Биохимия

Простые ферменты представлены только белковой частью (состоят из аминокислот) - пепсин, трипсин, фосфатазы.

Сложные ферменты представлены:

1 .Белковой частью (состоит из  аминокислот) - апофермент;

2.Небелковой частью.

Небелковая часть может быть представлена:                                                                

• ионами металлов (К, Na, Ca, Mg, Mn);
• коферментами - низкомолекулярные органические вещества.

Для многих ферментов  его апофермент вместе с небелковой частью образуют каталитически активную молекулу, которая называется холоферментом.  

 

В роли биокатализаторов могут выступать и небелковые соединения. Рибозимы - биокатализаторы, которые по химической природе являются РНК.

Рибозимы катализируют разрыв фосфодиэфирных связей нуклеиновых  кислот.

В пространственной структуре фермента можно выделить отдельные участки, которые выполняют те или иные функции (активный центр, контактный участок, каталитический участок, аллостерический  центр).

Активный центр - это участок  в молекуле фермента, где происходит связывание и превращение субстрата. Активный центр обычно располагается в гидрофобном углублении (недоступном для молекул воды), изолируя субстрат от воды. В образовании активного центра, участвуют боковые группы АК (12-20 АК), причём эти АК могут находиться на разных участках полипептидной цепи, но при формировании пространственной конфигурации фермента они укладываются т.о., что располагаются в области активного центра. В образовании активного центра принимают участие следующие группы боковых цепей АК:

–        NH2  (арг, лиз);

–        СООН  (асп, глу);

–        SH (цис);

–        ОН  (сер, тре);

–        имидазольное кольцо (гис);

–        гуанидиновая группа  (арг);

–        фенольное кольцо (тир).

Остальные АК поддерживают пространственную конфигурацию активного  центра фермента

и обеспечивают его реакционную  способность.

Контактный (субстрат-связывающий ) участок - это место в активном центре фермента, где происходит связывание субстрата с его активным центром. Контактный участок обеспечивает специфическое сродство субстрата к ферменту.

Каталитический участок - место, где  проходит сама каталитическая реакция.

Аллостерический центр - участок в молекуле фермента, пространственно удаленный от активного центра. К аллостерическому центру могут присоединяться различные вещества, которые отличаются по структуре от молекул субстрата. Эти вещества называются аллостерические эффекторы. Они могут влиять на конформацию активного центра фермента, изменяя её, т.е. могут или повышать скорость реакции, или тормозить её. 

 рис. Активный центр  фермента

 

˜

Предыдущий раздел

Раздел верхнего уровня

Следующий раздел

2.3. Коферменты

КОФЕРМЕНТЫ

Коферменты – небелковая часть сложных ферментов. Их делят  на две группы:

1.Витаминные.

2.Невитаминные.

Витаминные коферменты:

1.Тиаминовые коферменты содержат  в своём составе витамин В1 (тиамин).

–        ТДФ – тиаминдифосфат;

ТДФ связан с ферментами - декарбоксилазами альфа – кетокислот (входит в состав пируватдегидрогеназного  и альфа-кетоглутаратдегидрогеназного комплексов);

Является коферментом  трансктолаз.

2.Флавиновые коферменты  содержат в своём составе витамин  В 2.

–        ФМН – флавинмононуклеотид;

–        ФАД - флавинадениндинуклеотид.   

 

ФМН и ФАД связаны  с ферментами дегидрогеназами. Участвуют в реакциях дегидрирования.

3. Пантотеновые коферменты  содержат в своём составе витамин  ВЗ (пантотеновая кислота).

 Представитель –  кофермент А. 

Участвует в :

1. Переносе ацильных радикалов;
2. Активации жирных кислот;
3. Синтезе холестерола и кетоновых тел;
4. Обезвреживании ксенобиотиков.

4. Никотинамидные коферменты  содержат в своём составе витамин  РР (никотинамид).

