Лекція № 5. Хімія ферментів

План

1. Загальна характеристика ферментів, їх біологічне значення.

2. Номенклатура ферментів.

3. Особливості ферментативного каталізу.

4. Хімічна природа ферментів. Ізоферменти, особливості будови, клініко-діагностичне значення.

5. Властивості ферментів.

6. Кінетика ферментативних реакцій.

7. Класифікація ферментів.

8. Локалізація ферментів у клітині.

9. Значення визначення активності ферментів у діагностиці хвороб.

10. Специфіка методів дослідження активності ферментів, одиниці активності ферментів.

1. Загальна характеристика ферментів

Матеріальною основою життя являється взаємодія хімічних речовин і елементів живого організму.

В нормальних фізіологічних умовах біологічні реакції протікають з досить великими швидкостями. Велику швидкість забезпечують біологічні каталізатори-ферменти.

Діючи в строго визначеній послідовності, вони каталізують розщеплення молекул поживних речовин, забезпечують запас і перетворення хімічної енергії, з простих молекул будують макромолекули, що входять в склад клітин і тканин організму.

Наука про ферменти є окремою галуззю біохімії і називається ферментологія.

Вчення про ферменти лежить в основі найважливіших проблем фізіології і патології людини на молекулярному рівні.

Практично всі фізіологічні процеси в організмі забезпечуються каталітичною дією ферментів. І.П. Павлов назвав ферменти "збудниками життя".

Велике значення мають ферменти і в медицині. Деякі хвороби людини, особливо спадкові, можуть бути зв'язані з недостатністю або взагалі відсутністю якогось ферменту.

Наприклад, відсутність у дітей ферменту, що перетворює галактозу в глюкозу є причиною галактомезії, при якому діти отруюються надлишком галактози. З іншої сторони, підвищена активність ферменту може привести до захворювання, наприклад, подагри.

Порушення біохімічних процесів спостерігається при самих різноманітних хворобах людини, при цьому змінюється і діяльність відповідних ферментів. