Enzimologiia

Энзимология

-УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ПОЛЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

М.А. АЛЬМЕСЕЛМАНИ

1-31 01 02– «Биохимия»

Пояснительная записка Теоретический раздел Лабораторные работы

Список литературных источников Вопросы к экзамену Учебная программа дисциплины

Пинск

ПолесГУ

2022

Энзимология

2

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Электронный учебно–методический комплекс по курсу "Энзимология" представляет собой целостную совокупность разновидностей учебных материалов, необходимых для проведения всех видов занятий по данной дисциплине, являющейся базовой дисциплиной специального цикла образовательной программы для подготовки студентов I ступени высшего образования по специальности 1-31 01 02 Биохимия.

Целью создания электронного учебно–методического комплекса является систематизация материала, необходимого для реализации требований образовательных программ и образовательных стандартов высшего образования.

В нем обозначены основные вопросы по изучаемому курсу, указана литература, необходимая для углубления и расширения объема знаний, полученных на лекциях и почерпнутых из данного ЭУМК, приведены учебные задания, вопросы для самоконтроля, которые могут быть

выносимые на рассмотрениеПолесГУна лабораторних занятиях.

использованы для выявления степени усвоения изучаемого материала.

В структуре ЭУМК пред тавлены следующие основные разделы: теоретический раздел; практиче кий раздел; раздел контроля знаний;

лекций дисциплины "Энзимо огия", в котором изложены основные темы, изучаемые при прохождении курса.

Практический раздел к мплекса содержит материалы, необходимые

для подготовки к лабораторным занятиям. В нем приведены темы,

Раздел контроля знаний содержит материалы итоговой аттестации (перечень вопросов к экзамену).

Во вспомогательном разделе ЭУМК представлена программа курса "Энзимология", в соответствии с которой формулировались и компоновались все другие элементы структуры электронного учебно–методического комплекса.

Энзимология

3

СОДЕРЖАНИЕ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

1 Введение в дисциплину

1.1Предмет, задачи и направления дисциплины.

1.2Катализаторы, ферменты, как биологические катализаторы. Секреция ферментов наружу.

1.3Секреция ферментов наружу. Отличия ферментов от небиологических катализаторов. Фермент.

1.4История ферментов, немного общих моментов кинетики и физической химии.

4.2Причины снижения энергии активации.

4.3Основы кинетики ферментативных реакций.

4.4Стандартная единица фермента.

5Молекулярные механизмы, обеспечивающие высокую каталитическую активность ферментов. Теории ферментативного катализа.

5.1Молекулярные механизмы ферментативного катализа.

5.2Кислотно-основной катализ, ковалентный катализ.

5.3Специфичность действия ферментов, Специфичность по отношению к субстрату, Специфичность по отношению к реакции.

5.4Функциональная организация ферментов. Регуляция биосинтеза ферментов. Изоферменты.

5.5Мультиферментные системы.

Энзимология

4

6 Влияние различных факторов на активность ферментов

6.1Факторы, влияющие на скорость ферментативных реакций, влияние концентрации фермента (CE).

6.2Влияние температуры (t, °С), влияние среды (рН).

6.3Влияние концентрации субстрата (СS).

6.4Влияние активаторов и ингибиторов на активность ферментов.

7 Регуляция активности и количества ферментов

Энзимология

5

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

ТЕМА № 1: ВВЕДЕНИЕ. НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЗИМОЛОГИИ

Вопросы к экзамену

Задание:

- Использование данных энзимологии в медицине, сельском хозяйстве,

Энзимологии – это предмет изучения строения, свойств, и механизмов регуляции активности ферментов, которые играют ключевую роль в жизнедеятельности клеток всех типов.

Задачи энзимологии:

Основной задачей энзимологии является описание ферментов и связанных с ними процессов.

Можно выделить следующие направления энзимологии:

1.Определение роли отдельных ферментов в ускорении химических реакций, протекающих в организме,

2.Выделение и очистка ферментов, установление их структуры,

3.Исследование механизма действия,

4.Изучение кинетических характеристик и особенностей регуляции активности в организме.

Энзимология

6

5. Процесса биосинтеза ферментов, их биологии, практического применения в медицине, сельском хозяйстве, промышленности.

Ферменты (энзимы) – это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. С их помощью в клетке протекают многочисленные реакции с высокой скоростью. Сами ферменты в ходе реакции не расходуются.

