Строение ферментов

Строение ферментов

До последнего времени считалось, что абсолютно все ферменты являются веществами белковой природы. Но в 80-е годы была обнаружена каталитическая активность у некоторых низкомолекулярных РНК. Эти ферменты назвали рибозимами . Остальные, свыше 2000 известных в настоящее время ферментов, имеют белковую природу и характеризуются всеми свойствами белков.

По строению ферменты делятся на:

— простые или однокомпонентные;

— сложные или двухкомпонентные (холоферменты).

Простые ферменты представляют собой простые белки и при гидролизе распадаются только на аминокислоты. К числу простых ферментов относятся гидролитические ферменты (пепсин, трипсин, уреаза и др.).

Сложные белки являются сложными белками и, помимо, полипептидных цепей содержат небелковый компонент (кофактор ). К сложным белкам относится большинство ферментов.

Белковая часть двухкомпонентного фермента называется апоферментом.

Кофакторы могут иметь различную прочность связи с апоферментом.

Если кофактор прочно связан с полипептидной цепью, он называется простетической группой . Между простетической группой и апоферментом – ковалентная связь.

Если кофактор легко отделяется от апофермента и способен к самостоятельному существованию, то такой кофактор называется коферментом.

Между апоферментом и коферментом связи слабые – водородные, электростатические и др.

Химическая природа кофакторов крайне разнообразна. Роль кофакторов в двухкомпонентных ферментах играют:

1 – большинство витаминов (Е, К, Q, С, Н, В1. В2. В6. В12 и другие);

2- соединения нуклеотидной природы (НАД,НАДФ, АТФ, КоА, ФАД, ФМН), а также целый ряд других соединений;

3 – липолевая кислота;

4 – многие двухвалентные металлы (Мg 2+. Mn 2+ ,Ca 2+ и другие).

Все темы данного раздела:

Орел 2010
Автор:к.б.н, доцент кафедры «Технология хлебопекарного, кондитерского и макаронного производства» Е.А. Кузнецова Рецензент: к.т.н. д

Автоокисление и термоокисление жиров. Деструкция.
В процессе переработки и хранения жиров возможно ухудшение их качества в результате окислительных процессов, глубина и скорость которых зависит от природных свойств жира, температуры, наличия кисло

Термополимеризация жиров. Антиоксиданты.
Антиоксиданты (антиокислители, ингибиторы окисления) это вещества, замедляющие или предотвращающие окислительные процессы, приводящие к старению полимеров, прогорканию пищевых жиро

Роль белков в процессах жизнедеятельности.
Функции белков: 1. Ферментативная — в клетке участвуют в биохи­мических реакциях 2000 различных ферментов, и все они по химической природе — белки (простые или сложные). 2. Гормон

Отличие ферментов от неорганических катализаторов
1. Ферменты имеют более высокую каталитическую активность (выше в млн. раз); 2. Каталитическая активность проявляется в очень мягких условиях (умеренные температуры 37-40 ºС, нормальн

Активный центр ферментов.
Ферменты – высокомолекулярные вещества, молекулярный вес которых достигает нескольких млн. Молекулы субстратов, взаимодействующих с ферментами обычно имеют гораздо меньший размер. Поэтому естествен

Механизм действия ферментов
Механизм действия ферментов заключается в следующем. При соединении субстрат с ферментом образуется нестойкий фермент субстратный комплекс. В нем происходит активация молекулы субстрата за счет:

Специфичность
Способность фермента катализировать определенный тип реакции называют специфичностью. Специфичность бывает трех видов: 1. — относительная или групповая специфичность

Концентрация субстрата
Для ферментативных реакций характерно явление насыщения фермента субстратом. Заключается оно в том, что при увеличении концентрации S скорость сначала увеличивается, достигает максимального значени

Ингибирование.
Ингибиторы – вещества, замедляющие химическую реакцию Ингибиторы ферментов также имеют различную природу и различный механизм действия. Основные виды ингибиторов:

Водорастворимые витамины (строение, биохимическая роль).
Тиамин (В1). В химическом отношении витамин В1 представляет собой производное пиримидина и тиазола. Препарат витамина, получаемый синтетическим путем, представляет собо

Анаэробное расщепление углеводов (гликолиз). Спиртовое и молочнокислое брожение.
Гликолиз — процесс распада глюкозы (шестиуглеродного соединения) на два трехуглеродных в анаэробных условиях («лизис» — распад). Гликолиз в качестве начальной стадии дыхания почти универсале

Глиоксилатный цикл.
Глиоксилатный цикл представляет собой последовательность биохимических превращений уксусной кислоты, промежуточным продуктом которых является глиоксиловая кислота

Синтез и превращения углеводов. Синтез сахарозы и лактозы.
Углеводы в тканях являются подвижными соединениями. Наличие многочисленных ферментных систем позволяет непрерывно происходить в тканях процессам синтеза, распада и взаимопревращений углеводов.

Синтез жиров.
Основные этапы синтеза жиров включают образование глицерол-3-фосфата и жирных кислот, а затем сложноэфирных свя­зей между спиртовыми группами глицерола и карбоксильными груп­пами жирных кислот:

Пути синтеза аминокислот (прямое аминирование и переаминирование).
Еще сравнительно недавно считали, что биосинтез аминокислот может происходить только в надземных частях растений. Однако последующие исследования показали, что новообразование аминокислот может про

Пути превращения аминокислот (дезаминирование, декарбоксилирование).
Аминокислоты, образовавшиеся в растениях при восстановительном аминировании, переаминировании или другим путем, подвергаются непрерывному обмену. В основном, они используются для синтеза белков, но

Реакции транспептидации.
Разобранные нами этапы биосинтеза белков показывают, как может синтезироваться молекула белка заново из составляющих ее отдельных аминокислот. Однако, кроме этого основного пути, синтез белков може

Биосинтез пуриновых и пиримидиновых оснований.
Нуклеиновые кислоты играют очень важную роль в жизнедеятельности организмов и наряду с белками определяют главнейшие звенья обмена веществ, явления роста и размножения организмов, а также передачу

Распад нуклеиновых кислот
Распад нуклеиновых кислот до более простых соединений происходит в несколько стадий и катализируется рядом ферментов, которые содержатся в растениях. При определенных условиях распад нуклеин

Распад нуклеотидов и нуклеозидов.
Распад нуклеотидов. Отщепление фосфорной кислоты от нуклеотидов может происходить под действием многих фосфатаз. Фосфатазы проявляют активность и по отношению к другим моноэфирам фосфорной к

Строение ферментов

Ферменты относятся к простыме и сложныме белкам. Ферменты однокомпонентные – простые белки. К ним относятся гидролитические ферменты – пепсин, трипсин, папаин, уреаза, лизоцим, рибонуклеаза, фосфатаза и др.

Ферменты двухкомпонентные (сложные белки) – кроме белкового компонента, содержат небелковый компонент – кофермент. белковая часть называется апоферментом. а все вместе называется холоферментом .

Кофермент может быть связан с белковой частью ковалентной связью, но могут быть и слабые связи – водородные, электростатические взаимодействия и др.

В случаях слабой связи между коферментом и белковой частью при выделении может происходить диссоциация – отделение небелковой части и изолированный белковый компонент оказывается лишенной ферментативной активности. Такими коферментами являются витамины B1 – тиамин, B2 – рибофлавин, B6 – пиридоксол, PP – никотинамид и другие. Ферменты, содержащие их, при выделении, очистке, как правило, теряют активность и лишь при добавлении кофактора вновь приобретают активность. Многие двухвалентные металлы (Mg 2+. Mn 2+. Ca 2+ ) выполняют роль кофакторов, хотя их не относят к коферментам; в ряде случаев ионы металлов прочно связаны с белковой молекулой и выполняют функции простетической группы. Например: фермент, катализирующий окисление витамина С (аскорбиновой кислоты) в дезоксиаскорбиновую кислоту, содержит 8 атомов меди на молекулу. Все они прочно связаны с белковой молекулой, даже не обмениваются ионообменными смолами и не отделяются путем диализа. Доказано, что ионы меди принимают участие в переносе электронов.

