«Молекулярные основы биоэнергетических процессов и общие пути катаболизма в организме человека . Ферменты»

1. Понятие «фермент». Свойства ферментов. Отличие ферментов от неорганических катализаторов.

Ферменты (энзимы) – это биологические катализаторы белковой природы, которые катализируют все биохимические реакции в организме.

Основные свойства ферментов

Ферменты имеют общие свойства с неорганическими катализаторами:

1.     они не изменяются в процессе реакции

2.     действуют в малых концентрациях

3.     не влияют на величину константы равновесия реакции

Ферменты, являясь белками, проявляют специфические свойства, которые отличают их от неорганических катализаторов:

1.Термолабильность (чувствительность к повышению температуры). Температура, при которой фермент наиболее активен, называется температурным оптимум. Для ферментов нашего организма это 37^оС.

2. Зависимость активности фермента от рН среды. Оптимум рН для ферментов животных тканей 6,0-8,0.

3.Специфичность действия. Она обусловлена структурой активного центра. В зависимости от механизма действия различают ферменты с относительной (или групповой) специфичностью и абсолютной специфичностью.

2. Какие вещества называются ферментами? Их химическая природа и строение?

Ферменты — органические катализаторы белковой природы, которые ускоряют реакции, необходимые для функционирования живых организмов.

Все ферменты это белки. По химическому строению различают простые ферменты (состоят только из белковой части) и сложные ферменты (имеют небелковую часть и белковую). 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 (В₁), ФМН – из рибофлавина (В₂), коэнзим А – из пантотеновой кислоты (В₃), 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.

3. Чем обусловлено их разнообразие? Охарактеризуйте специфичность действия ферментов. Примеры.

Разнообразие . В современной энзимологии известно свыше 3000 ферментов. Ферменты, как правило, классифицируют по химическому составу и по типу реакций, на которые они влияют. Классификация ферментов по химическому составу включает простые и сложные ферменты. Простые ферменты ( однокомпонентные ) - содержат только белковую часть. Большинство ферментов этой группы могут кристаллизоваться. Примером простых ферментов является рибонуклеаза, гидролазы (амилазы, липазы, протеазы), уреаза и др. Сложные ферменты ( двухкомпонентные ) - состоят из апофермента и кофактора. Белковый компонент, который определяет специфичность сложных ферментов и синтезируется, как правило, организмом и является чувствительным к температуры - это апофермент. Небелковый компонент, определяющий активность сложных ферментов и, как правило, поступает в организм в виде предшественников или в готовом виде, и сохраняет стабильность при неблагоприятных условиях, является кофактором. Кофакторы могут быть как неорганическими молекулами (например, ионы металлов), так и органическими (например, флавин). Органические кофакторы, постоянно связаны с ферментом, называют простетическими группами. Кофакторы органической природы, способные отделяться от фермента, называют коферментами. сложных ферментов является оксидоредуктаз (например, каталаза), лигазы (например, ДНК-полимераза, тРНК-синтетазы), лиазы и др.

Специфичность ферментов. Специфичность (избира-тельность) действия ферментов выражается в их способности катализировать строго определенную реакцию, действовать на определенный субстрат или даже на определенную связь в этом субстрате без образования в итоге побочных продуктов.

Существование определенных ферментов для каждого типа химических реакций, происходящих в клетке, – основной закон биологии. Специфичность ферментов обусловлена наличием в них молекулы белка.

Различают несколько видов специфичности – абсолютную, относительную и стереохимическую.

- Абсолютная специфичность проявляется в том, что фермент действует только на один субстрат, даже на определенную связь в этом субстрате.

Уреаза обладает абсолютной специфичностью к мочевине. Этот фермент катализирует гидролиз мочевины на аммиак и диоксид углерода:

Абсолютной специфичностью обладает каталаза, расщепляющая пероксид водорода на воду и кислород.

Относительная групповая специфичность фермента проявляется в том, что он может действовать не на один, а на несколько субстратов, относящихся к одному или нескольким классам органических соединений. Так, фермент пируватдекарбоксилаза катализирует декарбоксилирование пировиноградной кислоты с образованием уксусного альдегида и диоксида углерода. Но этот же фермент декарбоксилирует и другие a-кетокислоты с более длинной углеродной цепочкой, однако скорость реакции с удлинением цепи заметно падает.

- Стереохимической специфичностью. Ферменты действуя только на определенные стереоизомерные формы субстрата.

Специфичность действия ферментов приводит к тому, что превращение веществ в организме происходит строго упорядоченно, определяя путь, по которому идет превращение веществ. Благодаря специфичности фермент направляет реакцию по одному и тому же пути.

4. Химическая природа ферментов. Строение ферментов. Активные центры ферментов. Множественные формы ферментов.

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 (В₁), ФМН – из рибофлавина (В₂), коэнзим А – из пантотеновой кислоты (В₃), 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.

