Полезные материалы за все 6 курсов / Учебники, методички, pdf / Биохимия

3.Неспособность белковых частиц проникать через мембраны, поры которых меньше диаметра белков (полунепроницаемые мембраны). Это используется в диализе. Очистка белковых препаратов от посторонних примесей лежит в основе

работы "искусственной почки" при лечении острой почечной недостаточности.

4.Высокая вязкость в результате сил сцепления между крупными молекулами, что проявляется, например, при образовании гелей и студней.

5.Создание онкотического давления, то есть перемещение воды в сторону более высокой концентрации белка, что проявляется, например, как выход воды из крови во внесосудистое пространство и формирование отеков при повышении проницаемости сосудистой стенки (отек Квинке, воспаление, укусы насекомых).

NB! Онкотическое давление - это часть (около 0,5%) осмотического

давления. Осмотическое давление—это сила, вызывающая движение растворителя через полупроницаемую мембрану из менее концентрированного раствора в более концентрированный.

Классификация белков

1.В соответствии с биологическими функциями выделяют:

структурные белки (коллаген, кератин),

ферментативные (пепсин, амилаза),

транспортные (трансферрин, альбумин, гемоглобин),

резервно-пищевые (белки яиц и злаков),

сократительные и двигательные (актин, миозин, тубулин),

защитные (иммуноглобулины, тромбин, фибриноген),

регуляторные (соматотропный гормон, адренокортикотропный гормон, инсулин).

2.Классификация по строению

Взависимости от формы молекулы выделяют глобулярные и фибриллярные белки. В глобулярных белках соотношение продольной и поперечной осей составляет менее 10 и в большинстве случаев не более 3-4. Эти белки характеризуются компактной трехмерной укладкой полипептидных цепей. Например: инсулин, альбумин, глобулины плазмы крови.

Фибриллярные белки имеют соотношение осей более 10. Они состоят из пучков полипептидных цепей, спиралью навитых друг на друга и связанные между собой поперечными ковалентными и водородными связями. Выполняют защитную и структурную функции. Например: кератин, миозин, коллаген.

3.По количеству белковых цепей в одной молекуле выделяют мономерные белки,

которые имеют одну субъединицу (протомер) и полимерные белки, имеющие несколько субъединиц. Например, к мономерным белкам относятся альбумины, миоглобин, к полимерным - гемоглобин (4 субъединицы), ферменты лактатдегидрогеназа и креатинкиназа (4 и 2 субъединицы,

соответственно), гексокиназа (2 субъединицы). Субъединицы в белке могут быть как одинакового, так и различного строения.

4.По химическому составу все белки подразделяют на простые и сложные.

Простые белки содержат в структуре только аминокислоты (альбумины, глобулины, гистоны, протамины). Сложные белки, кроме аминокислот, имеют небелковые компоненты:

-нуклеопротеины,

-фосфопротеины,

-металлопротеины,

-липопротеины,

-хромопротеины,

-гликопротеины.

ЛЕКЦИЯ№3 ФЕРМЕНТЫ(ЭНЗИМЫ)

Общая характеристика ферментов

Ферменты - это биологические катализаторы белковой природы. В роли биокатализаторов могут выступать и небелковые соединения. Например, некоторые типы РНК вызывают гидролиз фосфодиэфирных связей нуклеиновых кислот. Такие молекулы РНК с каталитической активностью называют рибозимами, однако их значение в химическом превращении соединений намного меньше, чем у ферментов.

Являясь веществами белковой природы, ферменты обладают всеми свойствами белков:

имеют несколько уровней организации макромолекул, подтвержденных данными рентгеноструктурного анализа;

подобно растворимым белкам, образуют коллоидные растворы;

дают положительные цветные реакции на белки;

являются амфотерными соединениями;

склонны к денатурации под влиянием тех же факторов: температуры, изменений рН, действия солей тяжелых металлов, физических факторов (ультразвука, ионизирующего излучения и т. д.):

ферменты, как и белки, при гидролизе распадаются до аминокислот.