–        НАД (никотинамидадениндинуклеотид);

–        НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат).

Кофермент могут быть в окисленной и восстановленной форме.

НАД и НАДФ связаны  с ферментами дегидрогеназами, которые  ускоряют окислительно-восстановительные  реакции.

 

 

5. Пиридоксиновые коферменты  содержат в своём составе витамин  В6.

Кофермент – пиридоксальфосфат (ПФ).

Участвует в реакциях превращения АК:

1.Реакции переаминирования (трансаминирование). Связан с ферментами  аминотрансферазами.

2.Реакции декарбоксилирования  аминокислот.

НЕВИТАМИНЫЕ КОФЕРМЕНТЫ

Не содержат в своём  составе витаминов, но участвуют в каталитических превращениях.

1. Нуклеотиды: АТФ, ЦТФ  (участвуют в синтезе фосфолипидов); УДФ, УТФ, ГТФ (участвуют в  синтезе гликогена).

2. Производные порфирина:  гем, цитохромы,   каталаза.

3. Пептиды:

Глутатион - трипептид, содержащий ГЛУ-ЦИС-ГЛИ. Он связан с ферментами оксидоредуктазами. Участвует в окислительно-восстановительных реакциях.

 

˜

Предыдущий раздел

Раздел верхнего уровня

Следующий раздел

2.4. Свойства ферментов

СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ.

1 .Высокая каталитическая  активность.

2.Ферменты, являясь белками,  проявляют термолабильные свойства - чувствительность к изменению температуры.

При повышении температуры  на каждые 10 градусов Цельсия, скорость ферментативных реакций повышает в 1,5 - 2 раза (правило Вант - Гоффа). Это  правило применимо для ферментов  в очень узком интервале температуры, т.к. уже при 50-60 градусах наблюдается денатурация, а при 100 градусов Цельсия - полная денатурация с потерей активности. При 1-3 градусов Цельсия Активность фермента также понижается, но при понижении температуры структура его сохраняется, поэтому при последующем повышении температуры активность восстанавливается. Это свойство используется в клинической практике при проведении оперативных вмешательств. Температура, при которой фермент проявляет максимальную активность, называется оптимальной.

 

 

 

 

3.Ферменты чувствительны  к изменениям рН среды. Для  большинства ферментов оптимальные  значения РН лежат в нейтральной  среде (для каталазы рН = 7).

Есть ферменты, для  которых оптимальные значения рН лежат в кислой среде (пепсин рН = 1 ,5-2,5). Некоторые ферменты проявляют активность в щелочной среде (аргиназа   рН = 10 - 11). Изменения рН приводит к изменению степени ионизации кислых и основных групп в активном центре фермента, т.к. эти группы участвуют в связывании субстрата и его превращении. Изменение рН приводит к конформационной перестройке не только активного центра фермента, но и всей молекулы фермента. Это может сопровождаться нарушением третичной структуры фермента. При оптимальном значении рН функциональные группы активного центра находятся в наиболее реакционно-способном состоянии, и это обеспечивает образование фермент-субстратного комплекса.

Специфичность действия ферментов.  

 

Субстратная специфичность

1. Абсолютная специфичность.  Ей обладают ферменты, которые  действуют только на 1 субстрат  и не действуют на другие субстраты.

Уреаза катализирует гидролиз мочевины.

 

 

Аргиназа   расщепляет аргинин.

Фумараза  ускоряет гидратацию фумаровой кислоты.

2. Стереоспецифичность.  Ей обладают ферменты, действующие  на пространственные или стереоизомеры.  Цис- и транс- изомеры; оптические  изомеры.

3. Групповая специфичность.  Ей обладают ферменты, которые  катализируют однотипные реакции сходных по строению субстратов, т.е. эти субстраты могут содержать в своём составе одинаковые группы атомов. 

 

 

 

 

 

Предыдущий раздел

Раздел верхнего уровня

Следующий раздел

2.5. Номенклатура ферментов

Номенклатура ферментов.