Функциональные части ферментов:

1.Активный центр

2.Связывающие центры

3.Каталитический центр

•Активный центр – область основной активности фермента, некоторые компоненты которой участвуют в превращении и делятся на 2 части. Как правило, активные центры погружены внутрь молекулы, почти нет контакта со внешней средой.

•Связывающие центры – области, отвечающие за специфичность самого фермента.

•Каталитический центр – часть, осуществляющая само превращение.

Мишени ферментов:

1.Субстрат

2.Продукт

•Субстрат – вещество, пр вращаемое ферментом,

•Продукт – вещество, образующееся в результате реакции.

Дополнительные участники реакций:

1.КофакторыПолесГУ

2.Простетические группы

3.Косубстраты

•Кофакторы – вещества, влияющие на скорость реакций. Могут быть как органическими, так и ионами металлов.

•Простетические группы – прочно связаны с ферментом и не диссоциируют (ФАД, например, ковалентно привязан к белку и не меняется в течение реакции).

•Косубстраты – соединения, подвергающиеся изменению вместе с данным ферментом, параллельно с субстратом, но для обратного эффекта должны попасть в другую ферментную систему.

Фермент по своей природе – это определяющий фактор процессов клетки, любое вещество образуется под действием фермента. Наличие ферментов определяется самим организмом.

История ферментов. Первое упоминание о ферментативной реакции – 200 лет назад, и первая изученная реакция – реакция створаживания. В данной реакции участвует фермент (сычужный фермент), получаемый из

желудка молодых телят. Чаще ферменты встречаются в виде смесей, однако

Энзимология

7

можно выделить из этой смеси отдельный фермент. Второе открытие ферментативной реакции – солод. Экстракт проростков злака, содержащий амилазу, фермент расщепляющий крахмал. Однако практически любой фермент теряет активность при 60 градусах, что часто является проблемой при использовании и выделении ферментов. Ферменты – вспомогательные реагенты. В одной бактерии можно обнаружить около 2-3 тыс. видов ферментов. В эукариотах порядка десятков тысяч. Ферменты применяются, как аналитические реагенты.

Рибозимы достаточно широко представлены в природе и играют важную роль в эволюции живых организмов, поскольку они могут обеспечивать репродукцию и процессинг РНК без участия белков-ферментов. В частности, рибозимы участвуют в удалении неинформативных интронов из пре-м-РНК, на этапе синтеза белков путем созревания тРНК с помощью рибонуклеазы рРНКПолесГУ, а также в процессе саморепликации вирусного РНК генома (патогенны вирусы для растений и человека). Ранее неоднократно сообщалось, что синтез белка в рибосомах зависит от уровня рРНК.

Немного общих моментов кинетики и физической химии. Если говорить о скоростях проводимых реакций, то скорость реакции всегда пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Чем больше вещества, тем больше скорость. Для получения того или иного вещества, клетка препятствует наращиванию концентрации предшественника, ведь как правило нужное вещество не существует во внешней среде. Для получения нужного продукта вещества предшественники должны содержаться в достаточных концентрациях.

К чему это может привести?

Клетка насыщена ненужными продуктами, следовательно, чем больше вещества, тем больше ненужных излишков, которые клетка не способна переработать. И этого следует, что нужна большая скорость реакции. Тем самым ферменты являются обязательным компонентом живой системы.

Катализаторы. Процессы в живых клетках не очень энергетически выгодны. Многие процессы не пойдут с нужной скоростью, так как они требуют высокую энергию активации (преодоление энергетического барьера). Основная проблема решается повышением температуры, но для клетки такое решение может быть смертельно. Однако снижение этого барьера как раз помогает протеканию нужных реакций.

Пример – реакция: изомеризация глюкозы в маннозу, необходимо создать промежуточное соединение, которое либо имеет двойные связи, либо имеет напряженную конфигурацию и нарушения валентных углов. Поэтому, берем глюкозу и добавляем щелочь, глюкоза превращается во фруктозу. Происходит гидроксилирование по карбонильному углероду, возникает лишняя валентность и присоединение протона. Однако через те же

Энзимология

8

промежуточные продукты можно перейти к маннозе, и нужна щелочная среда. Но есть фермент, совершающий все то же самое, но без щелочной среды. Захват сахара, отделение от среды, протонирование, перемещение связи, депротонирование и получение из глюкозы фруктозу. Однако есть специфичность – фермент делает ровно одно превращение. В итоге фермент осуществляет специфическое превращение, без накопления побочных продуктов и создания экстремальных условий. Ферменты, как биологические катализаторы. Ферменты отличаются от небиологических катализаторов. Обнаружить фермент можно только при действующей реакции и никак иначе. В клетке проходит множество реакций, и точно определить какой фермент участвует в реакции сразу нельзя. Для этого необходимо выделять конкретные ферменты, научиться определять пути превращения.