Коферментами являются витамин PP (никотинамид), B2 (рибофлавин), пантотеновая кислота, фолиевая кислота, биотин (витамин H), B1 (тиамин), B6 (пиридоксин), B12 (цианкобаламин), витамин Q (убихинон); они связаны с нуклеотидами (НАД, НАДФ, ФМН, ФАД, KoA, ТДФ, ПФ и т.д.).

Кофакторами могут быть соединения, не являющиеся витаминами: HS -глутатион, АТФ, липоевая кислота, производные нуклеозидов (уридинфосфат, цитидинфосфат, фосфоаденозинфосфосульфат), порфиринсодержащие вещества и др. Сюда же могут быть отнесены т-РНК, которые в составе фермента аминоацил-т-РНК-синтетазы принимают участие в синтезе белка.

Следует подчеркнуть, что ни кофермент, ни апофермент в отдельности каталитической активностью не обладают. Лишь в виде комплекса они проявляют свою активность фермента.

Активный центр фермента

Молекула фермента, особенно у сложных ферментов, является очень крупной и при взаимодействии с субстратом в контакт входит лишь ее ограниченная часть – активный центр фермента. В активном центре фермента различают каталитический участок, непосредственно вступающий в химическое взаимодействие с субстратом и «контактную» (якорную) площадку, которая обеспечивает специфическое сродство к субстрату и формирование его комплекса с ферментом (рис. 4.1.).

Строение ферментов

Рис.4.1. Образование фермент-субстратного комплекса.

Выявление химической природы и топографии групп активного центра является важной проблемой – необходимо определить первичную структуру и взаиморасположение аминокислот в активном центре. Для решения этого вопроса применяют различные приемы (ингибиторы, частичный гидролиз и т.д.).

Сейчас известно, что первичная структура активного центра определяется генетически, что реализуется при синтезе белка в рибосомах. Любое воздействие, связанное с денатурацией, приводит к нарушению активного центра и соответственно к потере ферментативной активности. Если удается восстановить третичную структуру фермента, то восстанавливается функция активного центра, что было доказано для рибонуклеазы поджелудочной железы.

Ферменты имеют 1,2 и более активных центра. Фермент уреаза имеет 3 активных центра, а холинэстераза – 20 активных центров. Активный центр состоит из 8-10 аминокислотных остатков, чаще всего в него входят серии, гистидин, тирозин, триптофан, глутаминовая кислота.

В молекуле фермента различают также аллостерический центр (греч. аллос – другой, стериос – пространственный). Ферменты, активность которых контролируется состоянием как активного, так и аллостерического центра, получили название аллостерических ферментов, их называют также регуляторными ферментами.

Ферменты, имеют множественные молекулярные формы, которые называют изоферменты и гетероферменты.

Изоферментами (изоэнзимами) называют белки, обладающие ферментативной активностью и катализирующие одну и ту же реакцию. Они встречаются у одного и того же вида, но отличаются между собой физико-химическими свойствами. Некоторые из них различаются между собой сродством к субстрату, коферменту и ингибитору. Например, лактатдегидрогеназа (ЛДГ) осуществляет превращение молочной и пировиноградной кислот, имеет Мм 140000 Да, ее молекула состоит из четырех субъединиц. Различают ЛДГ-1, содержащийся в мышечной ткани сердца, и ЛДГ-2 в мышечной ткани скелета; они различаются по электрофоретической подвижности.

Гетероферментами называют каталитические молекулы белков, различающиеся по размерам молекул. Ферменты, выполняющие одинаковые функции, могут встречаться в различных формах не только у различных животных, у различных органов одного и того же животного, но и в разных частях клетки.

Изоферментам принадлежит роль в регуляции отдельных звеньев обмена веществ. Например: изофермент лактатдегидрогеназы из сердечной мышцы (ЛДГ-1) резко тормозится пируватом, а скелетной мышцы – ЛДГ-2- менее чувствителен к нему.

Биохимия ферментов. Строение, свойства и функции

В клетке любого живого организма протекают миллионы химических реакций. Каждая из них имеет большое значение, поэтому важно поддерживать скорость биологических процессов на высоком уровне. Почти каждая реакция катализируется своим ферментом. Что такое ферменты? Какова их роль в клетке?

Ферменты. Определение

Термин «фермент» происходит от латинского fermentum – закваска. Также они могут называться энзимами от греческого en zyme – «в дрожжах».

Ферменты – биологически активные вещества, поэтому любая реакция, протекающая в клетке, не обходится без их участия. Эти вещества выполняют роль катализаторов. Соответственно, любой фермент обладает двумя основными свойствами:

1) Энзим ускоряет биохимическую реакцию, но при этом не расходуется.

2) Величина константы равновесия не меняется, а лишь ускоряется достижение этого значения.

Ферменты ускоряют биохимические реакции в тысячу, а в некоторых случаях в миллион раз. Это значит, что при отсутствии ферментативного аппарата все внутриклеточные процессы практически остановятся, а сама клетка погибнет. Поэтому роль ферментов как биологически активных веществ велика.

Разнообразие энзимов позволяет разносторонне регулировать метаболизм клетки. В любом каскаде реакций принимает участие множество ферментов различных классов. Биологические катализаторы обладают большой избирательностью благодаря определенной конформации молекулы. Т. к. энзимы в большинстве случаев имеют белковую природу, они находятся в третичной или четвертичной структуре. Объясняется это опять же специфичностью молекулы.Строение ферментов

Функции энзимов в клетке

Главная задача фермента – ускорение соответствующей реакции. Любой каскад процессов, начиная с разложения пероксида водорода и заканчивая гликолизом, требует присутствия биологического катализатора.

Правильная работа ферментов достигается высокой специфичностью к определенному субстрату. Это значит, что катализатор может ускорять только определенную реакцию и никакую больше, даже очень похожую. По степени специфичности выделяют следующие группы энзимов:

1) Ферменты с абсолютной специфичностью, когда катализируется только одна-единственная реакция. Например, коллагеназа расщепляет коллаген, а мальтаза расщепляет мальтозу.

2) Ферменты с относительной специфичностью. Сюда входят такие вещества, которые могут катализировать определенный класс реакций, к примеру, гидролитическое расщепление.

Работа биокатализатора начинается с момента присоединения его активного центра к субстрату. При этом говорят о комплементарном взаимодействии наподобие замка и ключа. Здесь имеется в виду полное совпадение формы активного центра с субстратом, что дает возможность ускорять реакцию.

Следующий этап заключается в протекании самой реакции. Ее скорость возрастает благодаря действию ферментативного комплекса. В конечном итоге мы получаем энзим, который связан с продуктами реакции.

Заключительный этап – отсоединение продуктов реакции от фермента, после чего активный центр вновь становится свободным для очередной работы.

Схематично работу фермента на каждом этапе можно записать так:

1) S + E —9mdash;9gt; SE

2) SE —9mdash;9gt; SP

3) SP —9mdash;9gt; S + P. где S – это субстрат, E – фермент, а P – продукт.Строение ферментов

Классификация ферментов

В организме человека можно найти огромное количество ферментов. Все знания об их функциях и работе были систематизированы, и в итоге появилась единая классификация, благодаря которой можно легко определить, для чего предназначен тот или иной катализатор. Здесь представлены 6 основных классов энзимов, а также примеры некоторых подгрупп.

Ферменты этого класса катализируют окислительно-восстановительные реакции. Всего выделяют 17 подгрупп. Оксидоредуктазы обычно имеют небелковую часть, представленную витамином или гемом.

Среди оксидоредуктаз часто встречаются следующие подгруппы:

а) Дегидрогеназы. Биохимия ферментов-дегидрогеназ заключается в отщеплении атомов водорода и переносе их на другой субстрат. Эта подгруппа чаще всего встречается в реакциях дыхания, фотосинтеза. В составе дегидрогеназ обязательно присутствует кофермент в виде НАД/НАДФ или флавопротеидов ФАД/ФМН. Нередко встречаются ионы металлов. Примерами могут служить такие энзимы, как цитохромредуктазы, пируватдегидрогеназа, изоцитратдегидрогеназа, а также многие ферменты печени (лактатдегидрогеназа, глутаматдегидрогеназа и т. д.).

