Тема 6. Ферменты

План

1. Химическая природа и строение ферментов.

2. Свойства ферментов как биокатализаторов.

3. Образование ферментов из проферментов.

4. Классификация ферментов.

1-й вопрос.

Ферменты, или энзимы в переводе: fermentum – закваска; эн – внутри, зим – закваска. Они стали известны впервые при изучении процессов брожения. Могут себя проявлять как внутри организма (в клетках), так и вне его. В настоящее время известно 2500 ферментов.

Большое число ферментов получено синтетическим путем, путем применения методов генной инженерии. Среди них: рибонуклеаза, лизоцим, цитохром С и др. Сейчас более 200 ферментов поступает в промышленное производство (в хлебопечение, сыроделие, парфюмерию, производство моющих средств и даже производство пластмасс).

Подсчитано, что живая клетка может содержать до 1000 ферментов, каждый из которых ускоряет ту или иную определенную функцию.

Ферменты по своей химической природе – это белки. Поэтому обладают рядом свойств, присущих белкам. Доказательства белковой природы ферментов.

1. При действии на них протеолитических ферментов они теряют активность.

2. Ферменты образуют коллоидные растворы, поэтому от примесей их можно очистить при диализе.

3. Ферменты, как и все белки, имеют большую молекулярную массу.

4. Ферменты в растворах ведут себя как амфотерные электролиты и при изменении рН их коллоидные частицы приобретают электрический заряд.

5. Ферменты способны кристаллизоваться из растворов. Но их кристаллы при высушивании разрушаются, так как содержат значительное количество воды.

Кристаллические ферменты каталитически очень активны.

Ферменты – биокатализаторы белковой природы, ускорители всех процессов, протекающих в живом организме.

Ферменты могут быть простыми (однокомпонентными – ОКФ) и сложными (двухкомпонентными – ДКФ). ДКФ состоят из белковой части (апофермент) и добавочной группы (кофермент). Ни апофермент, ни кофермент по отдельности не обладают каталитической активностью. Только в комплексе проявляют ферментативные свойства. Белковая часть повышает каталитическую активность кофермента, а кофермент – стабилизирует белковую часть фермента.

Каталитическую функцию выполняет кофермент – активный центр фермента (Е). В их состав входят нуклеотиды, витамины. Различают пять основных коферментов:

1. НАД – никотинамидадениндинуклеотид

   никотинамид	—	рибоза	—	Ф(н)
   (B5)				|
   				O
   				|
   аденин	—	рибоза	—	Ф(н)

2. Надф – никотинамидадениндинуклеотидфосфат

   никотинамид	—	рибоза	—	Ф(н)
   (B5)				|
   				O
   				|
   аденин	—	рибоза	—	Ф(н)
   		|
   		Ф(н)

3. ФАД – флавинадениндинуклеотид

   флавин	—	рибитол	—	Ф(н)
   (B2)				|
   				O
   				|
   аденин	—	рибоза	—	Ф(н)

4. ФМН – флавинмононуклеотид

флавин	—	рибитол	—	Ф(н)
(B2)

5. HS – коэнзим А (HS – КоА)

тиоламин	—	пантотеновая кислота	—	аденозиндифосфат
		(B3)

У ОКФ роль активного центра выполняет часть белковой молекулы. Это уникальное сочетание определенных аминокислот. Активный центр возникает в тот момент, когда белок-фермент приобретает определенную специфическую 3-ю структуру. Чаще в активный центр входят аминокислоты: сер, гис, асп, глу, арг, цис, тир, три. Они располагаются в разных точках полипептидной цепи и оказываются поблизости (в одной области) при складывании цепи.

Кроме активного центра у ферментов различают ещё 2 центра: субстратный и аллостерический.

Субстратный центр – участок молекулы фермента, ответственный за присоединение субстрата. Здесь аминокислоты: лиз, глу, цис.

Аллостерический центр – участок молекулы фермента, при присоединении к которому низкомолекулярного вещества изменяется 3-я структура. А, следовательно – каталитическая активность фермента.

2-й вопрос.

Ферменты – биокатализаторы, по ряду признаков отличаются от неорганических катализаторов, хотя они, как и неорганические катализаторы, не вызывают новых реакций, а лишь ускоряют существующие.

1. Интенсивность действия. Ферменты в отличие от неорганических катализаторов работают очень интенсивно.

Пример: а) кислотный гидролиз белка идет при t ^о 100^оС за несколько часов;

б) ферментативный гидролиз белка идет при t ^о 40^о за несколько минут;

а) кислотный гидролиз крахмала проходит при t^о 100^о за несколько часов;

б) ферментативный гидролиз крахмала проходит при t^о 40^о за несколько секунд.

