ВОЕННО-МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

Экз №__

Кафедра клинической биохимии и лабораторной диагностики

«УТВЕРЖДАЮ»

ИО начальника кафедры

клинической биохимии и

лабораторной диагностики

полковник медицинской службы

В.ПАСТУШЕНКОВ

«___» _____________ 2008 г.

доцент кафедры клинической биохимии и лабораторной диагностики

кандидат медицинских наук доцент А.ЧАЙКА

_____________________________________________________________________

Должность, ученая степень, ученое звание, воинское звание, инициал имени, фамилия автора (авторов)

ЛЕКЦИЯ № 5

По дисциплине: «Биохимия»

___________________________________________________________

(Наименование учебной дисциплины)

на тему: «СТРУКТУРА И МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ»

________________________________________________

(наименование темы занятий по тематическому плану изучения дисциплины)

с курсантами и студентами 2 курса факультетов подготовки врачей

(военно-медицинских специалистов иностранных армий)

Обсуждена и одобрена на заседании кафедры

«____» ____________ 200___ г.

Протокол №______

Уточнено (дополнено):

«____» ____________ 200___ г.

_____________________________________

(воинское звание, подпись, инициал имени, фамилия)

План лекции

1. Химическая природа ферментов. Особенности каталитического действия ферментов.

2. Коферменты и простетические группы. Активный и аллостерический центры.

3. Механизм ферментативного катализа.

4. Методы определения активности ферментов, способы выражения активности.

Как известно, белки, углеводы и жиры вне организма расщепляются на свои составные части лишь при длительном кипячении их с крепкими растворами минеральных кислот или щелочей. При этом белки постепенно распадаются на отдельные аминокислоты, полисахариды на ди- и моносахариды, жиры – на высшие жирные кислоты и глицерин. Между тем в пищеварительном канале человека и животных эти же гидролитические процессы протекают с достаточной скоростью при температуре всего лишь 37°С и при умеренно кислой /желудок/, нейтральной или слабощелочной/ в кишечнике/ реакции. Такое гидролизующее действие пищеварительных соков объясняется содержанием в них особых ферментов /пепсина, трипсина, липазы и т.д./.

Не только пищеварение, но и использование питательных веществ клетками, освобождение химической энергии органических соединений, поглощение кислорода тканями, образование СО2 и другие процессы в тканях и клетках совершаются так же при участии ферментов.

Обмен веществ в живом организме протекает в целом с очень большой скоростью. Без детального ознакомления с химией и механизмом действия ферментов невозможно понять процессы обмена веществ, а тем более воздействовать на них.

В данной лекции изложены следующие вопросы:

1. Строение ферментов.

2. Коферменты.

3. Уровни структурной организации ферментов.

4. Механизм действия ферментов.

5. Методы определения активности ферментов.

6. Классификация ферментов. Шифр ферментов и номенклатура.

1. Строение ферментов.

Ферменты – это специфические белки, выполняющие в организме роль биологических катализаторов. Являясь белками, ферменты имеют первичную, вторичную, третичную и многие из них – четвертичную структуру.

В настоящее время известно примерно 2000 ферментов. Более 200 ферментов выделены в кристаллическом виде.

При гидролизе /расщеплении/ ферментов образуется смесь аминокислот. Известно более 20 различных аминокислот, которые входят в состав ферментов. Многие из них присутствуют в составе каждого белка.

Большинство белков-ферментов состоит из сотен аминокислотных звеньев, т.е. молекула фермента включает большое количество пептидных связей и на каждую молекулу приходится значительное число одинаковых аминокислот.

В начале 1969 г. удалось в лабораторных условиях синтезировать фермент рибонуклеазу. Интересно отметить, что после того, как полипептидная цепь была собрана в надлежащей последовательности расположения аминокислот, она самостоятельно свернулась в клубок, в точности воспроизведя конфигурацию фермента. Полный синтез молекулы рибонуклеазы о том, что строение этого фермента теперь известно во всех деталях.