Вотличие от других белков, ферменты обладают каталитической активностью. При этом, обладая свойствами, присущими неорганическим катализаторам, они существенно отличаются от них рядом свойств:

Учение о ферментах выделено в самостоятельную науку - энзимологию. Термин «энзим» (от греч. еn zyme - в дрожжах) так же, как и «фермент» (от

лат. fermentum - закваска), означает процесс, связанный с выделением газов, брожением.

Локализация ферментов в организме

Ферменты по локализации и функциональности делят на три группы:

1.Общие ферменты (универсальные);

2.Органоспецифические;

3.Органеллоспецифические.

Общие ферменты обнаруживаются практически во всех клетках, обеспечивают жизнедеятельность клетки, катализируя реакции биосинтеза белка, нуклеиновых кислот, образование биомембран и основных клеточных органелл, энергообмен. Общие ферменты разных тканей и органов, тем не менее, отличаются по активности.

Ферменты, свойственные только или преимущественно определенному органу или ткани, называются органоспецифическими. В печени - это аргиназа, урокиназа, гистидаза, y-глутамилтрансфераза, аланинаминотрансфераза, сорбитолдегидрогеназа. Органоспецифическим ферментом почек и костной ткани является щелочная фосфатаза, предстательной железы - кислая фосфатаза, поджелудочной - α-амилаза и липаза.

Внутри клетки ферменты распределены также неравномерно. Одни ферменты находятся в коллоидно-растворенном состоянии в цитозоле, другие вмонтированы в клеточные органеллы (структурированное состояние). Разным органеллам клетки присущ специфический набор ферментов, которые определяют их функции:

1.Клеточная мембрана: щелочная фосфатаза, аденилатциклаза, К+-Na+-АТФ-аза;

2.Цитоплазма: ферменты гликолиза, пентозного цикла;

3.Микросомы: ферменты, обеспечивающие гидроксилирование;

4.Рибосомы: ферменты, обеспечивающие синтез белка;

5.Лизосомы: гидролитические ферменты;

6.Митохондрии: ферменты цикла трикарбоновых кислот и окислительного фосфорилирования;

7.Ядро клетки: ферменты, обеспечивающие синтез РНК и ДНК;

8.Ядрышко: ДНК-зависимая РНК-полимераза.

Вклетке существуют отсеки (компартменты), которые, отличаясь набором ферментов, отличаются и метаболизмом (компартментализация метаболизма).

Определение в плазме или сыворотке крови активности органоили органеллоспецифических ферментов широко используется в клинической диагностике. Увеличение активности ферментов в плазме (сыворотке) крови связано прежде всего с цитолизом (т. е. повышением проницаемости биомембран или

некрозом клетки) и выходом ферментов в кровяное русло. При этом активность ферментов в поврежденном органе уменьшается, а в плазме или сыворотке крови возрастает.

Строение ферментов

В природе существуют как простые, так и сложные ферменты. Первые целиком представлены полипептидными цепями и при гидролизе распадаются исключительно на аминокислоты. Большинство природных ферментов относятся к сложным белкам, содержащим, помимо полипептидных цепей, какой-либо небелковый компонент - кофермент или кофактор. В литературе существуют различные трактовки этих терминов. Мы придерживаемся точки зрения, согласно которой кофермент - небелковая часть сложного фермента, являющаяся органическим веществом, кофактор - неорганическим.

Кофакторами чаще всего служат ионы металлов: железа, меди, цинка и др. Кофакторы необходимы для проявления каталитической активности многих ферментов.

Многие коферменты являются производными водорастворимых витаминов:

Можно выделить три группы коферментов:

-принимающие участие в окислительно-восстановительных реакциях: (НАД+/ НАДН2, НАДФ+/НАДФН2, ФАД/ФАДН2, KoQ);

-принимающие участие в переносе атомных групп: пиридоксальфосфат (перенос аминогрупп), биотин (перенос диоксида углерода), тетрагидрофолиевая кислота (перенос метильных и других одноуглеродных групп);

-принимающие участие в реакциях синтеза, изомеризации и расщепления: тиаминпирофосфат (декарбоксилирование кетокислот), коэнзим А (для активации жирных кислот).

