Методичка по биохимии. 1 курс - 1 модуль

от структуры активного центра фермента различают субстратную и каталитическую специфичности фермента.

Субстратная специфичность – это способность фермента связываться с одним или несколькими субстратами. Выделяют следующие виды субстратной специфичности:

абсолютную специфичность проявляет фермент, когда катализирует превращение только строго определенного вещества. Это происходит в случае комплементарности его активного центра только одному субстрату.

Например, уреаза, катализирующая гидролиз мочевины:

групповая (относительная) специфичность возможна в том случае, когда фермент катализирует превращения группы сходных по структуре веществ. Например, групповой специфичностью обладают протеолитические ферменты, расщепляющие пептидные связи белков.

Стереоспецифичность возможна в том случае, если фермент катализирует

превращение только одного из возможных стереоизомеров. Стереоспецифичность может проявляться по отношению:

к D-сахарам: в организме человека ферменты осуществляют превращение сахаров D-ряда, а не L:

7

к L-аминокислотам: почти все ферменты человека взаимодействуют с L- аминокислотами;

к цис- и транс-изомерам. Например, фермент фумараза действует только на фумарат (транс-изомер), но не осуществляет катализ малеината (цис изомера):

к - и -гликозидным связям: под действием -амилазы в кишечнике расщепляется гликоген и крахмал, а целлюлоза, содержащая - гликозидные связи не гидролизуется и не может служить источником глюкозы в организме человека.

Каталитическая специфичность - специфичность пути превращения субстрата. Например, пировиноградная кислота может превращаться в лактат под действием лактатдегидрогеназы или ацетил КоА под действием пируватдегидрогеназного комплекса. Эти ферменты имеют различную структуру каталитического центра, поэтому хоть и связываются с одним веществом, но катализируют различные пути превращения пирувата.

8

4. Номенклатура и классификация ферментов.

Любой фермент имеет два названия: рабочее – удобное в использовании и систематическое, применяемое для идентификации фермента.

Рабочее название фермента состоит из названия субстрата, к которому присоединяется окончание (суффикс) «аза». Так, фермент, ускоряющий гидролиз крахмала, получил название амилаза (лат.: amylum - крахмал), гидролиз жиров - липаза (греч.: λίπος - жир) , белков (протеинов)- протеаза и т. п. Однако, для некоторых ферментов сохранилось тривиальное название: пепсин, трипсин.

В1961 году Международный союз по биохимии разработал

систематическую номенклатуру, согласно все ферменты на основании катализируемых реакций разделены на шесть классов, расположенных в следующем порядке: 1) оксидоредуктазы, 2) трансферазы, 3) гидролазы, 4) лиазы, 5) изомеразы, 6) лигазы (синтетазы). Каждый класс подразделяется на подклассы, а каждый подкласс - на подподклассы. Индивидуальный фермент имеет кодовое число (шифр) со стоящими перед ним буквами КФ (англ. ЕС). Шифр каждого фермента содержит четыре числа, разделенных точками. Первое число указывает к какому из шести классов принадлежит данный фермент. Второе число обозначает подкласс. Третье число обозначает подподкласс, а четвертое - порядковый номер фермента в данном подподклассе. Например, фермент КФ.1.1.1.1 имеет рекомендуемое (рабочее) название алкогольдегидрогеназа, систематическое название алкоголь:НАД оксидоредуктаза. Этот фермент относится к классу оксидоредуктаз (1),

действует на СН ОН группу доноров (1.1), акцептором водорода служит НАД (1.1.1); четвертая цифра шифра - порядковый номер фермента в пределах подподкласса.

9

ыновосстановит ельные реакции с участием двух

киназы

10

ют группы атомов по двойной связи).

Например, к 1 классу оксидоредуктаз относятся ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Субстрат, подвергающийся окислению рассматривается как донор водорода.

12

Систематическое название составляется по типу “донор-акцептор - оксидоредуктаза”. В зависимости от природы окисляемых групп в молекуле донора оксидоредуктазы разделили на 19 подклассов. Деление на подподклассы произведено в зависимости от природы акцепторов, которыми могут быть кофермент (НАД или НАДФ), цитохром, молекулярный кислород и т.д.

Если акцептором водорода является любое вещество, кроме кислорода, то такие оксидоредуктазы называют дегидрогеназами Если акцептором служит кислород, то ферменты, катализирующие перенос водорода на него, называют оксидазами. Реакции прямого включения кислорода в молекулу субстрата катализируют оксигеназы; при этом происходит включение либо двух атомов кислорода (диоксигеназы), либо одного атома кислорода (монооксигеназы). Термин пероксидаза относится к ферментам, использующим в качестве окислителя пероксид водорода.

5. Строение фермента.