Участок молекулы фермента, который предназначен для специфического связывания субстрата, называется активным центром. Активный центр – это уникальная комбинация аминокислотных остатков в молекуле фермента, обеспечивающая непосредственное его взаимодействие с молекулой субстрата и принимающая прямое участие в акте катализа. У сложных ферментов в состав активного центра входит также кофактор.

В активном центре условно различают каталитический участок, непосредственно вступающий в химическое взаимодействие с субстратом и участок связывания, который обеспечивает специфическое сродство к субстрату и формирование его комплекса с ферментом. Несмотря на огромное разнообразие структуры ферментов, их специфичности и механизма действия, существует ряд общих закономерностей формирования активных центров:

Множественные формы ферментов можно разделить на две категории:

§ Изоферменты

§ Собственно множественные формы (истинные)

Изоферменты — это ферменты, синтез которых кодируется разными генами, у них разная первичная структура и разные свойства, но они катализируют одну и ту же реакцию. Виды изоферментов:

§ Органные — ферменты гликолиза в печени и мышцах.

§ Клеточные — малатдегидрогеназа цитоплазматическая и митохондриальная (ферменты разные, но катализируют одну и ту же реакцию).

§ Гибридные — ферменты с четвертичной структурой, образуются в результате нековалентного связывания отдельных субъединиц (лактатдегидрогеназа — 4 субъединицы 2 типов).

§ Мутантные — образуются в результате единичной мутации гена.

§ Аллоферменты — кодируются разными аллелями одного и того же гена.

Собственно множественные формы (истинные) — это ферменты, синтез которых кодируется одним и тем же аллелем одного и того же гена, у них одинаковая первичная структура и свойства, но после синтеза на рибосомах они подвергаются модификации, становятся разными, хотя и катализируют одну и ту же реакцию.

Изоферменты разные на генетическом уровне и отличаются от первичной последовательности, а истинные множественные формы становятся разными на посттрансляционном уровне.

5. Строение ферментов. Общая характеристика кофакторов, их связь с витаминами; примеры.

По строению ферменты делятся на простые (однокомпонентные) и сложные (двукомпонентные). Простой состоит только из белковой части, сложный (холофермент) – из белковой и небелковой частей. Белковая часть – апофермент, небелковая – кофермент (витамины В₁, В₂, В₅, В₆, Н, Q и др.). Отдельно апофермент и кофермент не обладают каталитической активностью. Участок на поверхности молекулы фермента, который взаимодействует с молекулой субстрата – активный центр.

Активный центр образован из остатков аминокислот, находящихся в составе различных участков полипептидной цепи или различных сближенных полипептидных цепей. Образуется на уровне третичной структуры белка-фермента. В его пределах различают субстратный (адсорбционный) центр и каталитический центр. Кроме активного центра встречаются особые функциональные участки – аллостерические (регуляторные) центры.

Каталитический центр - это область активного центра фермента, которая непосредственно участвует в химических преобразованиях субстрата. КЦ простых ферментов – это сочетание нескольких аминокислотных остатков, расположенных в разных местах полипептидной цепи фермента, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи (серин, цистеин, тирозин, гистидин, аргинин, асп. и глут. кислоты). КЦ сложного белка устроен сложнее, т.к. участвует простетическая группа фермента – кофермент (водорастворимые витамины и жирорастворимый витамин K).

Кофакторы ферментов

Все ферменты относятся к глобулярным белкам, причем каждый фермент выполняет специфическую функцию, связанную с присущей ему глобулярной структурой. Однако активность многих ферментов зависит от небелковых соединений, называемых кофакторами. Молекулярный комплекс белковой части (апофермента) и кофактора называется холоферментом. Роль кофактора могут выполнять ионы металлов (Zn²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, K⁺, Na⁺) или сложные органические соединения. Органические кофакторы обычно называют коферментами, некоторые из них являются производными витаминов. Тип связи между ферментом и коферментом может быть различным. Иногда они существуют отдельно и связываются друг с другом во время протекания реакции. В других случаях кофактор и фермент связаны постоянно и иногда прочными ковалентными связями. В последнем случае небелковая часть фермента называется простетической группой.

Роль кофакторов, как выяснилось, играют большинство витаминов или соединений построенных с их участием, но не только витамины выступают в роли кофакторов. 

Витамины и коферменты, скорее всего, не только можно, но и необходимо рассматривать вместе, в одном разделе химии природных соединений, поскольку нельзя провести четкого разграничения определенной группы природных биологически активных веществ на два таких класса. С другой стороны, при освещении химии этих соединений мы неизбежно коснемся вопросов строения и свойств их, а отсюда неизбежен и выход на реакции, катализируемые ферментами (кофер-ментами). Таким образом, эти три феномена химии живой природы — витамины, коферменты и ферментативный катализ не то чтобы тесно связаны, они завязаны в один узел, и комплексное их описание вполне уместно.

6. Структура ферментов. Понятие простых и сложных ферментов. Приведите примеры. Апофермент, его структура и роль. Кофермент, его структура и роль.

Структура ферментов: В живой природе в процессах жизнедеятельности организма протекает огромное количество процессов связанных с синтезом и распадом различных веществ. Все процессы протекают с участием ферментов (энзимов).

