 молекул с использованием энергии макроэргических соединений (АТФ и др). В реакцию вступают 3 вещества, образуется 3 вещества.

Систематическое название субстрат: субстрат –лигаза (источник энергии)

АТФ + L-глутамат + NH 4 + → АДФ + Фн + L-глутамин

Систематическое название: L-глутамат: аммиак– лигаза (АТФ → АДФ + Фн)

Тривиальное название: глутаминсинтетаза

АТФ + ПВК + СО 2 → АДФ + Фн + ЩУК

Систематическое название: ПВК: СО 2 – лигаза (АТФ → АДФ + Фн)

Тривиальное название: пируваткарбокилаза

ЛЕКЦИЯ № 2

Клеточная сигнализация

В многоклеточных организмах поддержание гомеостаза обеспечивают 3 системы:

1). нервная, 2). гуморальная, 3). иммунная.

Регуляторные системы функционируют с участием сигнальных молекул.

Сигнальные молекулы – это органические вещества, которые переносят информацию.

К сигнальным молекулам относятся гормоны, нейромедиаторы, факторы роста, цитокины и эйкозаноиды.

ЦНС для передачи сигнала использует нейромедиаторы, гуморальная система – гормоны, иммунная - цитокины.

Гормоны, это сигнальные молекулы беспроводного системного действия.

Отличием истинных гормонов от других сигнальных молекул, является то, что они синтезируются в специализированных эндокринных клетках, транспортируются кровью и действуют дистантно на ткани мишени.

Гормоны по строению делятся: на

белковые (гормоны гипоталамуса, гипофиза),

производные аминокислот (тиреоидные, катехоламины)

и стероидные (половые, кортикоиды).

Пептидные гормоны и катехоламины растворимы в воде, они регулируют преимущественно каталитическую активность ферментов.

Стероидные и тиреоидные гормоны водонерастворимы, они регулируют преимущественно количество ферментов.

Гормоны влияют на активность и количество ферментов в клетке не напрямую, а через каскадные системы (аденилатциклазную, гуанилатциклазную, инозитолтрифосфатную, RAS и т.д.), состоящие из:

1. рецепторов;

2. регуляторных белков (G-белки, IRS, Shc, STAT и т.д.).

3. вторичных посредников, (messenger - посыльный) (Са 2+ , цАМФ, цГМФ, ДАГ, ИТФ);

4. ферментов (аденилатциклаза, фосфолипаза С, фосфодиэстераза, протеинкиназы А, С, G, фосфопротеинфосфотаза);

Необходимость каскадных систем связана с тем, что, во-первых, водорастворимые гормоны не проходят клеточную мембрану, во-вторых, эти системы обеспечивают усиление первичного сигнала гормонов в миллионы раз. В результате даже одна молекула гормона способна активировать миллионы ферментов и вызвать метаболический эффект.

Водонерастворимые гормоны самостоятельно проходят клеточные мембраны и реализуют свой эффект с участием цитоплазматических и ядерных рецепторов.

Рецепторы

Рецепторы - это белки, встроенные в клеточную мембрану или находящиеся внутри клетки, которые, взаимодействуя с сигнальными молекулами, меняют активность регуляторных белков.

По локализации рецепторы делятся на : 1) цитоплазматические; 2) ядерные; 3) мембранные.

По эффекту рецепторы делятся на: активаторные (активируют каскадные системы) и ингибиторные (блокируют каскадные системы).

Регуляторные белки

G-белки - универсальные посредники, передающие сигнал от рецепторов к ферментам клеточных мембран.

В настоящее время известно более 50 G-белков:

· Gs-белок активирует аденилатциклазу . Масса 80000-90000Да.

· Gi-белок ингибирует аденилатциклазу . Масса 80000-90000Да. Через рецептор, активируется соматостатином.

· Gq-белок активирует фосфолипазу С .

· G-белки влияют на активность фосфодиэстеразы , фосфолипазы А 2 , некоторые типы Са 2+ - и K + -каналов .

· G-белки также обеспечивают передачу сигнала в сенсорных клетках (фоторецепторных, обонятельных и вкусовых): Свет → родопсин → Gt → ФДЭ цГМФ → (цГМФ→ГМФ)

G-белки олигомеры, состоят из 3 субъединиц α, β, γ.

β-субъединицы (35000 Да) у Gs- и Gi-белков одинаковы.

α- субъединицы (41000 Да у Gi, 45000 Да у Gs) кодируются разными генами и обеспечивают специфический ответ (“+” или “-”).

STAT белки.

Ферменты

Ферменты каскадных систем катализируют:

• образование вторичных посредников гормонального сигнала;
• активацию и ингибирование других ферментов;
• превращение субстратов в продукты;

Аденилатциклаза (АЦ)

Гликопротеин с массой от 120 до 150 кДа, имеет 8 изоформ, ключевой фермент аденилатциклазной системы, с Mg 2+ катализирует образование вторичного посредника цАМФ из АТФ.