Некоторые коферменты (ФМН, ФАД, пиридоксальфосфат) стабильно связаны с ферментом, и их можно рассматривать как часть активного центра. Другие

коферменты (НАД+, НАДФ+, КоА) в условиях живой клетки связываются с активным центром только в момент реакции. В этом они сходны с субстратами ферментов. Если в ходе реакции кофермент претерпевает химические изменения, прямо противоположные происходящим в субстрате, то такие коферменты можно рассматривать как второй субстрат или косубстрат. Более того, иногда именно превращения кофермента имеют физиологическое значение, например, образование НАДН2 в ЦТК и его окисление в дыхательной цепи.

Активный центр ферментов

Активный центр – комбинация аминокислотных остатков (обычно 12-16), обеспечивающая непосредственное связывание с молекулой субстрата и осуществляющая катализ. Аминокислотные радикалы в активном центре могут находиться в любом сочетании, при этом рядом располагаются аминокислоты, значительно удаленные друг от друга в линейной цепи. В активном центре выделяют два участка:

якорный (контактный, связывающий) – отвечает за связывание и ориентацию субстрата в активном центре,

каталитический – непосредственно отвечает за осуществление реакции.

Уферментов, имеющих в своем составе несколько мономеров, может быть несколько активных центров по числу субъединиц. Также две и более субъединицы могут формировать один активный центр.

Усложных ферментов в активном центре обязательно расположены функциональные группы кофактора. Н., в реакции превращения пировиноградной кислоты (пируват) в молочную кислоту (лактат) сначала к апоферменту лактатдегидрогеназы присоединяется НАД, формируется активный центр, и только потом входит пируват.

Схема формирования сложного фермента

Аллостерический центр (allos – чужой) – центр регуляции активности фермента, который пространственно отделен от активного центра и имеется не у всех ферментов. Связывание с аллостерическим центром какой-либо молекулы, называемой активатором или ингибитором (или эффектором, модулятором, регулятором), вызывает изменение конфигурации белка-фермента и, как следствие, скорости ферментативной реакции.

Схема строения аллостерического фермента

Аллостерические центры известны далеко не у каждого фермента. Обычно они присущи ферментам, обладающим четвертичной структурой, которые легче поддаются весомым конформационным перестройкам. У фермента может быть несколько разных аллостерических центров ( активный и регуляторный центры находятся в разных субъединицах). Благодаря их избирательности, активность фермента по-разному меняется под действием различных модуляторов.

Изоферменты

Изоферменты – это молекулярные формы одного и того же фермента, возникшие в результате небольших генетических различий в первичной структуре фермента, но катализирующие одну и ту же реакцию. Изоферменты отличаются сродством к субстрату, V max катализируемой реакции, чувствительностью к ингибиторам и активаторам, условиями работы (оптимум pH и температуры).

Как правило, изоферменты имеют четвертичную структуру, т.е. состоят из двух или более субъединиц. Например, димерный фермент креатинкиназа представлен тремя изоферментными формами, составленными из двух типов субъединиц: M (англ. muscle – мышца) и B (англ. brain – мозг). Креатинкиназа-1 (КК-1) состоит из субъединиц типа B и локализуется в головном мозге, креатинкиназа-2 (КК-2) – по одной М- и В-субъединице, наиболее активна в миокарде, креатинкиназа-3 (КК-3) содержит две М-субъединицы, специфична для скелетной мышцы. Определение активности разных изоферментов КК в сыворотке крови имеет клиникодиагностическое значение.

Также существует пять изоферментов лактатдегидрогеназы – фермента, участвующего в обмене глюкозы. Отличия между ними заключаются в разном соотношении субъединиц Н (англ. heart – сердце) и М (англ. muscle – мышца).

Лактатдегидрогеназы типов 1 (Н4) и 2 (H3M1) присутствуют в тканях

саэробным обменом (миокард, мозг, корковый слой почек), обладают высоким сродством к молочной кислоте (лактату) и превращают его в пируват. Изоферменты

ЛДГ-4 (H1M3) и ЛДГ-5 (М4) находятся в тканях, склонных к анаэробному обмену (печень, скелетные мышцы, кожа, мозговой слой почек), обладают низким сродством к лактату и катализируют превращение пирувата в лактат. В тканях

спромежуточным типом обмена (селезенка, поджелудочная железа, надпочечники,

лимфатические узлы) преобладает ЛДГ-3 (H2M2). Определение активности разных изоферментов ЛДГ в сыворотке крови имеет клинико-диагностическое значение.