б) Оксидазы. Ряд ферментов катализирует присоединение кислорода к водороду, в результате чего продуктами реакции могут быть вода или пероксид водорода (H2 0, H2 02 ). Примеры ферментов: цитохромоксидаза, тирозиназа.

в) Пероксидазы и каталазы – энзимы, катализирующие распад H2 O2 на кислород и воду.

г) Оксигеназы. Эти биокатализаторы ускоряют присоединение кислорода к субстрату. Дофамингидроксилаза – один из примеров таких энзимов.

Задача ферментов этой группы состоит в переносе радикалов от вещества-донора к веществу-реципиенту.

а) Метилтрансферазы. ДНК-метилтрансферазы – основные ферменты, контролирующие процесс репликации ДНК. Метилирование нуклеотидов играет большую роль в регуляции работы нуклеиновой кислоты.

б) Ацилтрансферазы. Энзимы этой подгруппы транспортируют ацильную группу с одной молекулы на другую. Примеры ацилтрансфераз: лецитинхолестеринацилтрансфераза (переносит функциональную группу с жирной кислоты на холестерин), лизофосфатидилхолинацилтрансфераза (ацильная группа переносится на лизофосфатидилхолин).

в) Аминотрансферазы – ферменты, которые участвуют в превращении аминокислот. Примеры ферментов: аланинаминотрансфераза, которая катализирует синтез аланина из пирувата и глутамата путем переноса аминогруппы.

г) Фосфотрансферазы. Ферменты этой подгруппы катализируют присоединение фосфатной группы. Другое название фосфотрансфераз, киназы, встречается намного чаще. Примерами могут служить такие энзимы, как гексокиназы и аспартаткиназы, которые присоединяют фосфорные остатки к гексозам (чаще всего к глюкозе) и к аспарагиновой кислоте соответственно.

3. Гидролазы – класс энзимов, которые катализируют расщепление связей в молекуле с последующим присоединением воды. Вещества, которые относятся к этой группе, — основные ферменты пищеварения.

а) Эстеразы – разрывают эфирные связи. Пример – липазы, которые расщепляют жиры.

б) Гликозидазы. Биохимия ферментов этого ряда заключается в разрушении гликозидных связей полимеров (полисахаридов и олигосахаридов). Примеры: амилаза, сахараза, мальтаза.

в) Пептидазы – энзимы, катализирующие разрушение белков до аминокислот. К пептидазам относятся такие ферменты, как пепсины, трипсин, химотрипсин, карбоиксипептидаза.

г) Амидазы – расщепляют амидные связи. Примеры: аргиназа, уреаза, глутаминаза и т. д. Многие ферменты-амидазы встречаются в орнитиновом цикле.

4. Лиазы – ферменты, по функции схожие с гидролазами, однако при расщеплении связей в молекулах не затрачивается вода. Энзимы этого класса всегда имеют в составе небелковую часть, например, в виде витаминов В1 или В6.

а) Декарбоксилазы. Эти ферменты действуют на С-С связь. Примерами могут служить глутаматдекарбоксилаза или пируватдекарбоксилаза.

б) Гидратазы и дегидратазы – ферменты, которые катализируют реакцию расщепления связей С-О.

в) Амидин-лиазы – разрушают С-N связи. Пример: аргининсукцинатлиаза.

г) Р-О лиазы. Такие ферменты, как правило, отщепляют фосфатную группу от вещества-субстрата. Пример: аденилатциклаза.Строение ферментов

Биохимия ферментов основана на их строении

Способности каждого энзима определяются индивидуальным, только ему свойственным строением. Любой фермент – это, прежде всего, белок, и его структура и степень сворачивания играют решающую роль в определении его функции.

Для каждого биокатализатора характерно наличие активного центра, который, в свою очередь, делится на несколько самостоятельных функциональных областей:

1) Каталитический центр – это специальная область белка, по которой происходит присоединение фермента к субстрату. В зависимости от конформации белковой молекулы каталитический центр может принимать разнообразную форму, которая должна соответствовать субстрату так же, как замок ключу. Такая сложная структура объясняет то, что ферментативный белок находится в третичном или четвертичном состоянии.

2) Адсорбционный центр – выполняет роль «держателя9raquo;. Здесь в первую очередь происходит связь между молекулой фермента и молекулой-субстратом. Однако связи, которые образует адсорбционный центр, очень слабые, а значит, каталитическая реакция на этом этапе обратима.

3) Аллостерические центры могут располагаться как в активном центре, так и по всей поверхности фермента в целом. Их функция – регулирование работы энзима. Регулирование происходит с помощью молекул-ингибиторов и молекул-активаторов.

Строение ферментов

Активаторные белки, связываясь с молекулой фермента, ускоряют его работу. Ингибиторы же, напротив, затормаживают каталитическую активность, причем это может происходить двумя способами: либо молекула связывается с аллостерическим центром в области активного центра фермента (конкурентное ингибирование), либо она присоединяется к другой области белка (неконкурентное ингибирование). Конкурентное ингибирование считается более действенным. Ведь при этом закрывается место для связывания субстрата с ферментом, причем этот процесс возможен только в случае практически полного совпадения формы молекулы ингибитора и активного центра.

Энзим зачастую состоит не только из аминокислот, но и из других органических и неорганических веществ. Соответственно, выделяют апофермент – белковую часть, кофермент – органическую часть, и кофактор – неорганическую часть. Кофермент может быть представлен улгеводами, жирами, нуклеиновыми кислотами, витаминами. В свою очередь, кофактор – это чаще всего вспомогательные ионы металлов. Активность ферментов определяется его строением: дополнительные вещества, входящие в состав, меняют каталитические свойства. Разнообразные виды ферментов – это результат комбинирования всех перечисленных факторов образования комплекса.Строение ферментов

Регуляция работы ферментов

Энзимы как биологически активные вещества не всегда необходимы организму. Биохимия ферментов такова, что они могут в случае чрезмерного катализа навредить живой клетке. Для предотвращения пагубного влияния энзимов на организм необходимо каким-то образом регулировать их работу.

Т. к. ферменты имеют белковую природу, они легко разрушаются при высоких температурах. Процесс денатурации обратим, однако он может существенно повлиять на работу веществ.

pH также играет большую роль в регуляции. Наибольшая активность ферментов, как правило, наблюдается при нейтральных значениях pH (7,0-7,2). Также есть энзимы, которые работают только в кислой среде или только в щелочной. Так, в клеточных лизосомах поддерживается низкий pH, при котором активность гидролитических ферментов максимальна. В случае их случайного попадания в цитоплазму, где среда уже ближе к нейтральной, их активность снизится. Такая защита от «самопоедания9raquo; основана на особенностях работы гидролаз.

Стоит упомянуть о значении кофермента и кофактора в составе ферментов. Наличие витаминов или ионов металла существенно влияет на функционирование некоторых специфических энзимов.Строение ферментов

Номенклатура ферментов

Все ферменты организма принято называть в зависимости от их принадлежности к какому-либо из классов, а также по субстрату, с которым они вступают в реакцию. Иногда по систематической номенклатуре используют в названии не один, а два субстрата.

Примеры названия некоторых энзимов:

  1. Ферменты печени: лактат-дегидроген-аза, глутамат-дегидроген-аза.
  2. Полное систематическое название фермента: лактат-НАД+-оксидоредукт-аза.

Сохранились и тривиальные названия, которые не придерживаются правил номенклатуры. Примерами являются пищеварительные ферменты: трипсин, химотрипсин, пепсин.

Процесс синтеза ферментов

Функции ферментов определяются еще на генетическом уровне. Т. к. молекула по большому счету – белок, то и ее синтез в точности повторяет процессы транскрипции и трансляции.

Синтез ферментов происходит по следующей схеме. Вначале с ДНК считывается информация о нужном энзиме, в результате чего образуется мРНК. Матричная РНК кодирует все аминокислоты, которые входят в состав энзима. Регуляция ферментов может происходить и на уровне ДНК: если продукта катализируемой реакции достаточно, транскрипция гена прекращается и наоборот, если возникла потребность в продукте, активизируется процесс транскрипции.

После того как мРНК вышла в цитоплазму клетки, начинается следующий этап – трансляция. На рибосомах эндоплазматической сети синтезируется первичная цепочка, состоящая из аминокислот, соединенных пептидными связями. Однако молекула белка в первичной структуре еще не может выполнять свои ферментативные функции.

Активность ферментов зависит от структуры белка. На той же ЭПС происходит скручивание протеина, в результате чего образуются сначала вторичная, а потом третичная структуры. Синтез некоторых ферментов останавливается уже на этом этапе, однако для активизации каталитической активности зачастую необходимо присоединение кофермента и кофактора.

В определенных областях эндоплазматической сети происходит присоединение органических составляющих энзима: моносахаридов, нуклеиновых кислот, жиров, витаминов. Некоторые ферменты не могут работать без наличия кофермента.

Кофактор играет решающую роль в образовании четвертичной структуры белка. Некоторые функции ферментов доступны только при достижении белком доменной организации. Поэтому для них очень важно наличие четвертичной структуры, в которой соединяющим звеном между несколькими глобулами белка является ион металла.Строение ферментов

Множественные формы ферментов

Встречаются ситуации, когда необходимо наличие нескольких энзимов, катализирующих одну и ту же реакцию, но отличающихся друг от друга по каким-либо параметрам. Например, фермент может работать при 20 градусах, однако при 0 градусов он уже не сможет выполнять свои функции. Что делать в подобной ситуации живому организму при низких температурах среды?

Эта проблема легко решается наличием сразу нескольких ферментов, катализирующих одну и ту же реакцию, но работающих в разных условиях. Существуют два типа множественных форм энзимов:

  1. Изоферменты. Такие белки кодируются разными генами, состоят из разных аминокислот, однако катализируют одну и ту же реакцию.
  2. Истинные множественные формы. Эти белки транскрибируются с одного и того же гена, однако на рибосомах происходит модификация пептидов. На выходе получают несколько форм одного и того же фермента.

В результате первый тип множественных форм сформирован на генетическом уровне, когда второй – на посттрансляционном.

Значение ферментов

Использование ферментов в медицине сводится к выпуску новых лекарственных средств, в составе которых вещества уже находятся в нужных количествах. Ученые еще не нашли способ стимулирования синтеза недостающих энзимов в организме, однако сегодня широко распространены препараты, которые могут на время восполнить их недостаток.

Различные ферменты в клетке катализируют большое количество реакций, связанных с поддержанием жизнедеятельности. Одними из таких энизмов являются представители группы нуклеаз: эндонуклеазы и экзонуклеазы. Их работа заключается в поддержании постоянного уровня нуклеиновых кислот в клетке, удалении поврежденных ДНК и РНК.

Не стоит забывать о таком явлении, как свертывание крови. Являясь эффективной мерой защиты, данный процесс находится под контролем ряда ферментов. Главным из них является тромбин, который переводит неактивный белок фибриноген в активный фибрин. Его нити создают своеобразную сеть, которая закупоривает место повреждения сосуда, тем самым препятствуя излишней кровопотере.

Ферменты используются в виноделии, пивоварении, получении многих кисломолочных продуктов. Для получения спирта из глюкозы могут использоваться дрожжи, однако для удачного протекания этого процесса достаточно и экстракта из них. Строение ферментов

Интересные факты, о которых вы не знали

— Все ферменты организма имеют огромную массу — от 5000 до 1000000 Да. Это связано с наличием белка в составе молекулы. Для сравнения: молекулярная масса глюкозы — 180 Да, а углекислого газа — всего 44 Да.

— На сегодняшний день открыто более чем 2000 ферментов, которые были обнаружены в клетках различных организмов. Однако большинство из этих веществ до конца еще не изучено.

— Активность ферментов используется для получения эффективных стиральных порошков. Здесь энзимы выполняют ту же роль, что и в организме: они разрушают органические вещества, и это свойство помогает в борьбе с пятнами. Рекомендуется использовать подобный стиральный порошок при температуре не выше 50 градусов, иначе может пойти процесс денатурации.

— По статистике, 20% людей по всему миру страдает от недостатка какого-либо из ферментов.

— О свойствах энзимов знали очень давно, однако только в 1897 году люди поняли, что для сбраживания сахара в спирт можно использовать не сами дрожжи, а экстракт из их клеток.

Строение ферментов

9 знаменитых женщин, которые влюблялись в женщин Проявление интереса не к противоположному полу не является чем-то необычным. Вы вряд ли сможете удивить или потрясти кого-то, если признаетесь в том.

Строение ферментов

10 самых «фотогеничных» нарядов Вы прекрасно себя чувствуете в своем любимом свободном платье или огромном вязаном свитере и наслаждаетесь жизнью. Однако все меняется, как только вы.

Строение ферментов

Время бить тревогу: 11 признаков, что ваш партнер вам изменяет Измена — это самое страшное, что может случиться в отношениях двух людей. Причем, как правило, все происходит не как в фильмах или сериалах, а гораздо.

Строение ферментов

Что форма носа может сказать о вашей личности? Многие эксперты считают, что, посмотрев на нос, можно многое сказать о личности человека. Поэтому при первой встрече обратите внимание на нос незнаком.

Строение ферментов

Как выглядеть моложе: лучшие стрижки для тех, кому за 30, 40, 50, 60 Девушки в 20 лет не волнуются о форме и длине прически. Кажется, молодость создана для экспериментов над внешностью и дерзких локонов. Однако уже посл.

Строение ферментов

7 вещей, которые следует мыть и стирать каждый день Это может показаться еще одним пунктом в бесконечном списке ежедневных дел, но за этим кроется эффективный метод, который позволяет создать положитель.

4. Строение ферментов

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 его пределах различают Адсорбционный участок (центр) и каталитический участок (центр). Кроме того, вне активного центра фермента встречаются особые функциональные участки; каждый из них обозначают термином аллостерический центр.

Каталитический центр — это та область (зона) активного центра фермента, которая непосредственно участвует в химических преобразованиях субстрата. Формируется он за счет радикалов двух, иногда трех аминокислот, расположенных в разных местах полипептидной цепи фермента, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи. Например, каталитический центр «серин-гистидиновых9quot; ферментов формируется за счет радикалов аминокислот серина и гистидина. Если фермент является сложным белком, то в формировании каталитического центра нередко участвует простетическая группа молекулы фермента (кофермент). Коферментную функцию выполняют все водорастворимые витамины и жирорастворимый витамин K.

Адсорбционный центр — это участок активного центра молекулы фермента, на котором происходит сорбция (связывание) молекулы субстрата. Он формируется одним, двумя, чаще тремя радикалами аминокислот, которые обычно расположены рядом с каталитическим центром. Главная его функция — связывание молекулы субстрата и передача этой молекулы каталитическому центру в наиболее удобном положении (для каталитического центра). Эта сорбция происходит только за счет слабых типов связей и потому является обратимой. По мере формирования этих связей происходит конформационная перестройка адсорбционного центра, которая приводит к более тесному сближению субстрата и активного центра фермента, более точному соответствию между их пространственными конфигурациями. Такое соответствие — не заранее «готовое9quot;, а формирующееся в ходе взаимодействия — американский ученый Кошленд положил в основу теории индуцированного соответствия (или наведенного соответствия), которая преодолела ограниченность существовавшей ранее теории ключа и замка (жесткого соответствия структуры субстрата структуре адсорбционного центра).

Очевидно, что именно структура адсорбционного центра определяет субстратную специфичность фермента, т. е. требования фермента к молекуле химического вещества, чтобы она могла стать для него подходящим субстратом.

Некоторые вещества, обладающие подходящими характеристиками (т. е. похожие на субстрат), могут тоже связываться с адсорбционным центром фермента. Но если в их молекуле нет такой химической связи, на которую может воздействовать каталитический центр данного фермента, то химических превращений этого вещества не произойдет. Занимая активный центр фермента, такие молекулы блокируют его работу, т. е. являются обратимыми ингибиторами данного фермента (обратимыми, потому что связаны с ферментом слабыми типами связей). Повышая концентрацию субстрата, их можно вытеснить из адсорбционного центра. Поэтому такие ингибиторы называют конкурентными. Они конкурируют с истинным субстратом данного фермента за обладание его адсорбционным центром.