АЦ содержит 2 –SH группы, одна для взаимодействия с G-белком, другая для катализа. АЦ содержит несколько аллостерических центров: для Mg 2+ , Mn 2+ , Ca 2+ , аденозина и форсколина.

Есть во всех клетках, располагается на внутренней стороне клеточной мембраны. Активность АЦ контролируется: 1) внеклеточными регуляторами - гормонами, эйкозаноидами, биогенными аминами через G-белки; 2) внутриклеточным регулятором Са 2+ (4 Са 2+ -зависимые изоформы АЦ активируются Са 2+).

Протеинкиназа А (ПК А)

ПК А есть во всех клетках, катализируют реакцию фосфорилирования ОН- групп серина и треонина регуляторных белков и ферментов, участвует в аденилатциклазной системе, стимулируется цАМФ. ПК А состоит из 4 субъединиц: 2 регуляторных R (масса 38000 Да) и 2 каталитических С (масса 49000 Да). Регуляторные субъединицы имеют по 2 участка связывания цАМФ. Тетрамер не обладает каталитической активностью. Присоединение 4 цАМФ к 2 субъединицам R приводит к изменению их конформации и диссоциации тетрамера. При этом высвобождаются 2 активные каталитические субъединицы С, которые катализируют реакцию фосфорилирования регуляторных белков и ферментов, что изменяет их активность.

Протеинкиназа С (ПК С)

ПК С участвует в инозитолтрифосфатной системе, стимулируется Са 2+ , ДАГ и фосфатидилсерином. Имеет регуляторный и каталитический домен. ПК С катализирует реакцию фосфорилирования белков-ферментов.

Протеинкиназа G (ПК G) есть только в легких, мозжечке, гладких мышцах и тромбоцитах, участвует в гуанилатциклазной системе. ПК G содержит 2 субъединицы, стимулируется цГМФ, катализирует реакцию фосфорилирования белков-ферментов.

Фосфолипаза С (ФЛ С)

Гидролизует фосфоэфирную связь в фосфатидилинозитолах с образованием ДАГ и ИФ 3 , имеет 10 изоформ. ФЛ С регулируется через G-белки и активируется Са 2+ .

Фосфодиэстеразы (ФДЭ)

ФДЭ превращает цАМФ и цГМФ в АМФ и ГМФ, инактивируя аденилатциклазную и гуанилатциклазную систему. ФДЭ активируется Са 2+ , 4Са 2+ -кальмодулином, цГМФ.

NO-синтаза – это сложный фермент, представляющий собой димер, к каждой из субъединиц которого присоединено несколько кофакторов. NO-синтаза имеет изоформы.

Синтезировать и выделять NO способно большинство клеток организма человека и животных, однако наиболее изучены три клеточные популяции: эндотелий кровеносных сосудов, нейроны и макрофаги. По типу синтезирующей ткани NO-синтаза имеет 3 основные изоформы: нейрональную, макрофагальную и эндотелиальную (обозначаются соответственно как NO-синтаза I, II и III).

Нейрональная и эндотелиальная изоформы NO-синтазы постоянно присутствуют в клетках в небольших количествах, и синтезируют NO в физиологических концентрациях. Их активирует комплекс кальмодулин-4Са 2+ .

NO-синтаза II в макрофагах в норме отсутствует. При воздействии на макрофаги липополисахаридов микробного происхождения или цитокинов они синтезируют огромное количество NO-синтазы II (в 100-1000 раз больше чем NO-синтазы I и III), которая производит NO в токсических концентрациях. Глюкокортикоиды (гидрокортизон, кортизол), известные своей противовоспалительной активностью, ингибируют экспрессию NO-синтазы в клетках.

Действие NO

NO - низкомолекулярный газ, легко проникает через клеточные мембраны и компоненты межклеточного вещества, обладает высокой реакционной способностью, время его полураспада в среднем не более 5 с, расстояние возможной диффузии небольшое, в среднем 30 мкм.

В физиологических концентрациях NO оказывает мощное сосудорасширяющее действие :

· Эндотелий постоянно продуцирует небольшие количества NO.

· При различных воздействиях – механических (например, при усилении тока или пульсации крови), химических (липополисахариды бактерий, цитокины лимфоцитов и кровяных пластинок и т.д.) – синтез NO в эндотелиальных клетках значительно повышается.

· NO из эндотелия диффундирует к соседним гладкомышечным клеткам стенки сосуда, активирует в них гуанилатциклазу, которая синтезирует через 5с цГМФ.

· цГМФ приводит к снижению уровня ионов кальция в цитозоле клеток и ослаблению связи между миозином и актином, что и позволяет клеткам через 10 с расслабляться.

На этом принципе действует препарат нитроглицерин. При расщеплении нитроглицерина образуется NO, приводящий к расширению сосудов сердца и снимающий в результате этого чувство боли.

NO регулирует просвет мозговых сосудов. Активация нейронов какой-либо области мозга приводит к возбуждению нейронов, содержащих NO-синтазу, и/или астроцитов, в которых также может индуцироваться синтез NO, и выделяющийся из клеток газ приводит к локальному расширению сосудов в области возбуждения.

NO участвует в развитии септического шока, когда большое количество микроорганизмов, циркулирующих в крови, резко активируют синтез NO в эндотелии, что приводит к длительному и сильному расширению мелких кровеносных сосудов и как следствие – значительному снижению артериального давления, с трудом поддающемуся терапевтическому воздействию.

В физиологических концентрациях NO улучшает реологические свойства крови :

NO, образующийся в эндотелии, препятствует прилипанию лейкоцитов и кровяных пластинок к эндотелию и также снижает агрегацию последних.

NO может выступать в роли антиростового фактора, препятствующего пролиферации гладкомышечных клеток стенки сосудов, важного звена в патогенезе атеросклероза.

В больших концентрациях NO оказывает на клетки (бактериальные, раковые и т.д) цитостатическое и цитолитическое действие следующим образом:

· при взаимодействии NO с радикальным супероксид анионом образуется пероксинитрит (ONOO-), который является сильным токсичным окислителем;

· NO прочно связывается с геминовой группой железосодержащих ферментов и ингибирует их (ингибирование митохондриальных ферментов окислительного фосфорилирования блокирует синтез АТФ, ингибирование ферментов репликации ДНК способствуют накоплению в ДНК повреждений).

· NO и пероксинитрит могут непосредственно повреждать ДНК, это приводит к активации защитных механизмов, в частности стимуляции фермента поли(АДФ-рибоза) синтетазы, что еще больше снижает уровень АТФ и может приводить к клеточной гибели (через апоптоз).

Литература

1. Филиппов П.П. «Как внешние сигналы передаются внутрь клетки». Соросовский образовательный журнал, № 3, 1998, с 28-34.

ЛЕКЦИЯ № 3

I. Энзимопатология

Энзимопатология – это наука, которая изучает энзимопатии.

Энзимопатии – это группа заболеваний, которые вызваны различными дефектами ферментов. Энзимопатий делятся на: наследственные (первичные) и приобретенные (вторичные).

Наследственные энзимопатии

Наследственные энзимопатии – это заболевания, вызванные наследственными нарушениями биосинтеза ферментов или их структуры и функции.

Полное или частичное нарушения биосинтеза ферментов вызывают дефекты генов регуляторных белков, которые контролируют синтез ферментов:

Нарушение структуры и функции ферментов вызывают дефекты генов этих ферментов:

У образовавшегося фермента наблюдаются структурные изменения, которые проявляются в изменении его каталитической активности (как правило, она исчезает), чувствительности к активаторам и ингибиторам, сродству к субстратам, оптимумам рН, температуры. В связи с этим изучением констант фермента является решающим в постановке диагноза врожденных энзимопатий.

Наследственные энзимопатии по типу нарушений метаболизма делят на:

1. нарушения обмена аминокислот: фенилкетонурия, альбинизм, алкаптонурия и др.;

2. нарушения углеводного обмена: галактоземия, наследственная непереносимость фруктозы, гликогенозы;

3. нарушения липидного обмена: липидозы;

4. нарушения обмена нуклеиновых оснований: подагры, синдрома Леш-Нихана и др.;

5. нарушение обмена в соединительной ткани: мукополисахаридозы, хондродистрофия и др.;

6. дефекты ферментов в ЖКТ: муковисцидоз, целиакия, непереносимость лактозы и др.

7. нарушения обмена стероидов и т.д.

В норме метаболический путь протекает следующим образом:

Из-за дефекта в метаболическом пути (цикле, шунте) одного из ферментов в организме происходит накопление промежуточных продуктов (часто токсичных в высоких концентрациях) и дефицит жизненно необходимых конечных продуктов, что приводит к клиническим проявлениям:

Пример: фенилпировиноградная олигофрения – наследственное заболевание, приводящее в раннем детстве к гибели ребенка или к развитию у него тяжелой умственной отсталости.

Причиной заболевания является отсутствие в печени фермента фен-4-монооксигеназы, которая обеспечивает превращение незаменимой аминокислоты Фен в Тир:

Эта реакция необходима для катаболизма Фен, т.е. удаления его излишков. При отсутствии фен-4-монооксигеназы в организме происходит накопление Фен и превращение его в различные производные: фенилпировиноградную, фенилмолочную и фенилуксусную кислоты.

Фен и его производные в высоких концентрациях токсичны, накапливаясь в тканях, они оказывают на них повреждающее действие. Самой чувствительной к Фен и его производным оказывается нервная ткань детей, она поражается в первую очередь.