Ферменты могут иметь как третичную, так и четвертичную структуру. Комплекс нескольких пептидных цепей называют олигомером, а отдельную субъединицу (полипептидную цепь) – протомером.

Подобно белкам ферменты могут быть простыми (однокомпонентными) и сложными (двухкомпонентными). Простые ферменты состоят только из аминокислот и имеют третичную структуру (например: пепсин, трипсин).

Сложные ферменты состоят из белковой и небелковой частей. Их называют холоферментами.

Белковая часть холофермента называется апоферментом, а небелковая часть - кофактором. Кофермент часто называют кофактором или простетической группой в зависимости от прочности его связывания с апоферментом. Кофактор называют:

13

простетической группой, если он связан прочно с белковой частью ковалентными связями;

коферментом, если связан непрочными нековалентными связями и может легко отделяться от апофермента. Кофермент способен к самостоятельному существованию.

Апофермент:

обеспечивает специфичность действия;

определяет тип химического превращения субстрата;

повышает каталитическую активность кофактора.

Кофактор

находится в каталитическом участке активного центра;

участвует в катализе, являясь посредником между ферментом и субстратом;

стабилизирует: белковую часть фермента, его активный центр, молекулы субстрата. Например: ионы К+ стабилизируют третичную структуру пируваткиназы, ионы цинка – стабилизаторы алкогольдегидрогеназы, ионы Са2+ - активаторы фермента протеинкиназы С.

Коферментами в двухкомпонентных ферментах являются большинство витаминов (например, E, K, B1, B2, B6, B12, C, H и др.) и витаминоподобных веществ, а также соединения, построенные с участием витаминов (коэнзим А, НАД+ и др.). Кроме того, коферментами могут быть: HS-глутатион, представители многочисленной группы нуклеотидов и их производных, фосфорные эфиры некоторых моносахаридов и ряд других веществ. Один и тот же кофактор в составе одного фермента может быть простетической группой, а составе другого - коферментом. Например: ФАД – у оксидазы аминокислот – является кофактором, а в составе ферментов цепи переноса электронов – простетической группой. Кофактор и апофермент по отдельности каталитической активностью не обладают.

14

6. Механизм действия ферментов.

Для того, чтобы произошла реакция молекулы должны столкнуться и обладать необходимым запасом энергии. Энергетический уровень реакции – это запас энергии, которым должны обладать молекулы, чтобы их столкновение стало эффективным (чтобы произошла химическая реакция). Этот запас энергии является постоянной величиной для каждой реакции. Средний энергетический уровень молекул – это энергия, которой обладает большинство молекул системы в данный момент времени. Молекулы постоянно находятся в движении, поэтому их энергетический запас постоянно изменяется и колеблется около величины, называемой средним энергетическим запасом энергии. В каждый момент времени наибольшая доля молекул обладает именно таким запасом энергии. Разность между средним энергетическим уровнем молекул и энергетическим уровнем реакции называется энергетическим барьером или энергией активации. Иначе, энергия активации представляет собой “энергетический барьер”, который нужно преодолеть для того, чтобы произошла реакция.Чем больше эта энергия активации, тем медленнее протекает реакция.

Преодолев “энергетический барьер” молекула переходит в промежуточное состояние, называемое а к т и в и р о в а н н ы м комплексом или п е р е х о д н ы м с о с т о я н и е м. В переходном состоянии возможно одновременное образование новых и разрыв старых химических связей.

Повышение среднего энергетического уровня молекул возможно за счет повышения температуры, поглощения ими лучистой энергии, столкновения их с другими возбужденными молекулами, но в живых организмах это невозможно, поскольку они функционируют при постоянных значениях температуры, давления и других параметрах. В живых организмах эту роль выполняют ферменты. Ферменты ускоряют реакцию направляя ее по такому пути, на котором энергетические барьеры ниже. Энергия, необходимая для «подъема» молекулы от среднего энергетического уровня реакции полностью

компенсируется при самостоятельном «скатывании» молекулы по склону

15

«вулкана», то есть, до среднего энергетического уровня продуктов реакции. Выделяемая при этом энергия называется тепловым эффектом реакции. В присутствии катализатора понижается энергия активации.

На первом этапе фермент сближается только с тем субстратом который по структуре соответствует структуре его активного центра (модель Фишера «ключ к замку»), далее субстрат, взаимодействуя с активным центром фермента, вызывает изменение его конформации, приводя к образованию фермент-субстратного комплекса, При этом молекула субстрата также изменяет свою конформацию, что обеспечивает более высокую эффективность ферментативной реакции (этап индуцированного соответствия - модель Кошланда). Эти два этапа обратимы. На третьем этапе происходит разрыв старых связей и образование новых с образованием продукта реакции, который по структуре не соответствует структуре активного центра, поэтому на последнем этапе покидает его. Эти процессы можно описать уравнением:

16