Лекция 7. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФЕРМЕНТОВ

1. Определение, химическая природа ферментов.

2. Изоферменты, мультиферментный комплекс.

3. Номенклатура и классификация ферментов.

4. Свойства ферментов.

1

Ферменты (энзимы) - это специфические белки, выполняющие функцию биологических катализаторов, активизируютпрактически все химические реакции, протекающие в организме.

Наука, изучающая ферменты – Энзимология.

Специфические термины и обозначения

E- фермент

S- субстрат(вещество, которое подвергается химическому превращению под действием фермента)

P- продукты реакции, вещества, образуемые из субстрата в результате ферментативной реакции.

Е- высокомолекулярные белки, значит, имеют первичную, вторичную /обычно, -спираль/, третичную/глобула/структуры.

Строение ферментов:

 По  строению ферменты делятся на простые исложные.

Простые Е состоят только из белковой части (из аминокислот).

Пример Е-ЖКТ: пепсин, трипсин, амилаза.

Сложный фермент - холофермент состоит из 2-х частей: белковой – апоферментаи небелковой – кофермента.

КоЕделятсяна витаминные и невитаминные.

ВитаминныеКоЕпредставленыактивными формами водорастворимых витаминов или их производными.

Активные формы витаминов:

Пример

Активная форма витамина В₆ – пиридоксальфосфат (ПФ) является коЕ аминотрансфераз (АЛТ,АСТ), декарбоксилаз аминокислот.

Никотиновая кислота или вит. Рр входит в состав - НАД-никотинамидадениндинуклеотида – КоЕ дегидрогеназ, П., ЛДГ (лактатдегидрогеназы).

Рибофлавин (вит. В₂) входит в состав ФАД - флавинадениндинуклеотида–КоЕ дегидрогеназ, П., СДГ (сукцинатдегидрогеназы).

Активная форма витамина В₁ – тиаминпирофосфат (ТПФ) является коферментом декарбоксилаз кетокислот.

Невитаминные КоЕ:

1. Ионы металлов: Fe, Mn, Zn, Ni и др.

Пример

Fe- входит в состав цитохромоксидазы, каталазы, пероксидазы (Е, участвующие в окислительно-восстановительных реакциях: Fe→Fe)

Ni- входит в состав уреазы(Е, расщепляющий мочевину)

2. Пептидные КоЕ: П., глутатион (трипептидглу-цис-гли) является КоЕ ряда оксидоредуктаз, П., глутатионпероксидазы.

3. Нуклеотидные КоЕ, не входящие в состав витаминныхКоЕ.

КоЕ входит в состав активного центра фермента. Т.к. белковая молекула фермента на много больше размеров субстрата, с субстратом взаимодействует активный центр– это участок фермента, осуществляющий специфическое связывание субстрата и его химическое превращение.

Активный центр состоит из функциональных групп аминокислот, которые могут находиться на разных участках полипептидной цепи (первичная структура), а при формировании третичной структуры располагаются рядом.

В молекуле некоторых ферментов есть ещё аллостерический(регуляторный) центр – участок Е, к которому присоединяются низкомолекулярные вещества,усиливающие (активаторы) или подавляющие (ингибиторы) активность Е (т.к. изменяется третичная структура Е).

2

ИЗОФЕРМЕНТЫ

Многие Е имеют и четвертичную структуру. Аминокислотный состав субъединиц и их соотношение в четвертичной структуре может быть различным. Т.е. один Е имеет разновидности – изоферменты - это множественные формы одного фермента, которые катализируют одну и ту же реакцию, но различаются по некоторым свойствам – по месту локализации, оптимальной t, отношению к ингибиторами др.

ЛДГ- лактатдегидрогеназа состоит из 4-х субъединиц двух типов: Н (от англ. Сердце) и типа М (от англ. Мышца) - по названию органа, где максимальная активность. Т.о. ЛДГ имеет 5 изоферментов.

4Н 3Н1М 2Н2М 1Н3М 4М

ЛДГ₁ ЛДГ₂ ЛДГ₃ ЛДГ₄ ЛДГ₅

Локализация изоферментов:

ЛДГ_1,2 – сердце, почки, мозг.

ЛДГ₃ - поджелудочная железа.

ЛДГ_1,2– печень, мышцы.

МУЛЬТИФЕРМЕНТНЫЙ КОМПЛЕКС – это комплекс разных ферментов, катализирующих последовательные реакции превращения какого-либо субстрата. S→Р₁→Р₂→Р₃→Р₃

В таких ферментных системах продукты реакции, образующиеся под действием первого Е, становится субстратом для следующего фермента и т.д.

Мультиферментные системы включают 15 и более ферментов, действующих в определенной последовательности. В каждой такой последовательности есть хотя бы один фермент, выполняющий роль «дирижера», который запускает и контролирует скорость течения всех последующих реакций. Такие Е называются регуляторными ферментами или ключевыми.

3

Номенклатура ферментов. Классификация ферментов по типу катализируемой реакции.

Номенклатура. (Названия)

Видыноменклатуры:

Тривиальная (исторические названия): пепсин(от греч.пепсис - пищеварение), трипсин (от греч. трипсис - разжижаю), химотрипсин и др.,

рациональная или рабочая:название ферментаскладываетсяизназвания субстрата и окончания -аза (ДНКаза, РНКаза, амилаза, уреаза) или названия субстрата и типа катализируемой реакции (лактатдегидрогеназа).