Диагноз фенилкетонурия ставят на основании обнаружения Фен в крови или фенилпировиноградной кислоты на пеленках детей. Лечение в основном сводится к исключению из питания ребенка Фен. Для такого ребенка Тир оказывается незаменимой аминокислотой.

Другое тяжелое наследственное заболевание – галактеземия (непереносимость молочного сахара), связано с отсутствием синтеза в печени ферментов, катализирующих превращение галактозы в глюкозу. В результате в раннем возврате происходит накопление в тканях галактозы, приводящее к развитию катаракты, поражению печени, мозга, нередко вызывающее гибель ребенка. Лечение в данном случае сводиться к исключению из диеты молочного сахара.

Приобретенные энзимопатии

Приобретенные энзимопатии делятся на: алиментарные, токсические и вызванные различными патологическими состояниями организма.

А). Алиментарные энзимопатии – это заболевания, вызванные изменением количества и активности ферментов вследствие нарушения характера питания.

Алиментарные энзимопатии вызываются дефицитом или дисбалансом в пище:

ü витаминов (гипо-, авитаминозы);

ü макро- и микроэлементов;

ü аминокислот;

ü жирных кислот;

ü других БАВ

Например, алиментарная энзимопатия, вызванная недостаточностью витамина А, проявляется нарушением сумеречного зрения (куриная слепота), воспалением слизистых глаз, ЖКТ, кожи.

Б). Токсические энзимопатии – это заболевания, вызванные нарушением активности ферментов вследствие действия токсических веществ. Токсическим веществами являются многие ксенобиотики (соли тяжелых металлов, пестициды, гербециды и т.д.), а также некоторые метаболиты в высоких концентрациях (алкоголь).

Токсические вещества могут либо избирательно угнетать активность (через денатурацию или ингибирование) или синтез отдельных ферментов, либо угнетать весь биосинтез белка (и соответственно всех ферментов).

Примеры:

ü Цианиды и СО прочно связываются с геминовым Fe активного центра цитохромов, что угнетает их активность;

ü Фториды угнетают активность ферментов, содержащих в активном центре Mg 2+ ;

ü Ингибиторы, содержащиеся в соевых продуктах, яйцах домашней птицы угнетают активность протеаз ЖКТ - трипсина, химотрипсина, эластазы;

ü Антивитамины, присутствующие в некоторых пищевых продуктах, или разрушают витамины или конкурентно замещают их в молекулах ферментов, что приводит к угнетению активности этих ферментов.

В). Энзимопатии, вызванные различными патологическими состояниями организма . Так как ферменты имеют оптимумы t, рН и давления, практически любое заболевание, вызывающее нарушения КОС, изменение температуры тела, концентрации активаторов и ингибиторов, меняет активность ферментов организма.

Например, при ацидозе и повышении температуры возрастает активность катаболических (лизосом) и падает активность анаболических ферментов.

Ферменты в медицинской практике находят применение в качестве диагностических (энзимодиагностика) и терапевтических (энзимотерапия) средств.

II Энзимодиагностика

Энзимодиагностика (энзим[ы] + греч. diagnostikos способный распознавать) – методы диагностики болезней, патологических состояний и процессов, основанные на определении активности ферментов в биологических жидкостях.

Направления энзимодиагностики:

III Энзимотерапия

Энзимотерапия – применение ферментов животного, бактериального или растительного происхождения и регуляторов активности ферментов с лечебной целью.

Внедрению ферментных препаратов в современную клиническую практику способствовало развитие технологий получения обогащенных ферментами препаратов и очищенных ферментов.

В энзимотерапии существует насколько направлений:

1. Лекарственные препараты на основе ферментов . В качестве лекарственных препаратов наиболее широко используются гидролитические ферменты.

1). Протеолитические ферменты применяются при нарушении пищеварения. Например:

а). Экстракты слизистой оболочки желудка, основным действующим веществом которых является пепсин. Это препараты абомин и ацидинпепсин , их в основ

Глава IV .3.

Ферменты

Обменвеществ в организме можно определить как совокупность всех химических превращений, которым подвергаются соединения, поступающие извне. Эти превращения включают все известные виды химических реакций: межмолекулярный перенос функциональных групп, гидролитическое и негидролитическое расщепления химических связей, внутримолекулярная перестройка, новообразование химических связей и окислительно - восстановительные реакции. Такие реакции протекают в организме с чрезвычайно большой скоростью только в присутствии катализаторов. Все биологические катализаторы представляют собой вещества белковой природы и носят названия ферменты (далее Ф) или энзимы (Е).

Ферменты не являются компонентами реакций, а лишь ускоряют достижение равновесия увеличивая скорость как прямого, так и обратного превращения. Ускорение реакции происходит за счет снижении энергии активации – того энергетического барьера, который отделяет одно состояние системы (исходное химическое соединение) от другого (продукт реакции).