Ферменты составляют самый крупный и наиболее высоко специализированный класс белковых молекул.

Ферменты синтезируются самой клеткой и выполняют в ней роль катализаторов биохимических реакций. Любые процессы связаны с биологической очисткой сточных вод, включая в себя ферментативные реакции.

Ферменты делятся на одно и двухкомпонентные. Первые представляют из себяпростые белки, вторые – сложные белки.

 Простые ферменты состоят только из аминокислот-например, пепсин, трипсин, лизоцим.

Сложные ферменты (холоферменты) имеют в своем составе белковую часть, состоящую из аминокислот –апофермент, и небелковую часть – кофактор. Кофактор, в свою очередь, может называться коферментомили простетическойгруппой. Примером могут быть сукцинатдегидрогеназа(содержит ФАД) (в цикле трикарбоновых кислот), аминотрансферазы(содержат пиридоксальфосфат) (функция), пероксидаза(содержит гем). Для осуществления катализа необходим полноценный комплекс апобелка и кофактора, по отдельности катализ они осуществить не могут.

Белковая часть сложного фермента получила название апофермент, небелковая часть — кофактор. 

Апофермент и его значение

Это белки, имеющие третичную и даже четвертичную структуры. Первый вариант представлен глобулой. Если же апофермент обладает четвертичной структурой, то следовательно, состоит из нескольких одинаковых или разных субъединиц. Аналоги объединяются в мультимер, обладающий максимальной активностью. Энзимы, образованные разными субъединицами, делят на два типа:

1. Мультиэнзимный комплекс – это группа ферментов, катализирующих последовательные реакции одного и того же процесса. Например, упомянутый выше ПВКДГ - комплекс включает три энзима.

2. Изоферменты (изоэнзимы) – типичные белки, имеющие четвертичную структуру, отличающиеся строением протомеров, катализирующие одну и ту же реакцию, но с разной скоростью и локализующиеся в различных органах.

Коферменты и витамины. Коферменты – это органические вещества, предшественниками которых являются витамины. Некоторые из них непрочно связаны с белком (НАД, НSКоА, и др). есть ферменты, которые прочно связаны с апоферментом, т.е. представляют собой простетическую группу (гем и флавиновые коферменты). Большинство коферментов не синтезируются в организме млекопитающих. Они должны поступать в организм с пищей (как правило, растительной). Однако в организм попадают не сами коферменты, а их предшественники — витамины. В клетке витамины модифицируются до коферментной формы. В настоящее время известно 13 витаминов (табл. 7), которые подразделяют на два типа: водорастворимые витамины и жирорастворимые витамины.

---- Коферменты относятся к сложным органическим веществам, их молекулы значительно меньше по размеру, чем молекулы ферментов. Коферменты могут проникать через биологические мембраны, нагревание обычно не вызывает изменения их структуры.

Кофермент, локализуясь в каталитическом участке активного центра фермента, принимает непосредственное участие в химической реакции, выступая в качестве акцептора и донора химических группировок, атомов, электронов. В ходе реакции кофермент претерпевает химические превращения, в точности противоположные тем, которые происходят в субстрате. Например, в окислительно-восстановительных реакциях молекула субстрата окисляется, а молекула кофермента восстанавливается. При последующих сопряжённых реакциях изменения в коферменте протекают в обратном направлении и он воспроизводится в первоначальной форме.

------ Таким образом, кофермент является одним из субстратов ферментативной реакции, т.е. выступает как косубстрат. По происхождению и химическому строению коферменты можно подразделить на следующие группы: - Производные витаминов (Е, К, Q, С, Н, В₁, В₂, В₆, В₁₂ и др); - Соединения нуклеотидной природы (NAD, NADP, АТP, CоА, FAD,FMN); - Гемы (простетические группы цитохромов, пероксидаз);- Убихинон, иликоэнзим Q(перенос электронов и протонов в дыхательной цепи электронов);

- Липоевая кислота; - Фосфоаденозилфосфосульфат (участвует в переносе сульфата); - S-аденозилметионин (SАМ) – донор метильной группы); - Глутатион (трипептид γ–глутамил-цистеинил-глицин участвует в окислительно-восстановительных реакциях).

7. Что такое олиго ферменты?

8. Простые и сложные ферменты. Что такое мультиферментные комплексы? Виды мультиферментных комплексов. Примеры.

Простые ферменты состоят только из аминокислот-например, пепсин, трипсин, лизоцим.

Сложные ферменты (холоферменты) имеют в своем составе белковую часть, состоящую из аминокислот –апофермент, и небелковую часть – кофактор. Кофактор, в свою очередь, может называться коферментомили простетическойгруппой. Примером могут быть сукцинатдегидрогеназа(содержит ФАД) (в цикле трикарбоновых кислот), аминотрансферазы(содержат пиридоксальфосфат) (функция), пероксидаза(содержит гем). Для осуществления катализа необходим полноценный комплекс апобелка и кофактора, по отдельности катализ они осуществить не могут.