Ферменты могут быть как простыми, так и сложными белками.

Ферменты

Простые

Сложные

Апофермент

Кофактор

кофермент

Простетическая группа

Простые – при гидролизе дают только аминокислоты… Сложные – распадаются на аминокислоты и соединения небелкового характера. Белковый компонент сложного белка-фермента принято называть апоферментом. Небелковый компонент получил название кофермента. Как белковая часть сложного фермента, так и небелковый компонент в отдельности лишены ферментативной активности. Только соединившись вместе, они приобретают характерные свойства фермента.

Многие коферменты представлены витаминами или их производными. К настоящему времени известно свыше 200 отдельных ферментов, в состав которых входят в качестве коферментов витамины или их производные. Поэтом, если те или иные витамины отсутствуют в организме, то нарушается деятельность многих ферментных систем и организм не может нормально функционировать.

Коферменты по их функциям в ферментативных процессах можно разделить на 3 оновные группы:

1. Коферменты – переносчики атомов водорода /электронов/

2. Коферменты, связанные с ферментами, катализирующими реакции переноса химических групп.

3. Коферменты, принимающие участие в реакциях синтеза, изомеризации и расщепления углерод-углеродных связей.

Ранее других были открыты коферменты первой группы. Это прежде всего никотинамидадениндинуклеотид /НАД/ и никотинамидадениндинуклеотидфосфат /НАДФ/. Прежние названия этих коферментов – когидрогеназа I и кодегидрогеназа II.

Из приведённых структурных формул коферментов видно, что каждый из них содержит по два нуклеотида /основание – сахар – фосфат/. Основанием одного из нуклеотидов служит аденин, основанием другого – никотинамид. Наиболее важной особенностью НАД и НАДФ является то, что никотинамид, входящий в их состав, способен присоединять / и столь же легко терять/ два атома водорода. Ниже схематично представлено обратимое восстановление восстановление никотинамидного кольца коферментов НАД и НАДФ.

Таким образом, главную роль в коферментах НАД и НАДФ играет амид никотиновой кислоты. Возникает вопрос, зачем нужна остальная часть молекулы НАД и НАДФ? По-видимому, она необходима для того, чтобы фермент «узнал» свой кофермент. Известно, что существует группа ферментов, которые переносят водород только на НАД, а другая группа ферментов восстанавливает НАДФ.

НАД и НАДФ соединены с ферментом /а точнее с апоферментом/ только в период переноса двух водородов, например от субстрата на кофермент. После этого «отщепляются» от фермента и находятся в растворе в свободном состоянии. Коферменты НАД и НАДФ входят в состав всех клеток организма, но количество их в различных органах и тканях неодинаково.

Однако существуют коферменты, участвующие в окислительно-восстановительных реакциях, более или менее прочно связанные с апоферментами. К таким коферментам, в частности, относится флавинадениндинуклеотид, или сокращённо ФАД. В состав молекулы ФАД входит фосфорилированный витамин В₂ /рибофлавин/. В настоящее время известно более 40 различных ферментов, которые в составе своего кофермента имею витамин В₂.

Эти ферменты получили название флавиновых ферментов (от лат. Flavos – жёлтый; в окисленной форме кофермент ФАД имеет жёлтый цвет).

Многие из них для проявления своего действия, помимо коферментов ФАД, требуют присутствия ионов металлов /железа, молибдена и др./.

Примером кофермента – переносчика химических групп – может служить фосфопиридоксаль, который есть ничто иное, как фосфорилированный витамин В₆.

Существуют ферменты – аминотрансферазы, катализирующие перенос аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту. Эти ферменты в качестве кофермента имеют фосфопиридоксаль

Фосфопиридоксаль в качестве кофермента входит в состав не только аминотрансфераз, но и декарбоксилаз некоторых аминокислот.