Ферменты ускоряют самые различные реакции в организме. Так достаточно простая с точки зрения традиционной химии реакция отщепления воды от угольной кислоты с образованием СО 2 требует участия фермента, т.к. без него она протекает слишком медленно для регулирования рН крови. Благодаря каталитическому действию ферментов в организме становится возможным протекание таких реакций, которые без катализатора шли бы в сотни и тысячи раз медленнее.

Свойства ферментов

1. Влияние на скорость химической реакции: ферменты увеличивают скорость химической реакции, но сами при этом не расходуются.

Скорость реакции – это изменение концентрации компонентов реакции в единицу времени. Если она идет в прямом направлении, то пропорциональна концентрации реагирующих веществ, если в обратном – то пропорциональна концентрации продуктов реакции. Отношение скоростей прямой и обратной реакций называется константой равновесия. Ферменты не могут изменять величины константы равновесия, но состояние равновесия в присутствии ферментов наступает быстрее.

2. Специфичность действия ферментов. В клетках организма протекает 2-3 тыс. реакций, каждая из которые катализирутся определенным ферментом. Специфичность действия фермента – это способность ускорять протекание одной определенной реакции, не влияя на скорость остальных, даже очень похожих.

Различают:

Абсолютную – когда Ф катализирует только одну определенную реакцию (аргиназа – расщепление аргинина)

Относительную (групповую спец) – Ф катализирует определенный класс реакций (напр. гидролитическое расщепление) или реакции при участии определенного класса веществ.

Специфичность ферментов обусловлена их уникальной аминокислотной последовательностью, от которойзависит конформация активного центра, взаимодействующего с компонентами реакции.

Вещество, химическое превращение которого катализируется ферментом носит название субстрат ( S ) .

3. Активность ферментов – способность в разной степени ускорять скорость реакции. Активность выражают в:

1) Международных единицах активности – (МЕ) количество фермента, катализирующего превращение 1 мкМ субстрата за 1 мин.

2)Каталах (кат) – количество катализатора (фермента), способное превращать 1 моль субстрата за 1 с.

3) Удельной активности – число единиц активности (любых из вышеперечисленных) в исследуемом образце к общей массе белка в этом образце.

4) Реже используют молярную активность – количество молекул субстрата превращенных одной молекулой фермента за минуту.

Активность зависит в первую очередь от температуры . Наибольшую активность тот или иной фермент проявляет при оптимальной температуре. Для Ф живого организма это значение находится в пределах +37,0 - +39,0 ° С, в зависимости от вида животного. При понижении температуры, замедляется броуновское движение, уменьшается скорость диффузии и, следовательно, замедляется процесс образования комплекса между ферментом и компонентами реакции (субстратами). В случае повышения температуры выше +40 - +50 ° С молекула фермента, которая является белком, подвергается процессу денатурации. При этом скорость химической реакции заметно падает (рис. 4.3.1.).

Активность ферментовзависит также от рН среды . Для большинства из них существует определенное оптимальное значение рН, при котором их активность максимальна. Поскольку в клетке содержатся сотни ферментов и для каждого из них существуют свои пределы опт рН, то изменение рН это один из важных факторов регуляции ферментативной активности. Так, в результате одной химреакции при участии определенного фермента рН опт которого лежит в перделах 7.0 – 7.2 образуется продукт, который является кислотой. При этом значение рН смещается в область 5,5 – 6.0. Активность фермента резко снижается, скорость образования продуктазамедляется, но при этом активизируется другой фермент, для которого эти значения рН оптимальны и продукт первой реакции подвергается дальнейшему химическому превращению. (Еще пример про пепсин и трипсин).

Химическая природа ферментов. Строение фермента. Активный и аллостерический центры

Все ферменты это белки с молекулярной массой от 15 000 до нескольких млн Да. По химическому строению различают простые ферменты (состоят только из АК) и сложные ферменты (имеют небелковую часть или простетическую группу). Белковая часть носит название – апофермент, а небелковая, если она связана ковалентно с апоферментом, то называется кофермент, а если связь нековалентная (ионная, водородная) – кофактор . Функции простетической группы следующие: участие в акте катализа, осуществление контакта между ферментом и субстратом, стабилизация молекулы фермента в пространстве.

В роли кофактора обычно выступают неорганические вещества- ионы цинка, меди, калия, магния, кальция, железа, молибдена.

Коферменты можно рассматривать как составную часть молекулы фермента. Это органические вещества, среди которых различают: нуклеотиды (АТФ , УМФ , и пр), витамины или их производные (ТДФ – из тиамина (В 1 ), ФМН – из рибофлавина (В 2 ), коэнзим А – из пантотеновой кислоты (В 3 ), НАД и пр) и тетрапиррольные коферменты – гемы.