Секреция ферментов наружу. Существует явная закономерность, клеточные ферментыПолесГУменее устойчивы в сравнении с наружными. У

неклеточных ферментов больше дисульфидных мостиков, которые и мешают денатурации при экстремальных условиях. Внутри клетки такого нет, там восстановительная среда и для функционирования ферментов нужны

свободные группы, взаимодей твующие субстратом. Внеклеточные

ферменты сорбируются на чем-то, напоминающем комплекс, содержащий субстрат, в связи с этим ферм нты работают только комплексно.

Отличия ферментов от н биологических катализаторов.

• скорость ферментативных реакций выше, чем реакций, катализируемых небелк выми катализаторами;

• ферменты бладают высокой специфичностью;

• ферментативная реакция проходит в клетке, т. е. при температуре 37 °С, постоянном атмосферном давлении и физиологическом значении pH;

• скорость ферментативной реакции может регулироваться.

Ферменты как биологические катализаторы. Ферменты отличаются от небиологических катализаторов. Обнаружить фермент можно только при действующей реакции и никак иначе. В клетке проходит множество реакций, и точно определить какой фермент участвует в реакции сразу нельзя. Для этого необходимо выделять конкретные ферменты, научиться определять пути превращения.

Энзимология

9

ТЕМА № 2: ХАРАКТЕРИСТИКА ФЕРМЕНТОВ, КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ И НОМЕНКЛАТУРА

4. Не смещают равновесия реакции, а ускоряют его наступление.

Различия между ферментами и химическими катализаторами:

1.Ферменты являются белками и поэтому катализируют реакции в «мягких» условиях (давление 1 атм, температура 37 оС и нейтральное значение рН)

2.Ферменты обладают физико-химическими свойствами, характерными для белков: высокой молекулярной массой, амфотерностью, не способны к диализу, подвергаются высаливанию и денатурации.

3.Для ферментов характерна более высокая эффективность. Например, энергия активации разложения перекиси водорода Н2О2→Н2О + ½ О2 равна 75,2 кДж/моль. При добавлении неорганического катализатора платины

энергия активации снижается до 50,2 кДж/моль.

Энзимология

10

Фермент каталаза снижает энергию активации до 8,3 кДж/моль.

4. Активность фермента регулируется и контролируется на генетическом уровне (на этапе синтеза белка-фермента и его фолдинга) и посредством низкомолекулярных соединений (субстратов, продуктов реакции и других низкомолекулярных эффекторов).

5. Ферменты обладают специфичностью. Различают 4 вида

специфичности ферментов:

1.Абсолютная специфичность – фермент катализирует превращение только одного субстрата. Например, аргиназа расщепляет аргинин, уреаза — мочевину.

2.Относительная специфичность – фермент расщепляет определенный тип связи. Например, липаза гидролизует жиры по месту сложноэфирной связи на глицерол и жирные кислоты.

3.ОтносительнаяПолесГУгрупповая специфичность – фермент расщепляет определенный тип связи, но в ее образовании участвуют определенные функциональные группы. Такие ферменты обычно участвуют в процессе пищеварения. Например, пищеварительные ферменты, гидролизующие пептидную связь в белках, отно ят я к протеиназам (относительная специфичность), но среди них пеп ин расщепляет пептидную связь, образованную аминогруппой ароматических аминокислот; трипсин – пептидную связь, образованную карбоксильной группой основных аминокислот, а химотрипсин – карбоксильной группой ароматических аминокислот (относительная групповая специфичность).

4.Стереохимическая специфичность – фермент катализирует превращение определенного стереоизомера.

Например, оксидаза L-аминокислот превращает только L - аминокислоты.

6.В организме действуют, как правило, полиферментные системы, в результате чего происходит многоэтапное превращение вещества с допустимыми для организма перепадами энергии.

Полиферментные системы (комплексы) представляют собой несколько ферментов, катализирующих ряд согласованных реакций, причем конечные продукты одной ферментативной реакции являются субстратами для следующей. Различают три типа полиферментных комплексов:

а) ферменты растворены в цитоплазме и контакт субстратов с ними осуществляется посредством диффузии;

б) ферменты соединены друг с другом за счет белок-белковых взаимодействий;

в) ферменты соединены друг с другом и иммобилизованы на внутриклеточных или цитоплазматических мембранах.

Классификация и номенклатура ферментов