Представителем кофермента третьей группы может служить тиаминпирофосфат /ТПФ/, который является производным витамина В₁ /тиамина/. Тиаминпирофосфат участвует в реакциях расщепления углерод-углеродных связей. Он известен также под названием кокарбоксилазы и представляет собой легко диализируемое, термостабильное , хорошо растворимое в воде соединение следующего строения:

Тиаманофосфат /кокарбоксилаза/

В организме человека тиаминпирофосфат в качестве кофермента входит в состав, по крайней мере, трёх ферментов, пируватдегидрогеназы; альфа-кетоглутаратдегидрогеназы и транскетолазы. Каждый из перечисленных коферментов функционирует в составе сложных ферментных систем, регулирующих углеводный обмен. Мы ограничились описанием лишь типовых коферментов, считая что на их примере можно получить общее представление об этой важной группе биорегуляторов.

Уровни структурной организации ферментов.

Многие ферменты имеют только 3 уровня структурной организации белковой молекулы: это первичная, вторичная и третичная структура. Форма этих молекул глобулярная. Одна полипептидная цепь образует одну глобулу. Когда фермент имеет одну глобулу, он называется мономерным ферментом (таблица). Простейшие ферменты (лизоцим, трипсин, РНК-аза, представляют собой одну полипептидную цепь или, по крайней мере, происходят из одной цепи (химотрипсин)

Уровни структурной организации ферментов.

Уровень организации	схема	Название
Первичная, вторичная, третичная структура		Мономерный фермент
Четвертичная структура		Олигомерный фермент, сложный фермент
Надмолекулярная организация		Мультиферментный комплекс
		Мультиферментный коньюгат
	Ферментные ансамбли:
		Адсорбционный
		Интегральный

Ряд ферментов имеет четвертичную структуру. В этом случае молекула белка состоит из нескольких субъединиц. Например, молекула фермента лактатдегидрогеназы состоит из четырёх субъединиц, каждая из которых обладает первичной, вторичной и третичной структурой. Следовательно, четвертичная структура имеется лишь у тех белков, которые состоят из нескольких полипептидных цепей. Последние могут быть идентичными или неидентичными. В создании четвертичной структуры /в соединении субъединиц в единую молекулу/ принимают участие неполярные, ионные и водородные связи.

Ферменты, имеющие четвертичную структуру, могут быть олигомерными и сложными. Олигомерный фермент состоит из нескольких одинаковых субъединиц – протомеров. Сложный фермент состоит из каталитической и регуляторной субъединицы /не протомеров/.

Ферменты, объединенные в мультиферментные комплексы, коньюгаты или ферментные ансамбли, имеют надмолекулярный уровень организации ферментов. В мультиферментном комплексе разные субъединицы катализируют различные, часто связанные друг с другом реакции. Ферменты сближены Е₁, Е₂ и Е₃ в случае многоступенчатых реакций. Мультиферментный коньюгат – это структура, подобная структуре мономерного фермента, состоящих из различных доменов. В нем два и более связанных между собой фермента являются частью одной и той же полипептидной цепи. Отличие коньюгата состоит в том, что в каждом домене есть отдельный активный центр, катализирующий свою химическую реакцию. Иногда такие коньюгаты удаётся разделить на соответствующие ферменты путём мягкого протеолиза.

Все рассмотренные до сих пор ферментные структуры обладают одним общим свойством: они могут перемещаться без нарушения их строения. Это не так в случае ферментных ансамблей. Ферментные ансамбли формируются, когда топология ферментов, в них входящих, поддерживается за счёт какой-либо опоры или матрикса. Различают адсорбционные и интегральные ансамбли. В адсорбционных ансамблях ферменты присоединены к поверхности мембраны или другой макромолекулы, они легко могут распадаться или существовать в равновесии между свободной /неупорядоченной/ и связанной /упорядоченной/ формами. Примером могут являться ферменты биологического окисления /дыхательные ферменты, цепь цитохромов/.

Интегральные ферментные ансамбли довольно стабильны, они включены в липидный бислой мембраны, спосбны в основном только к латеральному скольжению в плоскости мембраны. Примером является аденилатциклаза, включающая R-N- и С- субъединиц.