В процессе катализа реакции в контакт с субстратом вступает не вся молекула фермента, а определенный ее участок, который называется активным центром . Эта зона молекулы не состоит из последовательности аминокислот, а формируется при скручивании белковой молекулы в третичную структуру. Отдельные участки аминокислот сближаются между собой, образуя определенную конфигурацию активного центра. Важная особенность строения активного центра - его поверхность комплементарна поверхности субстрата, т.е. остатки АК этой зоны фермента способны вступать в химическое взаимодействие с определенными группами субстрата. Можно представить, что активный центр фермента совпадает со структурой субстрата как ключ и замок.

В активном центре различают две зоны: центр связывания , ответственный за присоединение субстрата, и каталитический центр , отвечающий за химическое превращение субстрата. В состав каталитического центра большинства ферментов входят такие АК, как Сер, Цис, Гис, Тир, Лиз. Сложные ферменты в каталитическом центре имеют кофактор или кофермент.

Помимо активного центра ряд ферментов снабжен регуляторным (аллостерическим) центром. С этой зоной фермента взаимодействуют вещества, влияющие на его каталитическую активность.

Механизм действия ферментов

Акт катализа складывается из трех последовательных этапов.

1. Образование фермент-субстратного комплекса при взаимодействии через активный центр.

2. Связывание субстрата происходит в нескольких точках активного центра, что приводит к изменению структуры субстрата, его деформации за счет изменения энергии связей в молекуле. Это вторая стадия и называется она активацией субстрата. При этом происходит определенная химическая модификация субстрата и превращение его в новый продукт или продукты.

3. В результате такого превращения новое вещество (продукт) утрачивает способность удерживаться в активном центре фермента и фермент-субстратный, вернее уже фермент-продуктный комплекс диссоциирует (распадается).

Виды каталитических реакций:

А+Е = АЕ = БЕ = Е + Б

А+Б +Е = АЕ+Б = АБЕ = АБ + Е

АБ+Е = АБЕ = А+Б+Е,где Е - энзим, А и Б - субстраты, либо продукты реакции.

Ферментативные эффекторы - вещества, изменяющие скорость ферментативного катализа и регулирующие за счет этого метаболизм. Среди них различают ингибиторы - замедляющие скорость реакции и активаторы - ускоряющие ферментативную реакцию.

В зависимости от механизма торможения реакции различают конкурентные и неконкурентные ингибиторы. Строение молекулы конкурентного ингибитора сходно со структурой субстрата и совпадает с поверхностью активного центра как ключ с замком (или почти совпадает). Степень этого сходства может даже быть выше чем с субстратом.

Если А+Е = АЕ = БЕ = Е + Б, тоИ+Е = ИЕ ¹

Концентрация способного к катализу фермента при этом снижается и скорость образование продуктов реакции резко падает (рис. 4.3.2.).

В качестве конкурентных ингибиторов выступает большое число химических веществ эндогенного и экзогенного происхождения (т.е. образующихся в организме и поступающих извне – ксенобиотики, соответственно). Эндогенные вещества являются регуляторами метаболизма и называются антиметаболитами. Многие из них используют при лечении онкологических и микробных заболеваний, тк. они ингибируют ключевые метаболичекие реакции микроорганизмов (сульфаниламиды) и опухолевых клеток. Но при избытке субстрата и малой концентрации конкурентного ингибитора его действие отменяется.

Второй вид ингибиторов - неконкурентные. Они взаимодействую с ферментом вне активного центра и избыток субстрата не влияет на их ингибирующую способность, как в случае с конкурентными ингибиторами. Эти ингибиторы взаимодействуют или с определенными группами фермента (тяжелые металлы связываются с тиоловыми группами Цис) или чаще всего регуляторным центром, что снижает связывающую способность активного центра. Собственно процесс ингибирования - это полное или частичное подавление активности фермента при сохранении его первичной и пространственной структуры.

Различают также обратимое и необратимое ингибирование. Необратимые ингибиторы инактивируют фермент, образуя с его АК или другими компонентами структуры химическую связь. Обычно это ковалентная связь с одним из участков активного центра. Такой комплекс практически недиссоциирует в физиологических условиях. В другом случае ингибитор нарушает конформационную структуру молекулы фермента - вызывает его денатурацию.

Действие обратимых ингибиторов может быть снято при переизбытке субстрата или под действием веществ, изменяющих химическую структуру ингибитора. Конкурентные и неконкурентные ингибиторы относятся в большинстве случаев к обратимым.

Помимо ингибиторов известны еще активаторы ферментативного катализа. Они:

1) защищают молекулу фермента от инактивирующих воздействий,

2) образуют с субстратом комплекс, который более активно связывается с активным центром Ф,

3) взаимодействуя с ферментом, имеющим четвертичную структуру, разъединяют его субъединицы и тем самым открывают доступ субстрату к активному центру.