Еще одним примером изоферментов является группа гексокиназ, которые присоединяют фосфатную группу к моносахаридам гексозам и вовлекают их в реакции клеточного метаболизма. Из четырех изоферментов выделяется гексокиназа IV (глюкокиназа), которая отличается от остальных изоферментов высокой специфичностью к глюкозе, низким сродством к ней и нечувствительностью к ингибированию продуктом реакции.

Специфичность ферментов

В отличие от неорганических катализаторов ферменты характеризуются специфичностью действия. Специфичность действия фермента определяется структурой активного центра.

Фермент может обладать чрезвычайно высокой избирательностью по отношению к субстрату. Например, фермент уреаза распознает только одно вещество - мочевину, катализируя ее расщепление до СО2 и аммиака:

Если фермент катализирует превращение определенного единственного субстрата, такая специфичность называется абсолютной субстратной специфичностью. Однако встречается она редко.

Обычно субстратная специфичность бывает относительной (групповой). Это означает, что фермент способен ускорять однотипную реакцию у группы сходных

по строению веществ. Например, алкогольдегидрогеназа катализирует окисление не только этанола, но и других алифатических спиртов:

К числу ферментов с групповой специфичностью относятся пищеварительные ферменты. Так, пепсин, относящийся к протеазам, расщепляет пептидные связи в белках как животного, так и растительного происхождения, отличающихся по аминокислотному составу. Основным местом действия пепсина является пептидная связь -СО-NH-. Липазы, расщепляющие сложноэфирные связи, катализируют гидролиз жиров на глицерин и жирные кислоты, но не действуют на пептидные связи.

Стереохимическая специфичность обусловлена существованием оптически изомерных L- и D-форм или геометрических изомеров химических веществ. Например, фермент фумараза катализирует превращение фумаровой кислоты (трансизомер), но не действует на малеиновую кислоту (цис-изомер):

Большинство ферментов, участвующих в превращениях аминокислот, действуют лишь на L-изомеры, а ферменты, катализирующие превращения углеводов - на D- изомеры углеводов.

Таким образом, благодаря специфичности действия, ферменты обеспечивают протекание с высокой скоростью лишь определенных реакций из огромного разнообразия возможных превращений в микропространстве клеток и целостном организме, регулируя тем самым интенсивность обмена веществ.

Механизм действия ферментов

Любая ферментативная реакция включает несколько промежуточных этапов:

Этап I - сорбция субстрата (S) субстратсвязывающим участком активного центра фермента (Е) с образованием ферментсубстратного комплекса (E-S). Этот этап реализуется за счет образования слабых невалентных взаимодействий, поэтому полностью обратим. Конформационные изменения в процессе сорбции усиливают пространственное соответствие активного центра и субстрата.

Этап II - ковалентное преобразование субстрата в составе ферментсубстратного комплекса, в результате чего появляется комплекс с химически измененным субстратом (E-S*). В этом этапе участвует собственно каталитический центр, который обеспечивает разрыв одних и формирование других химических связей.

Поэтому данный этап необратим, за исключением собственно обратимых реакций. Необходимость ковалентных превращений делает этап II самой медленной стадией, лимитирующей скорость всего ферментативного процесса.

Этап III - десорбция готового продукта реакции (Р) из комплекса E-S*, которая сопровождается освобождением фермента в его исходном виде. Этот этап, как и этап II, является необратимым (за исключением катализа обратимых реакций).

Основы кинетики ферментативных реакций

Кинетика ферментативных реакций — раздел энзимологии, изучающий зависимость скорости химических реакций, катализируемых ферментами, от химической природы реагирующих веществ, а также от факторов окружающей среды.

Зависимость скорости ферментативной реакции от количества ферментов

При проведении ферментативной реакции в условиях избытка субстрата скорость реакции будет зависеть от концентрации фермента. Графическая зависимость такой реакции имеет вид прямой линии: