Ферменты как биологические катализаторы

Тема: «Ферменты как биологические катализаторы».

Цель занятия: изучить особые свойства ферментов, связанные с их белковой природой, научиться классифицировать ферменты согласно типу катализируемой реакции и определять тип специфичности действия ферментов.

I. Теоретическая часть.

План.

1.Особенности ферментов как белковых катализаторов.

2.Активный центр фермента: определение, характерстика, свойства.

3.Специфичность действия ферментов: абсолютная, групповая, стереоспецифичность.

4.Номенклатура и классификация ферментов.

5.Строение ферментов: одно-, двухкомпонентные, апофермент, кофактор, простетическая группа, их роль.

6.Механизм действия ферментов.

7.Основы кинетики ферментативных реакций: единицы выражения активности ферментов, зависимость скорости реакции от концентрации фермента.

8.Влияние температуры и рН среды на активность ферментов.

9.Влияние концентрации субстрата на скорость ферментативной реакции. Уравнение Михаэлиса-Ментен.

1.Ферменты участвуют во всех химических процессах, осуществляемых в организме. По определению И.П.Павлова “ферменты есть... возбудители всех химических превращений...”. Ферменты впервые

выделены из живых клеток в 1897 г. германским биохимиком Эдуардом Бухнером (Eduard Buchner 1860 ÷ 1917).

Ферменты (энзимы) - это биологические катализаторы, образующиеся и функционирующие во всех живых организмах. В русской литературе принят

4

термин “ферменты”, а процессы, происходящие с участием этих катализаторов - ферментативные. По химической природе ферменты являются белками.

Ферменты также как и неорганические катализаторы:

катализируют энергетически возможные реакции за счет снижения энергии активации;

не изменяют направление реакции;

ускоряют достижение равновесия, но не сдвигают его;

не расходуются в процессе реакции.

Особые свойства ферментов связаны с их белковой природой - это:

высокая специфичность по отношению к субстрату и типу катализируемой реакции.

Наибольшая активность ферментов проявляется при физиологических значениях рН, температуре, давлении.

Вещество, превращение которого катализирует фермент, называется субстратом. Субстрат связывается не со всей молекулой фермента, а только с частью, которую назвали активным центом фермента.

2.Активный центр– совокупность аминокислотных остатков,

находящихся в составе различных участков полипептидной цепи или различных полипептидных цепей, но сближающихся при образовании пространственной структуры белка-фермента. Например, лизоцим – состоит из 129 аминокислотных остатков, из них - 5 остатков аминокислот, занимающих

5

35, 52, 62, 63 и 101 положения, входят в активный центр. Чаще всего в состав активного центра входят остатки полярных аминокислот: серина, гистидина, триптофана, аргинина, цистеина, аспарагиновой кислоты, глутаминовой кислоты и тирозина. Остальные аминокислоты обеспечивают правильную конформацию молекулы фермента для оптимального протекания реакции.

Активный центр обладает следующими особенностями:

является сложной трехмерной структурой и имеет форму узкого углубления или щели, в котором присутствует несколько полярных аминокислотных остатков, необходимых для связывания и катализа.

ориентирует субстраты таким образом, чтобы участвующие в реакции функциональные группы находились в непосредственной близости друг к другу (эффект сближения);

дестабилизирует межатомные связи в молекуле субстрата, что облегчает протекание химической реакции (эффект деформации субстрата)

Свойства активного центра зависят от:

химических свойств аминокислот, входящих в его состав,

их точной взаимной ориентации в пространстве,

условий окружающей среды.

Поэтому любые изменения первичной структуры фермента или условий

среды приводят к изменению структуры активного центра и потере его каталитической активности.

3. Специфичность действия ферментов.

Специфичность, то есть, высокая избирательность действия ферментов, основана на комплементарности структуры субстрата и активного центра фермента. Субстрат должен обладать способностью входить и пространственно совпадать с конформацией активного центра. В зависимости

6

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