Международная: название фермента составляют из химического названия субстратов и названия класса фермента:L-Лактат:НАД-оксидоредуктаза, Согласно систематической номенклатуре каждому ферменту был дан код (шифр), со стоящий из 4х цифр, которые обозначают: 1класс, 2подкласс, 3подподкласс, 4порядковый номер фермента в подподклассе. Например: 1.1.1.27лактатдегидрогеназа, которая относится к I классу – оксидоредуктазам, к 1-му подклассу (оксидоредуктазы, действующие на СН - ОН-группировки в качестве доноров атомов водорода), к 1-му подподклассу (акцептором атомов водорода служит никотинамидадениндинуклеотид) и занимает 27-е место в перечне ферментов упомянутого подподкласса.

Классификация ферментов по типу катализируемой реакции:

• 1кл.Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции. Пример: каталаза, алкогольдегидрогеназа.

• 2кл.Трансферазы катализируют перенос групп атомов с одного субстрата на другой. П., аминотрансферазы переносят амино-группу с АК на кетокислоту. Среди трансфераз особо выделяют киназы, переносящие фосфатную группу, как правило, с молекулы АТФ.

• 3кл.Гидролазы катализируют расщепление субстрата с присоединением воды по месту разрыва связей. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипаза.

• 4кл.Лиазы катализируют разрыв химических связей без участия воды (дезаминазы, декарбоксилазы), а также реакции дегидратации (отщепление воды) с образованием двойной связи и реакции гидратации (присоединение воды поместу разрыва двойной связи).

• 5кл. Изомеразы катализируют структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата (изомерные превращения).

• 6кл. Лигазы (синтетазы) катализируют синтез органических веществ их 2-х и более молекул за счёт энергии АТФ. Пример: ДНК-полимераза, глутаминсинтетаза.

4. Свойства ферментов

1. Высокая каталитическая активность

Е ускоряют реакции в 10⁸-10¹⁴раз. Каждая молекула фермента способна за секунду превратить от 100 до 1000 молекул субстрата в продукт.

2. Обратимость действи

Е в зависимости от условий могут катализировать как прямую, так и обратную реакции.

Пример:ЛДГ катализирует реакции превращения ПВК (пируват) в молочную кислоту (лактат) и обратную.

Это свойство характерно не для всех ферментов

3. Специфичность действия

Е - высокоспецифичны, т.е. катализируют одну или несколько близких по типу реакций. Специфичность основана на комплементарности Е и S, т.е. соответствии структуры активного центра Е и субстрата.

Виды специфичности:

• относительная(групповая) специфичность – способность фермента катализировать превращение группы субстратов с одинаковым типом связи.

Пример: Протеиназыгидролизируют все соединения, содержащие пептидные связи.

Гликозидазы расщепляют гликозидные связи в полисахаридах.

Групповая относительная специфичность характерна для Е,участвующих в пищеварении.

• абсолютная специфичность –способность фермента катализировать превращение только одного S определенной структуры.

Пример: Уреаза расщепляет только мочевину.

Одним из видов абсолютной специфичности являетсястереоспецифичность–способность ферментов катализировать превращение только одного стереоизомера (цис- или транс-; L или Д)

Пример: Е, участвующие в превращениях АК, действуют лишь на L- изомеры.

Лекция 8. Методы определения активности ферментов

1. Механизм действия ферментов.

2. Кинетика ферментативных реакций.

3. Методы исследования активности ферментов.

4. Единицы измерения ферментативной активности.

5. Распределение ферментов в организме;

1. Механизм действия ферментов

Ферменты ускоряют строго определенные химические реакции, которые в отсутствии Е протекают очень медленно. Е не расходуются в процессе реакции и к концу реакции остаются химически неизменными. Реакции, катализируемые ферментами, называютсяферментативными реакциями.

Скорость любой химической реакции зависит от числа соударений активных молекул реагирующих веществ в единицу времени. Каждая молекула имеет запас энергии и взаимодействие между молекулами произойдет, если запаса энергии достаточно для преодоления сил отталкивания между ними. Силы отталкивания взаимодействующих молекул называются энергетический барьер реакции. При недостаточном запасе энергии молекулы можно активизировать, т.е. сообщить им дополнительную энергию- т.н. энергию активации.

Энергия активации – это количество энергии необходимое для того, чтобы все молекулы 1 моля вещества при определенной температуре перешли в активную форму.

Активировать молекулы можно нагреванием (ускоряется тепловое движение молекул) или добавлением катализатора.

Е, выполняющие роль катализаторов, позволяют молекулам преодолеть энергетический барьер реакции на более низком энергетическом уровне, т.е. Е снижают энергию активации.

Согласно теории Михаэлиса–Ментен ферментативная реакция состоит из 3 стадий:

1. Образование фермент-субстратного комплексаE+S=ES

этап сближения и ориентации субстрата относительно активного центра фермента; образование фермент-субстратного комплекса (ES) в результате индуцированного соответствия(происходит подгонка активного центра E и S), эта стадия протекает быстро, энергия активации изменяется мало.