Аллостерическими центрами называют такие участки молекулы фермента вне его активного центра, которые способны связываться слабыми типами связей (значит — обратимо) с тем или иным веществом (лигандом). Причем такое связывание приводит к такой конформационной перестройке молекулы фермента, которая распространяется и на активный центр, облегчая, либо затрудняя (замедляя) его работу. Соответственно такие вещества называются аллостерическими активаторами или аллостерическими ингибаторами данного фермента.

Термин «аллостерический9quot; (т. е. «имеющий иную пространственную структуру») появился в связи с тем, что эти эффекторы по своей пространственной конфигурации совсем не похожи на молекулу субстрата данного фермента (и потому не могут связываться с активным центром фермента). Было сделано заключение, что и аллостерический центр не похож по своей структуре на активный центр фермента.

Аллостерические центры найдены не у всех ферментов. Они есть у тех ферментов, работа которых может изменяться под действием гормонов, медиаторов и других биологически активных веществ. Некоторые искусственно синтезированные лекарства обладают биологической активностью потому, что их молекулы комплементарны аллостерическому центру некоторых ферментов организма.

6 Ферменты. Строение и свойства ферментов

Строение ферментов С этим файлом связано 36 файл(ов). Среди них: vk_gettoken. pEx0iezWKeg.jpg. Sav_10.pdf. Ekzamen_po_biologii_1_kurs.rar. Bilety_po_biologii.docx. Oxford_University_Press_Quick_Work.pdf. 6_Fermenty.doc и ещё 26 файл(а).
Строение ферментов Показать все связанные файлы

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ
ФЕРМЕНТЫ(энзимы) — это высокоспецифичные белки, выполняющие функции биологических катализаторов. Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само в ходе этой реакции не расходуется.

Какие условия необходимы для химического взаимодействия молекул, чтобы произошла химическая реакция?

1) Молекулы должны сблизиться (столкнуться). Но не всякое столкновение приводит к взаимодействию.

2) Необходимо, чтобы это столкновение стало эффективным — завершилось бы химическим превращением. Обязательное условие для эффективности столкновения — чтобы запас энергии молекул в момент столкновения был не ниже энергетического уровня реакции .

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ РЕАКЦИИ— это запас энергии, которым должны обладать молекулы, чтобы их столкновение стало эффективным (чтобы произошла химическая реакция). Этот запас энергии является постоянной характеристикой (константой) для каждой данной реакции.

СРЕДНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ МОЛЕКУЛ –это энергия, которой обладает большинство молекул системы в данный момент времени. Эта средняя величина энергетического запаса, которая характеризует совокупность данных молекул в данных конкретных условиях (температура, давление и другие). Энергетический запас молекул — это понятие статистическое (вероятностное). Молекулы постоянно находятся в тепловом движении. Поэтому энергетический запас каждой из них все время изменяется, колеблется около величины, которая и представляет собой СРЕДНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ МОЛЕКУЛ.

Строение ферментов
В каждый момент времени наибольшая доля молекул данной совокупности обладает именно таким СРЕДНИМ запасом энергии. И чем больше отличается энергия определенной группы молекул от среднего энергетического уровня (в любую сторону), тем малочисленнее эта группа. В любой совокупности молекул ее определенная доля обладает такой энергией, которая выше среднего энергетического уровня и достаточна для протекания химической реакции.

РАЗНОСТЬ между СРЕДНИМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УРОВНЕМ МОЛЕКУЛ и ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УРОВНЕМ РЕАКЦИИ называется энергетическим барьером илиЭНЕРГИЕЙ АКТИВАЦИИакт. ). Чем больше эта энергия активации, тем медленнее идет химическая реакция.

КАК УСКОРИТЬ ХИМИЧЕСКУЮ РЕАКЦИЮ? Повышение среднего энергетического уровня молекул (повышение температуры, давления и других параметров среды, которое используют на химических заводах и фабриках) НЕВОЗМОЖНО для живых организмов, которые нормально функционируют только при постоянных значениях температуры, давления и других параметров. Невозможен и другой путь — уменьшение энергии активации путем снижения энергетического уровня реакции, поскольку эта величина является постоянной характеристикой данной реакции.

Поэтому, только явление катализа (применение катализаторов) может обеспечить ускорение химических реакций в живых организмах. Рассмотрим две реакции (смотрите рисунок).

Строение ферментов

В общем случае энергии активации реакций 1, 2а и 2б не совпадают между собой, и все разнообразие возможных вариантов можно разделить на две группы:

Во всех таких случаях реакция образования вещества «АВ» с участием вещества «К» пойдет медленнее. Значит, вещество «К» является ИНГИБИТОРОМ (замедлителем) этой реакции.

В этих случаях реакция с участием вещества «К» пойдет быстрее, чем без него. Значит, вещество «К» является КАТАЛИЗАТОРОМ (ускорителем) данной химической реакции.

КАТАЛИЗАТОР — это вещество, которое направляет реакцию по такому обходному пути, на котором энергетические барьеры ниже.

Рассмотренные реакции можно представить в виде «вертикального среза» через вершину вулкана, кратер которого имеет неодинаковые по высоте края.

Строение ферментов
На этом рисунке видно, что энергия, которую надо затратить для «подъема» молекулы от среднего энергетического уровня реакции. полностью компенсируется при самостоятельном «скатывании» молекулы по склону «вулкана». При дальнейшем самопроизвольном «скатывании» до подошвы «вулкана» (то есть, до среднего энергетического уровня молекул, которые являются продуктами данной реакции). Энергия, которая при этом выделяется, называется «ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИТОГ РЕАКЦИИ».
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИТОГ РЕАКЦИИ — это разность между энергетическим уровнем исходных веществ (субстратов) и энергетическим уровнем продуктов реакции.

Энергетический итог реакции не зависит от пути, по которому идет реакция (он одинаков и для реакции с участием катализатора, и для реакции без его участия). Он не зависит и от величины энергии активации — от нее зависит только скорость протекания каждого из путей этой реакции.

Это видно из УРАВНЕНИЯ АРРЕНИУСА:

Строение ферментов
Вывод из уравнения Аррениуса: так как энергия активации в этом уравнении входит в показатель степени, то даже маленькое изменение энергии активации приводит к большим изменениям скорости реакции.
ОБЩИЕ СВОЙСТВА КАТАЛИЗАТОРОВ

1. Катализаторы сами НЕ ВЫЗЫВАЮТ химическую реакцию, а только УСКОРЯЮТ реакцию, которая протекает и без них.

2. Не влияют на энергетический итог реакции.

3. В обратимых реакциях катализаторы ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, причем в ОДИНАКОВОЙ степени, из чего следует, что катализаторы:

а) НЕ ВЛИЯЮТ на НАПРАВЛЕННОСТЬ обратимой реакции, которая определяется только соотношением концентраций исходных веществ (субстратов) и конечных продуктов;

б) НЕ ВЛИЯЮТ на ПОЛОЖЕНИЕ РАВНОВЕСИЯ обратимой реакции, а только ускоряют его достижение.

ОСОБЕННОСТИ ФЕРМЕНТОВ КАК БИОЛОГИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ

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 относятся:

1. Высокая эффективность действия. Ферменты могут ускорять реакцию в 10 8 -10 12 раз (примеры смотрите в пособии «Ферменты», стр.7-8).

2. Высокая избирательность ферментов к субстратам (субстратная специфичность) и к типу катализируемой реакции (специфичность действия) (смотрите примеры в пособии «Ферменты», стр. 14-15);

3. Высокая чувствительность ферментов к неспецифическим физико-химическим факторам среды — температуре, рН, ионной силе раствора и т.д. (смотрите пособие «Ферменты» стр.10, 12-13);

4. Высокая чувствительность к химическим реагентам;

5. Высокая и избирательная чувствительность к физико-химическим воздействиям тех или иных химических веществ, которые благодаря этому могут взаимодействовать с ферментом, улучшая или затрудняя его работу (об активаторах и ингибиторах смотрите пособие «Ферменты», стр. 27-36).
СТРОЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ

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

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 его пределах различают АДСОРБЦИОННЫЙ УЧАСТОК (центр) и КАТАЛИТИЧЕСКИЙ УЧАСТОК (центр). Кроме того, вне активного центра фермента встречаются особые функциональные участки; каждый из них обозначают термином АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЙ ЦЕНТР.