Распределение ферментов в организме

Ферменты, участвующие в синтезе белков, нуклеиновых кислот и ферменты энергетического обмена присутствуют во всех клетках организма. Но клетки, которые выполняют специальные функции содержат и специальные ферменты. Так клетки островков Лангерганса в поджелудочной железе содержат ферменты, катализирующие синтез гормонов инсулина и глюкагона. Ферменты, свойственные только клеткам определенных органов называют органоспецифическими: аргиназа и урокиназа - печень, кислая фосфатаза - простата. По изменению концентрации таких ферментов в крови судят о наличии патологий в данных органах.

В клетке отдельные ферменты распределены по всей цитоплазме, другие встроены в мембраны митохондрий и эндоплазматического ретикулума, такие ферменты образуют компартменты, в которых происходят определенные, тесно связанные между собой этапы метаболизма.

Многие ферменты образуются в клетках и секретируются в анатомические полости в неактивном состоянии - это проферменты. Часто в виде проферментов образуются протеолитические ферменты (расщепляющие белки). Затем под воздействием рН или других ферментов и субстратов происходит их химическая модификация и активный центр становится доступным для субстратов.

Существуют также изоферменты - ферменты, отличающиеся по молекулярной структуре, но выполняющие одинаковую функцию.

Номенклатура и классификация ферментов

Название фермента формируется из следующих частей:

1. название субстрата с которым он взаимодействует

2. характер катализируемой реакции

3. наименование класса ферментов (но это необязательно)

4. суффикс -аза-

пируват - декарбоксил - аза,сукцинат - дегидроген - аза

Посколькууже известно порядка 3 тыс. ферментов их необходимо классифицировать. В настоящее время принята международная классификация ферментов, в основу которой положен тип катализируемой реакции. Выделяют 6 классов, которые в свою очередь делятся на ряд подклассов (в данной книге представлены только выборочно):

1. Оксидоредуктазы. Катализируют окислительно-восстановительные реакции. Делятся на 17 подклассов. Все ферменты содержат небелковую часть в виде гема или производных витаминов В 2 , В 5 . Субстрат, подвергающийся окислению выступает как донор водорода.

1.1. Дегидрогеназы отщепляют от одного субстрата водород и переносят на другие субстраты. Коферменты НАД, НАДФ, ФАД, ФМН. Они акцептируют на себе отщепленный ферментом водород превращаясь при этом в восстановленную форму (НАДН, НАДФН, ФАДН) и переносят к другому фермент-субстратному комплексу, где его и отдают.

1.2. Оксидазы - катализирует перенос водорода на кислород с образованием воды или Н 2 О 2 . Ф. Цитохромокисдаза дыхательной цепи.

RH + NAD H + O 2 = ROH + NAD + H 2 O

1.3. Монооксидазы - цитохром Р450 . По своему строению одновременно гемо- и флавопротеид. Он гидроксилирует липофильные ксенобиотики (по вышеописанному механизму).

1.4. Пероксидазы и каталазы - катализируют разложение перекисиводорода, которая образуется в ходе метаболических реакций.

1.5. Оксигеназы - катализируют реакции присоединения кислорода к субстрату.

2. Трансферазы - катализируют перенос различных радикалов от молекулы донора к молекуле акцептору.

Аа + Е + В = Еа + А + В = Е + Ва + А

2.1. Метилтрансферазы (СН 3 -).

2.2.Карбоксил- и карбамоилтрансферазы.

2.2. Ацилтрансферазы – Кофермент А (перенос ацильной группы - R -С=О).

Пример: синтез нейромедиатора ацетилхолина (см.главу "Обмен белков").

2.3. Гексозилтрансферазы- катализируют перенос гликозильных остатков.

Пример: отщепление молекулы глюкозы от гликогена под действием фосфорилазы .

2.4. Аминотрансферазы - перенос аминогрупп

R 1- CO - R 2 + R 1 - CH - NH 3 - R 2 = R 1 - CH - NH 3 - R 2 + R 1- CO - R 2

Играют важную роль в превращении АК. Общим коферментом являнтся пиридоксальфосфат.

Пример: аланинаминотрансфераза (АлАТ): пируват + глутамат = аланин + альфа-кетоглутарат (см.главу "Обмен белков").

2.5. Фосфотрансфереза (киназа) - катализируют перенос остатка фосфорной кислоты. В большинстве случает донором фосфата является АТФ. В процессе расщепления глюкозы в основном принимают участие ферменты этого класса.

Пример: Гексо (глюко)киназа .

3. Гидролазы - катализируют реакции гидролиза, т.е. расщепление веществ с присоединением по месту разрыва связи воды. К этому классу относятся преимущественно пищеварительные ферменты, они однокомпонентные (не содержат небелковой части)

R1-R2 +H 2 O = R1H + R2OH

3.1. Эстеразы - расщепляют эфирные связи. Это большой подкласс ферментов, катализирующих гидролиз тиоловых эфиров, фосфоэфиров.
Пример: NH 2 ).