2. Ферменты обладают специфичностью действия. Каждый фермент ускоряет одну реакцию или реакции одного типа.

Пример: каталаза – только распад Н₂О₂; амилаза – гидролиз крахмала; дегидрогеназа – реакции окисления, т.е. отделения Н₂.

3. Ферменты работают в мягких условиях (низкая температура, нормальное давление, невысокое значение pH-среды). В этом правиле есть и исключения. Каталаза работает при температуре от 0°С до 10°С, а миокиназа – до 100°С. Пепсин работает при pH среды от 1,5 до 2, а аргиназа – до 9,9.

Зависимость активности ферментов от температуры

Зависимость активности ферментов от pH среды

4. На активность ферментов влияют активаторы и ингибиторы. Например, NaCl активирует фермент амилазу:

NaCl		а милаза	гидролизует	крахмал
ингибитор
HCl		пепсин	гидролизует	белок
желчь		липаза	гидролизует	жир

5. Все процессы ферментативного катализатора представляют собой серию превращений, многоступенчатый процесс. Жесткая запрограммированность этапов действия – вот что отличает биокатализаторы от неорганических катализаторов.

3-й вопрос.

Ферменты, переваривающие белок пищи, – протеолитические: пепсин, трипсин, химотрипсин. Они вырабатываются в неактивной форме – проферменты (зимогены). Затем при определенных условиях превращаются в активные. Поэтому вырабатывающие их ткани не подвергаются самоперевариванию.

Н+ (НCl)

Пепсиноген пепсин + полипептид

М = 42 000 (в полости М = 35 000 М = 7 000

(в стенке желудка) желудка) (он блокировал акт.центр)

энтерокиназа

трипсиноген трипсин + гексапептид

(в поджелудочной (в тонком изменение (вал, 4асп, лиз)

железе) кишечнике) 3-й стр-ры

трипсин

химотрипсиноген химотрипсин

(в тонком кишечнике)

			NH2		COOH

Эти ферменты обладают специфичностью действия (выборочный, селективный характер действия). Они ускоряют гидролиз пептидных связей в молекуле белка между определенными аминокислотами:

Пепсин трипсин химотрипсин

-фен – лей - - арг – лиз - - фен – тир – три –

У растений фермент папаин гидролизует связи, образованные аминокислотами: арг, лиз, фен.

4-й вопрос.

Из известных более 2500 ферментов каждый имеет свое название.

1. Тривиальная номенклатура. Имена ферментам давали по случайным признакам. Например, «пепсин» – «разжижаю», «трипсин» – «перевариваю».

2. Рациональная номенклатура. Названия ферментам стали давать по названию субстрата действия данного фермента с добавлением окончанием «-аза». Например, сахароза (субстрат) – сахараза (фермент), лактоза – лактаза, крахмал – амилаза.

3. Систематическая номенклатура. Название ферменту давали по типу катализируемой реакции.

а) Дегидрогеназа – фермент, отделяющий водород, то есть происходит окисление.

		COOH			COOH
		|			|
		CH2			CH
		|			||
		CH2			CH
		|			|
		COOH			COOH
	янтарная кислота (сукцин)			фумаровая кислота (фумарат)

б) Декарбоксилаза – фермент, отделяющий карбоксильную группу.

									O
	CH3	—	C	—	COOH				||
			||				CH3	—	C
			O						|
									H
	ПВК (пируват)						альдегид уксусной кислоты

4. Научная номенклатура. Она была принята в 1961 году на пятом Международном биохимическом конгрессе. То есть в названии фермента указывается субстрат, акцептор и тип катализируемой реакции. Например, α-аланин-α-кетоглутарат-аминотрансфераза:

					COOH					COOH
					|					|
	COOH				αC = O		COOH			CH — NH2
	|				|	аминотрансфераза	|			|
	αCH	—	NH2	+	CH2		C	O	+	CH2
	|				|		|			|
	βCH3				CH2		CH3			CH2
					|					|
					COOH					COOH
	α-аланин			α-кетоглутарат			ПВК			глутаминовая к-та

На этом же конгрессе была принята классификация ферментов, согласно которой все ферменты делят на шесть классов. Составлен общий список известных ферментов. Каждому ферменту в этом списке дан индивидуальный номер (шифр). Примеры: уреаза – 3.5.1.5; лактатдегидрогеназа – 1.1.1.27.