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР — это та область (зона) активного центра фермента, которая непосредственно участвует в химических преобразованиях субстрата. Формируется он за счет радикалов двух, иногда трех аминокислот, расположенных в разных местах полипептидной цепи фермента, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи. Например, каталитический центр «серин-гистидиновых» ферментов формируется за счет радикалов аминокислот серина и гистидина. Если фермент является сложным белком, то в формировании каталитического центра нередко участвует простетическая группа молекулы фермента (кофермент). Коферментную функцию выполняют все водорастворимые витамины и жирорастворимый витамин K. (подробнее о коферментной функции витаминов: пособие «Ферменты», стр.11).

АДСОРБЦИОННЫЙ ЦЕНТР — это участок активного центра молекулы фермента, на котором происходит сорбция (связывание) молекулы субстрата. Он формируется одним, двумя, чаще тремя радикалами аминокислот, которые обычно расположены рядом с каталитическим центром. Главная его функция — связывание молекулы субстрата и передача этой молекулы каталитическому центру в наиболее удобном положении (для каталитического центра). Эта сорбция происходит ТОЛЬКО ЗА СЧЕТ СЛАБЫХ ТИПОВ СВЯЗЕЙ и потому ЯВЛЯЕТСЯ ОБРАТИМОЙ. По мере формирования этих связей происходит конформационная перестройка адсорбционного центра, которая приводит к более тесному сближению субстрата и активного центра фермента, более точному соответствию между их пространственными конфигурациями. Такое соответствие — не заранее «готовое», а формирующееся в ходе взаимодействия — американский ученый Кошленд положил в основу теории ИНДУЦИРОВАННОГО СООТВЕТСТВИЯ (или «НАВЕДЕННОГО» СООТВЕТСТВИЯ), которая преодолела ограниченность существовавшей ранее теории КЛЮЧА И ЗАМКА (жесткого соответствия структуры субстрата структуре адсорбционного центра).

Очевидно, что именно структура адсорбционного центра определяет субстратную специфичность фермента, то есть требования фермента к молекуле химического вещества, чтобы она могла стать для него подходящим субстратом.

Некоторые вещества, обладающие подходящими характеристиками (то есть похожие на субстрат), могут тоже связываться с адсорбционным центром фермента. Но если в их молекуле нет такой химической связи, на которую может воздействовать каталитический центр данного фермента, то химических превращений этого вещества не произойдет. Занимая активный центр фермента, такие молекулы блокируют его работу, то есть являются ОБРАТИМЫМИ ИНГИБИТОРАМИ данного фермента (обратимыми, потому что связаны с ферментом слабыми типами связей). Повышая концентрацию субстрата, их можно ВЫТЕСНИТЬ из адсорбционного центра. Поэтому такие ингибиторы называют КОНКУРЕНТНЫМИ. Они конкурируют с истинным субстратом данного фермента за обладание его адсорбционным центром.

АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ ЦЕНТРАМИ называют такие участки молекулы фермента вне его активного центра, которые способны связываться СЛАБЫМИ ТИПАМИ СВЯЗЕЙ (значит — обратимо) с тем или иным веществом (лигандом). Причем такое связывание приводит к такой конформационной перестройке молекулы фермента, которая распространяется и на активный центр, облегчая, либо затрудняя (замедляя) его работу. Соответственно такие вещества называются АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ АКТИВАТОРАМИ или АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ ИНГИБИТОРАМИ данного фермента.

Термин «аллостерический» (то есть «имеющий иную пространственную структуру») появился в связи с тем, что эти эффекторы по своей пространственной конфигурации совсем не похожи на молекулу субстрата данного фермента (и потому не могут связываться с активным центром фермента). Было сделано заключение. что и аллостерический центр не похож по своей структуре на активный центр фермента.

Аллостерические центры найдены не у всех ферментов. Они есть у тех ферментов, работа которых может изменяться под действием гормонов, медиаторов и других биологически активных веществ. Некоторые искусственно синтезированные лекарства обладают биологической активностью потому, что их молекулы комплементарны аллостерическому центру некоторых ферментов организма.
СПЕЦИФИЧНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ

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:

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.

Например, фермент оксидаза L-аминокислот способен окислять все аминокислоты, но относящиеся только к L-ряду. Таким образом, этот фермент обладает относительной субстратной специфичностью и стереоспецифичностью одновременно.
СПЕЦИФИЧНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ.

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.
КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
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:

1) ДЕГИДРОГЕНАЗЫ. Катализируют реакции, при которых происходит отнятие водорода от окисляемого вещества. Пример:

Строение ферментов

2) ОКСИГЕНАЗЫ. Ферменты этого подкласса катализируют включение кислорода в окисляемое вещество.

a) Монооксигеназы — включают один атом кислорода в окисляемое вещество.

Строение ферментов
б)Диоксигеназы — включают 2 атома кислорода в окисляемое вещество. Часто это сопровождается разрывом циклической структуры. По месту разрыва связи (на рисунке обозначено стрелкой) присоединяются атомы кислорода.

Строение ферментов
II класс — ТРАНСФЕРАЗЫ

Катализируют реакции переноса химических групп с молекулы одного вещества на молекулу другого вещества.

III класс — ГИДРОЛАЗЫ

Катализируют реакции разрушения химических связей с участием воды.

IV класс — ЛИАЗЫ

Катализируют реакции разрушения химических связей без участия воды.

V класс — ИЗОМЕРАЗЫ

Катализируют реакции изомерных превращений.

VI класс — ЛИГАЗЫ (СИНТАЗЫ, СИНТЕТАЗЫ)

Катализируют реакции синтеза.
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА

Любая ферментативная реакция протекает через ряд промежуточных стадий. Различают три основных этапа ферментативного катализа:

Строение ферментов
1 этап. ОРИЕНТИРОВАННАЯ 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 связей между субстратом и адсорбционным центром фермента. В результате этого молекула субстрата подается на каталитический центр в наиболее удобном для него положении. Этот этап является легко обратимым, потому что здесь участвуют только слабые типы связей. Кинетическая характеристика 1-го этапа ферментативного катализа — константа Михаэлиса (Км).

2 этап. ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ СУБСТРАТА В СОСТАВЕ ФЕРМЕНТ-СУБСТРАТНОГО КОМПЛЕКСА С ОБРАЗОВАНИЕМ КОМПЛЕКСА ФЕРМЕНТА С ХИМИЧЕСКИ ПРЕОБРАЗОВАННЫМ СУБСТРАТОМ. На этом этапе разрываются одни ковалентные связи и возникают новые. Поэтому этот этап протекает значительно медленнее, чем 1-й и 3-й этапы. Именно скорость второго этапа определяет скорость всей ферментативной реакции в целом. Значит, скорость ферментативного процесса в целом характеризуется величиной k+2. которая является почти всегда самой маленькой из всех частных констант скоростей. Кинетическая характеристика 2-го этапа — максимальная скорость (Vmax).

3 этап. ДЕСОРБЦИЯ ГОТОВОГО ПРОДУКТА ИЗ ЕГО КОМПЛЕКСА С ФЕРМЕНТОМ. Этот этап протекает легче, чем 2-й. Он, как и 2-й этап, тоже необратим. Исключение — обратимые ферментативные реакции.
КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА

Учение о скоростях. 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, то есть 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 РЕАКЦИИ, ВСЕГДА НАДО ИЗМЕРЯТЬ НАЧАЛЬНУЮ СКОРОСТЬ ПРОЦЕССА, то есть скорость ферментативной реакции, в достаточно короткий промежуток времени, когда концентрация субстрата меняется, не настолько значительно. чтобы это отразилось на скорости процесса. Единицы измерения скорости реакции могут быть разными. Лучше пользоваться молярными единицами, а время — это минуты или секунды, реже часы. Поэтому скорость реакции может выражаться, например, в мкмоль/мин или ммоль/час. Величина скорости определяется законом действующих масс. В общем случае скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ. В случае ферментативной кинетики — одно из реагирующих веществ — фермент, концентрация которого на много порядков МЕНЬШЕ, чем концентрация субстрата. Это определяет некоторые особенности кинетики ферментативного катализа.

1. ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ РЕАКЦИИ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ ФЕРМЕНТА ([E]) при постоянной и довольно большой концентрации субстрата ([S]>>[E], [S]=const) имеет такой вид:

Строение ферментов
Отклонение от линейности графика при очень высокой концентрации фермента возникает из-за нехватки субстрата, поэтому снижается скорость поступления субстрата на активный центр фермента. Определять скорость ферментативной реакции надо только в том диапазоне концентраций фермента, в котором график линеен.

Линейность этого графика позволяет выразить его одной цифрой — тангенс угла наклона к оси абсцисс. Этот тангенс представляет собой величину активности фермента. Именно работа (эффективность) каждого фермента количественно характеризуется величиной его активности, то есть величиной скорости ферментативной реакции в расчете на единицу количества фермента. Единицы активности могут быть различными: мкмоль S/мин. мг или мкмоль S/мин. мл сыворотки крови.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ АКТИВНОСТЬ — это количество молекул субстрата, которые превращаются одной молекулой фермента за одну минуту при 30 о С и прочих оптимальных условиях. Преимущество этой единицы — в том, что можно сравнивать не только активность ферментов из разных источников, но и эффективность разных ферментов. Например, молекулярная активность фермента каталазы составляет 5*10 6. а карбоангидразы — 36*10 6­­ .

Из линейности графика следует, что по скорости реакции можно судить о количестве фермента.

КАТАЛ — это количество фермента, которое обеспечивает превращение 1 моля субстрата за 1 секунду.

ЮНИТ — это количество фермента, которое превращает 1 мкмоль субстрата за 1 минуту. 1 Юнит = 16,67 нкатал
ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ РЕАКЦИИ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ СУБСТРАТА ПРИ [E] = const и [S] >> [E].

Чем выше концентрация субстрата, тем выше скорость реакции. Эта зависимость гиперболическая.

Строение ферментов
Предельное значение, к которому стремится гипербола — Vmax данной реакции — характеризует максимальную работоспособность фермента:
Vmax =k+2. [E]
Таким образом,Vmax— это предел, к которому стремится скорость реакции при бесконечном повышении концентрации субстрата.

Км — это КОНСТАНТА МИХАЭЛИСА. Она численно равна той концентрации субстрата, при которой скорость реакции составляет половину от максимального значения.

Эта кривая описывается уравнением Михаэлиса-Ментен:

Строение ферментов

ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ Кмзаключается в том, что она представляет собой константу равновесия между двумя реакциями, приводящими к распаду фермент-субстратного комплекса и той реакцией, которая ведет к образованию этого комплекса.

Строение ферментов

Поскольку значение k+2 всегда намного ниже, чем k-1. то

Строение ферментов

Ksсубстратная константа. Характеризует константу равновесия 1-го этапа ферментативной реакции. Следовательно, Км обычно тоже довольно близка к Кs. Следовательно, Км. как и Кs. характеризует сродство субстрата к данному ферменту. Но экспериментально определить k-1 и k+2 очень трудно, поэтому трудно определить и Кs. А вот Км можно просто определить, используя координаты Лайнуивера-Бэрка («Ферменты» стр. 26-27).

С помощью Км можно характеризовать сродство данного фермента к данному субстрату. Чем меньше Км. тем больше сродство фермента к данному субстрату, а значит тем больше равновесие первого этапа ферментативной реакции сдвинуто вправо — в сторону образования фермент-субстратного комплекса. Значит, будут созданы наилучшие условия для протекания и второго этапа ферментативного процесса. При таких условиях для достижения эффективного превращения субстрата требуется малая концентрация субстрата. Значит, и Vmax теоретически может быть достигнута при малых количествах субстрата.

Если Км высока, то это означает, что сродство фермента к такому субстрату низкое и реакция при небольших концентрациях субстрата протекает неэффективно.

Км и Vmax — это две кинетические константы, с помощью которых можно характеризовать эффективность работы фермента, в том числе и in vivo.
ИНГИБИТОРЫ ФЕРМЕНТОВ

Ингибиторы ферментов — это вещества, замедляющие ферментативные реакции.

Строение ферментов

ХАРАКТЕРИСТИКА КОНКУРЕНТНЫХ ИНГИБИТОРОВ

Конкурируют с субстратом за обладание активным центром фермента. По структуре они похожи на субстрат. Присоединяются к адсорбционному центру фермента: действуют на стадии I-го этапа ферментативного катализа. Поэтому конкурентные ингибиторы увеличивают Km и уменьшают сродство фермента к субстрату. Они не изменяют Vmax ферментативной реакции: при повышении концентрации субстрата действие конкурентных ингибиторов можно преодолеть — молекулы конкурентного ингибитора постепенно вытесняются субстратом с активного центра фермента.
ХАРАКТЕРИСТИКА НЕКОНКУРЕНТНЫХ (АЛЛОСТЕРИЧЕСКИХ) ИНГИБИТОРОВ

Связываются с аллостерическим центром фермента. Происходят изменения конформации аллостерического центра. а затем, через всю молекулу, они передаются на каталитический центр. Изменение конформации каталитического центра вызывает снижение активности фермента. Поэтому неконкурентные ингибиторы уменьшают Vmax — снижают скорость протекания II-го этапа ферментативного катализа. Не влияют на Km и не изменяют сродство фермента к субстрату.

Действие обратимых ингибиторов на кинетические константы представлено на графике зависимости 1/V от 1/[S] (график Лайнуивера-Берка) — смотрите рисунок.

Строение ферментов
Измеряя скорость реакции при разных концентрациях субстрата в присутствии и в отсутствие ингибитора, можно не только распознать тип ингибирования, но и по степени изменения Км или Vmax количественно оценить степень сродства данного ингибитора к ферменту («Ферменты», стр. 27-36).

АВТОНОМНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ

Существуют различные механизмы регуляции процессов, протекающих в организме.

3 уровня регуляции:

1) Самый молодой уровень филогенетически — НЕЙРОГУМОРАЛЬНАЯ регуляция (с участием центральной нервной системы, классических гормонов и гормонов местного действия)

2) РЕГУЛЯЦИЯ НА ГЕНЕТИЧЕСКОМ УРОВНЕ — изменение скорости биосинтеза белка.

3) Филогенетически наиболее старый уровень — АВТОНОМНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ ФЕРМЕНТОВ.

АВТОНОМНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ — это регуляция, которая происходит благодаря только самим участникам реакции, то есть за счет фермента, его субстрата (или субстратов) и/или продуктов деятельности данного фермента. Фермент не только работает, но еще и сам себя регулирует.

Механизмы автономной саморегуляции очень многочисленны, но построены на двух основных принципах.

1) Механизмы, основанные на кинетических свойствах фермента, количественно характеризуемых Км и Vmax — это механизмы КИНЕТИЧЕСКОГО ТИПА.

2) Второй принцип связан с аллостерическими свойствами фермента, то есть со способностью фермента угнетаться или активироваться под действием субстрата и/или продуктов. Это механизмы АЛЛОСТЕРИЧЕСКОГО ТИПА.

Такие аллостерические механизмы есть не у каждого фермента. Они обычно накладываются на механизмы кинетического типа и определяют особенности регуляции данного фермента.

А ———> B
Кинетика данной ферментативной реакции описывается уравнением Михаэлиса-Ментен и кривой, изображенной на рисунке.

Строение ферментов
Если в клетку поступает мало субстрата, то он медленно и расщепляется. При изменении скорости поступления субстрата в клетку фермент работает так, чтобы поддержать концентрацию субстрата в клетке около Км.

На этот механизм могут накладываться механизмы аллостерического типа:
1. СУБСТРАТ или ПРОДУКТ — аллостерический ИНГИБИТОР своего фермента.