Пример: аргиназа (цикл мочевины).

4.Лиазы - катализируют реакции расщепления молекул без присоединения воды. Эти ферменты имеют небелковую часть в виде тиаминпирофосфата (В 1) и пиридоксальфосфата (В 6).

4.1. Лиазы связи С-С. Их обычно называют декарбоксилазами.

Пример: пируватдекарбоксилаза .

5.Изомеразы - катализируют реакции изомеризации.

Пример: фосфопентозоизомераза, пентозофосфатизомераза (ферменты неокислительной ветви пентозофосфатного пути).

6.Лигазы катализируют реакции синтеза более сложных веществ из простых. Такие реакции идут с затратой энергии АТФ. К названию таких ферментов прибавляют "синтетаза".

ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ IV .3.

1. Бышевский А. Ш., Терсенов О. А. Биохимия для врача // Екатеринбург: Уральский рабочий, 1994, 384 с.;

2. Кнорре Д. Г., Мызина С. Д. Биологическая химия. – М.: Высш. шк. 1998, 479 с.;

3. Филиппович Ю. Б., Егорова Т. А., Севастьянова Г. А. Практикум по общей биохимии // М.: Просвящение, 1982, 311с.;

4. Ленинджер А. Биохимия. Молекулярные основы структуры и функций клетки // М.: Мир, 1974, 956 с.;

5. Пустовалова Л.М. Практикум по биохимии // Ростов-на Дону: Феникс, 1999, 540 с.

Лекция 15. Ферменты: строение, свойства, функции.

План лекции:

1. Общая характеристика ферментов.

2. Строение ферментов.

3. Механизм ферментативного катализа.

4. Свойства ферментов.

5. Номенклатура ферментов.

6. Классификация ферментов.

7. изоферменты

8. Кинетика ферментативных реакций.

9. Единицы измерения ферментативной активности

1. Общая характеристика ферментов.

В нормальных физиологических условиях биохимические реакции в организме протекают с высокими скоростями, что обеспечивается биологическими катализаторами белковой природы – ферментами.

Их изучением занимается наука энзимология – наука об энзимах (ферментах), специфических белках – катализаторах, синтезируемых любой живой клеткой и активирующих различные биохимические реакции, протекающие в организме. Некоторые клетки могут содержать до 1000 различных ферментов.

2. Строение ферментов.

Ферменты – это белки с высокой молекулярной массой. Как всякие белки, ферменты имеют первичный, вторичный, третичный и четвертичный уровни организации молекул. Первичная структура представляет собой последовательное соединение аминокислот и обусловлена наследственными особенностями организма, именно она в значительной степени характеризует индивидуальные свойства ферментов. Вторичная структура ферментов организованна в виде альфа – спирали. Третичная структура имеет вид глобулы и участвует в формировании активного и других центров. Многие ферменты имеют четвертичную структуру и представляют собой объединение нескольких субъединиц, каждая из которых характеризуется тремя уровнями организации молекул различающихся друг от друга, как в качественном, так и в количественном соотношении.

Если ферменты представлены простыми белками, т. е. состоят только из аминокислот, их называют простыми ферментами. К простым ферментам относят пепсин, амилазу, липазу (практически все ферменты ЖКТ).

Сложные ферменты состоят из белковой и небелковой частей. Белковая часть фермента называется - апоферментом, небелковая – коферментом. Кофермент с апоферментом образуют холофермент. Кофермент может соединятся с белковой частью или только на время реакции, или связываться друг с другом постоянной прочной связью (тогда небелковая часть называется – простетической группой ). В любом случае небелковые компоненты принимают непосредственное участие в химических реакциях путем взаимодействия с субстратом. Коферменты могут быть представлены:

Нуклеозидтрифосфатами.

Минеральными веществами (цинк, медь, магний).

Активными формами витаминов (В 1 входит в состав фермента – декарбоксилазу, В 2 – входит в дегидрогеназу, В 6 – входит в трансферазы).

Основные функции коферментов :

Участие в акте катализа.

Осуществление контакта между ферментом и субстратом.

Стабилизация апофермента.

Апофермент, в свою очередь усиливает каталитическую активность небелковой части и определяет специфичность действия ферментов.

В каждом ферменте выделяют несколько функциональных центров.

Активный центр – зона молекулы фермента, которая специфически взаимодействует с субстратом. Активный центр представлен функциональными группами нескольких остатков аминокислот, именно в нем происходит присоединение и химическое превращение субстрата.

Аллостерический центр или регуляторный – это зона фермента ответственная за присоединение активаторов и ингибиторов. Данный центр участвует в регуляции активности фермента.

Эти центры находятся на разных участках молекулы фермента.