1. Тривиальная номенклатура. Пример: пепсин, трипсин. 

2. Рабочая номенклатура:

название S + тип превращения + окончание «аза».

пример: лактатдегидрогеназа.

3. Систематическая номенклатура.

Название всех субстратов участвующих в реакции + название класса ферментов. L-лактат : НАД – оксидоредуктаза.

4. Каждый фермент имеет  четырехзначный шифр

1.1.1.27  ЛДГ (обозначается  класс, подкласс, подподкласс, порядковый  номер фермента, соответственно)

˜

Предыдущий раздел

Раздел верхнего уровня

Следующий раздел

2.6. Классификация ферментов

 

  

Классификация ферментов  

 

В основе лежит тип катализируемой реакции

Классы ферментов  

 

1. Оксидоредуктазы 

  2. Трансферазы 

  3. Гидролазы 

  4. Лиазы 

  5. Изомеразы 

  6. Синтетазы   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

˜

Предыдущий раздел

Раздел верхнего уровня

Следующий раздел

2.7. Механизм действия ферментов

Согласно современным представлениям при взаимодействии фермента с субстратом условно можно выделить 3 стадии:

1 стадия характеризуется диффузией субстрата к ферменту и их стерическимм взаимодействием с образованием фермент-субстратного комплекса. Эта стадия непродолжительна. Её скорость зависит от концентрации субстрата и скорости диффузии его к активному центру фермента. На этой стадии практически не происходит понижения энергии активации.

Е + S > ЕS

На второй стадии происходит преобразование Е-S комплекса в один, или несколько, активированных комплексов.

Е + S > ЕS > ЕS*> ЕS** > ЕР

Эта стадия является наиболее продолжительной по времени. При этом происходит разрыв связей в молекуле субстрата, образование новых связей, т.е. образуются продукты реакции. Энергия активации снижается значительно.  

на третьей стадии происходит освобождение продуктов реакции от фермента и поступление их в окружающую среду.

ЕР > Е + Р 

 

 

 

Ускорение химическокой реакции ферментами происходит за счет существенного снижения энергии активации реагирующих веществ. Ряд молекулярных эффектов позволяют снижать энергию активации.  

 

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЭФФЕКТЫ

1. Эффект концентрации.

Молекулы субстрата концентрируются в области активного центра фермента.

2. Эффект сближения и ориентации.

Это характерное свойство ферментов, которое позволяет ускорить превращение субстрата и повышение скорости реакции в 1000 и 10000 раз. Контактные участки активного центра фермента связывают специфически молекулы субстрата, сближают их и обеспечивают взаимную ориентацию так, чтобы это было выгодно для действия каталитических групп фермента. Такое упорядоченное расположение субстрата приводит к снижению энергии активации.

3. Эффект натяжения.

До присоединения субстрата к активному центру фермента, его молекула как бы в расслабленном состоянии. После связывания молекула субстрата растягивается и принимает напряжённую деформированную конфигурацию. При этом увеличивается длина межатомных связей, следовательно, понижается энергию активации.

4. Кислотно-основный катализ.

В активном центре фермента содержатся группы кислотного и основного типа. Группы кислотного типа отщепляют Н+ и имеют отрицательный заряд. Группы основного типа присоединяют Н+  и имеют положительный заряд. Кроме основных групп, положительный заряд несут ионы металлов. После связывания субстрата с активным центром фермента, молекулы субстрата перестраиваются, т.к. они подвергаются действию каталитических групп активного центра: одни группы присоединяют Н+, другие его отщепляют. Это приводит к ускорению образования продукта реакции, т.е. способствует понижению энергии активации.

5.Ковалентный катализ.

Наблюдается у ферментов, которые образуют ковалентные связи между каталитическими группами активного центра и субстрата. В результате формируется промежуточный фермент-субстратный комплекс, который неустойчив, легко распадается, продукты реакции быстро освобождаются.