Строение ферментов
При чрезмерном поступлении субстрата в клетку скорость утилизации субстрата все больше будет замедляться. Так происходит, когда избыток продукта реакции опасен для клетки (опаснее, чем избыток субстрата).

2. СУБСТРАТ — аллостерический АКТИВАТОР своего фермента.

Строение ферментов
Кинетическая кривая имеет S-образный характер, то есть имеет 2 перегиба, как кривая диссоциации оксигемоглобина. В этом случае концентрация субстрата удерживается более эффективно на постоянном уровне и в более узком диапазоне, чем в предыдущем случае.

3. ПРОДУКТ реакции — аллостерический АКТИВАТОР своего фермента.

Строение ферментов
Кинетическая кривая имеет лавинообразный (взрывообразный) характер. С увеличением концентрации субстрата скорость реакции, как обычно, возрастает. Это приводит к накоплению продукта, который активирует свой фермент. Это приводит к накоплению продукта, который активирует фермент, в результате продукт накапливается еще быстрее, а фермент активируется еще сильнее. Скорость реакции становится очень большой, и реакция протекает мгновенно до полного расщепления субстрата. Примеры: реакция образования фибрина из фибриногена ; система иммунохимической защиты организма.
4. ОДИН СУБСТРАТ — ДВА ФЕРМЕНТА И ДВА ПРОДУКТА.

Строение ферментов

В общем случае кинетические кривые этих двух реакций не совпадают.

Строение ферментов
При малых концентрациях субстрата «А» будет преимущественно протекать 1-я реакция, то есть наибольшая часть вещества «А» будет превращаться в «В», а меньшая часть — превращаться в «С». При увеличении концентрации «А» все больше субстрата станет превращаться в «С» по второму пути. При некоторой концентрации «А» (в точке пересечения кривых) скорости обеих реакций сравняются. В этой точке половина вещества «А» будет превращаться в «В», а вторая половина — в «С». Если концентрацию «А» повышать дальше, то начнет преобладать второй путь превращений — в вещество «С». Такой механизм регуляции встречается, когда опасно накопление в клетке не только избытка вещества «В», но и избытка субстрата «А». И поэтому клетка при высоких концентрациях «А» направляет его на образование безопасного продукта С. Путь из «А» в «С» — это резервный путь метаболизма (альтернативный путь). Если на такой механизм накладываются аллостерические механизмы регуляции, то они могут стать более точными. Например, если продукт «В» — аллостерический ингибитор своего фермента Е1 или аллостерический активатор фермента Е2. то переключение на резервный (альтернативный) путь будет происходить более четко.
5. ОДИН СУБСТРАТ, ДВА ФЕРМЕНТА И ОДИН ПРОДУКТ

Одна и та же химическая реакция в организме может катализироваться разными белками-ферментами. В таком случае они называются изоферментами — это разные молекулярные формы одного и того же фермента. Они могут отличаться обычно очень незначительно. Например, в молекуле один или несколько аминокислотных остатков могут быть заменены другими. Но этого достаточно, чтобы возникли различия в значениях ИЭТ, оптимальном значении рН для действия фермента (рН-оптимум), и в субстратной специфичности, и в величинах Vmax и Km. Называют такие ферменты, как правило, одинаково, но добавляют к названию номер или иное дополнение (для идентификации). И в этом случае, если определять кинетику ферментативных реакций изоферментов, то кривые будут отличаться друг от друга. Если ферменты находятся в клетках разного типа, то изоферменты будут определять специфику метаболизма своих клеток.

Строение ферментов
Но если изоферменты находятся в одной клетке, то их кинетические кривые будут сливаться в одну общую кривую, которая имеет двухступенчатую форму. Такая система регуляции работает при разных концентрациях субстрата, которые изменяются в очень широких пределах. Наличие двух изоферментов позволяет успешно превращать субстрат и при малых, и при больших концентрациях субстрата. Характер суммарной кинетической кривой приведен на рисунке.

Строение ферментов
Конкретным примером такого типа регуляции служит пара ферментов — гексокиназа и глюкокиназа в печени. Км гексокиназы составляет около 0,02 ммоль/л. В клетках печени кроме гексокиназы есть глюкокиназа, имеющая Км =20 ммоль/л.

В норме концентрация глюкозы в крови колеблется в пределах от 3,9 до 6,1 ммоль/л. Так как Км гексокиназы в 100 раз меньше, чем реальная концентрация глюкозы в клетке, то гексокиназа всегда работает со скоростью, близкой к Vmax. Благодаря высокому сродству к своему субстрату — глюкозе именно гексокиназа обеспечивает связывание глюкозы в печени в период голодания. На высоте пищеварения, когда концентрация глюкозы в системе воротной вены может составлять десятки ммоль/л, гексокиназа уже не справляется с превращением такого большого количества глюкозы. Наибольшая часть ее превращается глюкокиназой — мощным ферментом, Км которого достигает 20 ммоль/л. Поэтому глюкоза эффективно связывается клетками печени и в период голодания (за счет работы гексокиназы), и на высоте пищеварения (с помощью глюкокиназы). Благодаря такому механизму уровень глюкозы в крови, оттекающей от печени, поддерживается на нужном уровне при любых колебаниях ее концентрации в системе воротной вены.

НЕРАЗВЕТВЛЕННЫЕ МУЛЬТИФЕРМЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ

В большинстве случаев тот или иной биохимический процесс катализируется не одним ферментом, а целой совокупностью ферментов, каждый из которых катализирует свой этап в длинной последовательности отдельных реакций этого процесса.

Совокупность ферментов, катализирующих последовательные реакции единого процесса, называется мультиферментной системой.

А—->В——>C——>D——>. L——>M
1. В такой системе концентрация любого промежуточного метаболита от «В» и до «L» будет поддерживаться постоянной даже в условиях значительных колебаний скорости всего процесса в целом. Концентрация любого метаболита зависит только от соотношения кинетических констант 2-х ферментов — того, который ведет к образованию этого метаболита. и того, который подвергает его следующему превращению. Например, концентрация вещества «С» зависит от кинетических констант ферментов Е» и Е3. Оба этих фермента, как и вся цепь, могут ускорять свою работу, но концентрация «С» будет оставаться неизменной. Эти механизмы регуляции мультиферментных систем поддерживают постоянство состава внутренней среды организма.

2. В большинстве случаев величины Vmax у всех ферментов данной системы различны. Значит, у какого-то из ферментов Vmax меньше Vmax любого другого фермента. Такой фермент (с низкой Vmax ) называется ЛИМИТИРУЮЩИМ ферментом данной мультиферментной системы. Именно этот фермент определяет скорость процесса в целом.

Как правило, лимитирующими являются те ферменты, которые находятся в начале данной мультиферментной системы. Как правило, эти ферменты подвергаются воздействию регуляторных воздействий со стороны аллостерических эффекторов (в рамках автономной саморегуляции). В таких мультиферментных системах аллостерическими эффекторами бывают часто не только продукт или субстрат данной реакции, но и другие метаболиты — в особенности конечные продукты (М). Если конечный продукт оказывает активирующее действие, то этот механизм называется положительной обратной связью и процесс протекает взрывообразно — до полного исчерпания субстрата в системе.

Если конечный продукт — ингибитор лимитирующего фермента — то говорят об отрицательной обратной связи, и при увеличении концентрации конечного продукта скорость процесса будет замедляться. Если лимитирующий фермент является одновременно и регуляторным, то его называют КЛЮЧЕВЫМ ферментом данной мультиферментной цепи.
РАЗВЕТВЛЕННЫЕ МУЛЬТИФЕРМЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ.

Часто мультиферментные цепи являются разветвленными. В таких системах ключевые ферменты обычно предшествуют участкам ветвления, а сразу за разветвлением находятся ПУНКТЫ ВТОРИЧНОГО КОНТРОЛЯ, то есть такие ключевые ферменты, которые регулируют скорость реакций в своей ветви:

Строение ферментов
В этом примере Е1 — ключевой фермент, а Е4 и Е7 — пункты вторичного контроля.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *