Функциональная организация ферментов

Поверхность молекулы фермента функционально неоднородна и взаимодействует с субстратом лишь определенным своим участком, который принято называть активный центр. Активным центром фермента называется совокупность функциональных групп фермента, пространственно сближенных в пространстве и обеспечивающая захват, удержание и химическое преобразование субстрата. В однокомпонентных ферментах активный центр формируется за счет пространственного сближения радикалов аминокислот. В двукомпонентных ферментах в состав активного центра включается кофермент. В составе активного центра выделяют якорный участок, функция которого заключается в захвате и удержании субстрата, и каталитический, функция которого заключается в химическом преобразовании субстрата. Активный центр располагается, как правило, в углублении, нише поверхности фермента. В результате субстрат, соединяясь с активным центром, оказывается не в водном окружении цитозоля клетки, а в специфическом окружении активного центра.

Взаимодействие активного центра фермента и субстрата основано на комплементарности якорного участка фермента и субстрата.

В соответствии с теорией Фишера фермент и субстрат, обладая жесткой конформацией, взаимодействуют друг с другом благодаря абсолютному комплементарному соответствию активного цента фермента и субстрата (как ключ к замку).

Идея Фишера была очень продуктивна, хотя и не совсем верна. В настоящее время она в общих чертах сохранилась. Кошландом выдвинута теория индуцированного контакта, согласно которой активный центр фермента и субстрат имеют лишь общее структурное соответствие. В момент взаимодействия происходит изменение конформации активного центра фермента и субстрата, что обеспечивает приведение в соответствие поверхностей якорного участка АЦ и субстрата ( пример- одевание печатки).

В настоящее время образование фермент-субстратного комплекса подчиняется представлениям о трехточечной фиксации субстрата в якорном участке. При этом образуются различного рода ковалентные и в основном нековалентные связи (рисунок). Благодаря трехточечной фиксации субстрат приобретает определенную ориентацию в активном центре фермента, создается максимальное пространственное сближение их функциональных групп

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА (ПАРАМЕТРЫ) ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ.

О количестве ферментов косвенно судят по производимому ими действию - по их активности, т.е. по их влиянию на скорость химических реакций.

Е

S Р

Критерии оценки скорости химических реакций:

а) убыль исходного субстрата в единицу времени

V=  S/t

б) нарастание конечного продукта в единицу времени

V=P/t

Определение активности производят в строго контролируемых стандартных условиях, т.е. при одинаковой температуре, рН, избытке субстрата. Измерение количества субстрата или продукта производят различными методами.

Результаты исследования активности ферментов принято выражать в миллимолях преобразованного субстрата (или образовавшегося продукта) за время инкубации смеси в течение 1 часа в пересчете на 1 литр биологической жидкости (сыворотки, плазмы крови, мочи, спинномозговой жидкости) -

ммоль/( ч.*л).

В некоторых случаях показатели активности ферментов дают в МЕ=мкмоль/л.мин

В последнее время активность ферментов выражают в каталах на 1 литр биологической жидкости.

ОБЩИЕ ЧЕРТЫ ФЕРМЕНТАТИВНОГО И НЕФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА И ОСОБЕННОСТИ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА.

Общие черты ферментативного и неферментативного катализа:

а) ускорение лишь термодинамически возможных реакций;

б) ускорение достижения термодинамического равновесия химических реакций без изменения направления реакций и точки равновесия;

в) увеличение скорости химической реакции вследствие снижения энергии активации за счет снижения энергии переходного состояния ( энергетического барьера) без изменения свободной энергии исходных веществ и продуктов реакции;

г) действие в ничтожно малых количествах;

д) ферменты и неорганические катализаторы не расходуются в процессе реакции.

Особенности ферментативного катализа (определяются белковой природой ферментов):

а) более высокая каталитическая активность;

б) более высокая степень субстратной специфичности и специфичности действия;

в) мягкие условия катализа

относительно низкий температурный оптимум(36-40⁰С),

оптимум рН, близкий к нейтральному,

низкое давление(1 атмосфера);

г) регулируемость активности ферментов;

д) отсутствие побочных продуктов ферментативных реакций.

НОМЕНКЛАТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ.

Номенклатура ферментов.

1. Исторически сложившиеся названия - пепсин, трипсин, химотрипсин, и др.

1. Тривиальная номенклатура (основана на субстратной специфичности) –название фермента дается по названию субстрата + - аза (амилаза, уреаза, сахараза и др.)

2. Рациональная (рабочая) номенклатура (основана на субстратной специфичности и специфичности действия) - название фермента дается по названию субстрата и типу катализируемой реакции: название субстрата + тип катализируемой реакции +- аза (лактатдегидрогеназа, фумаратгидратаза и др.).

3. Систематическая номенклатура (основана на субстратной специфичности и специфичности действия) – название фермента дается по названию субстрата и развернутой характеристике типа катализируемой реакции с указанием класса фермента

(лактат: НАД-оксидоредуктаза, малат-гидро-лиаза и др.)

КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ

В соответствии с типом катализируемой реакции все ферменты разделены на 6 классов.

1. Оксидоредуктазы - ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции.

2. Трансферазы - ферменты, катализирующие межмолекулярный перенос различных химических групп.

3. Гидролазы - ферменты, катализирующие реакции гидролитического распада.

4. Лиазы - ферменты, катализирующие отщепление от субстратов определенных групп негидролитическим путем с образованием двойной связи или, наоборот, присоединение групп по двойным связям.

5. Изомеразы - ферменты, катализирующие реакции изомеризации.

6. Лигазы ( синтетазы) - ферменты, катализирующие соединение двух молекул, сопряженное с ращеплением макроэргической связи в молекуле АТФ или аналогичного нуклеозидтрифосфата.

СУБСТРАТНАЯ СПЕЦИФИЧНОСТЬ И СПЕЦИФИЧНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ.

Субстратная специфичность - способность ферментов воздействовать на один определенный субстрат или группу сходных субстратов, обладающих определенным типом связи. Субстратная специфичность обусловлена комплементарным соответствием активного центра (его составной части - якорного центра) и субстрата.

Существует 3 вида субстратной специфичности - абсолютная, стереохимическая и относительная.

Абсолютная субстратная специфичность - способность фермента воздействовать только на один субстрат. Например, глюкокиназа воздействует только на глюкозу.

Стереохимическая специфичность - способность фермента воздействовать на определенный оптический ( d- или l-) или геометрический ( цис- или транс-) изомер. Например, оксидазы d- или l-аминокислот, действующие соответственно на d- или l-аминокислоты; фумаратгидратаза, действующая на транс-изомер (фумарат), но не действующая на цис-изомер ( малеинат).

Относительная (групповая) специфичность - способность фермента воздействовать на группу сходных субстратов. Например, протеиназы желудочно- кишечного тракта способны воздействовать на различные белки.

Специфичность действия - способность ферментов, воздействуя на субстрат, катализировать строго определенную химическую реакцию (лишь одну из всех возможных).

Е₃ Е₁

Р₃ S Р₁

где Е₁ , Е₂ , Е₃- различные ферменты, воздействующие на один субстрат (S), но катализирующие различные реакции с образованием различных продуктов -P₁, P₂ , P₃.

Специфичность действия обусловлена каталитическим центром, у двухкомпонентных ферментов - их простетической группой.