150. Уровни организации ферментов.

Ферменты по их структурной организации можно разделить на:

1.Простейшие, мономерные ферменты-содержат одну полипептидную цепь, имеют вид глобулы (трипсин, химотрипсин, лизоцим)

2. Олигомерные ферменты

А) изоферменты, простые, построенные из субъединиц одного типа- состоят из двух и более субъединиц, которые не строго идентичны по строению, но катализируют одну реакцию и отличаются в каталитических свойствах

Б) сложные ферменты, построенные из субъединиц разного типа, имеют регуляторные и каталитические субъединицы

3. Надмолекулярный уровень. Продукт первой реакции является субстратом для второй реакции.

А) Мультиферментные комплексы - состоят из 2 и более ферментов, каждый из которых принимает участие в суммарной реакции (цикл Кребса)

б) Полифункциональные ферменты -наличие бифункциональных ферментов, организация в супер домены (тРНК-синтетаза)

4. Ферментные ансамбли (в комплексе с компонентами мембраны, цитоскелета): а) адсорбционные, б) интегральные

151. Механизм действия ферментов. Понятие об активном центре фермента, этапы ферментативного катализа.

Молекулярные механизмы действия ферментов условно можно разделить на несколько этапов. Самое главное, что в результате одного или нескольких механизмов происходит замена реакции на другую реакцию с более низкой энергией активации. 1.Сближение и ориентация. Фермент осуществляет своё каталитическое действие, только находясь в прямом контакте с субстратом, одним или несколькими. При этом фермент обеспечивает пространственное расположение одного или двух субстратов так, чтобы это было выгодно для каталитически активных групп. Упорядоченное расположение приводит к снижению энергии активации. По этому механизму обычно действуют лигазысинтетазы.

2.Напряжение и деформация. Это теория ”дыбы”. Присоединение фермента к субстрату меняет конформацию субстрата, как бы растягивает, деформирует субстрат. Чем больше длина межатомной связи, тем меньше энергия её разрыва. Места растяжения легче атакуются молекулами воды. Этот механизм хорошо объясняет действие гидролаз, лиаз, некоторых трансфераз.

3.Общий кислотно-основный катализ. В активном центре фермента всегда имеются функциональные группы аминокислот, являющиеся либо донорами протонов (кислоты), либо акцепторами протонов (основания). Доноры Н+ : СООН, SH, NH3 + . Акцепторы Н+ : NH2, COO и др. Таким образом, в ходе катализа фермент проявляет свойства и кислоты и основания, что невозможно для обычных катализаторов. Кислотно-основной катализ характерен для гидролаз, лиаз, изомераз. 18 4.Ковалентный катализ. Имеет место у ферментов, которые образуют ковалентные связи между каталитическими группами активного центра и субстратами. В каталитические центры таких ферментов входят функциональные группы с положительным зарядом –электрофилы (ионы металлов, NH3 + ), или функциональные группы с отрицательным зарядом - нуклеофилы (Гис, Арг, Лиз). По этому механизму работают отдельные ферменты из разных классов: химотрипсин (гидролазы), фосфоглюкомутаза (изомеразы), фосфоглицеральдегиддегидрогеназа (оксидоредуктазы).

5.Металло-ионный катализ. Каждый четвертый фермент является металлоферментом. Роль металлов в катализе различна. Ионы металлов могут образовать комплексы с субстратами и увеличивать их стабильность (киназы – Mg2+ - АТФ). Металлы могут служить «мостиком» между ферментом и субстратом Е – Ме–S. Такие ферменты называют «металлоэнзимы», например, пируваткиназа – Mg2+ - фосфоенолпируват. Иногда металлы необходимы для стабилизации третичной или четвертичной структуры фермента, например, Zn2+ для алкогольдегидрогеназы. Ионы металлов могут непосредственно участвовать в катализе. Это металлы с переменной валентностью, например, Fe2+ - eFe3+ + е Fe2+ в цитохромах. Ионы металлов выступают в роли активаторов ферментов, например, Са2+ - активатор очень многих ферментов.

Структура активного центра:

Активный каталитический центр фермента – это центр связывания с субстратом. Он формируется в третичной структуре из функциональных групп 5-10 аминоацилов. Связываясь с этим центром, субстрат претерпевает химические превращения, и образуется продукт реакции. Процесс катализа протекает в 2 этапа. На первом этапе происходит образование ферментсубстратного комплекса: 1. Е (enzyme) + S (substrate)  ЕS. На втором этапе происходит образование продукта и высвобождение фермента: 2. ESE + P (product). В активный центр фермента могут входить ионы металлов или коферменты. Табл.1 Специфичность взаимодействия фермента со своим субстратом объясняли две гипотезы. Вначале это была гипотеза Фишера. Согласно ей активный центр фермента комплементарен – соответствует и химически и стерически субстрату как “ключ замку”.Активный центр рассматривался как стабильная, жёстко детерминированная структура модель 16 «жесткой матрицы».Позднее Кошленд предложил другую гипотезу, по которой каталитический активный центр не является заранее подогнанным под стерическую и химическую структуру субстрата. Согласно этой гипотезе субстрат, связываясь с активным центром, индуцирует изменение его конформации, молекула субстрата тоже меняет конформацию. В результате каталитический центр приобретает соответствие субстрату и стерически и химически и, таким образом, обеспечивается более высокая эффективность катализатора. Эта гипотеза индуцированного соответствия нашла экспериментальное подтверждение.

Этапы ферментативного катализа:

1. Присоединение субстрата (S) к ферменту (E) с образованием фермент-субстратного комплекса (E-S). 2. Преобразование фермент-субстратного комплекса в один или несколько переходных комплексов (E-X) за одну или несколько стадий. 3. Превращение переходного комплекса в комплекс фермент-продукт (E-P). 4. Отделение конечных продуктов от фермента.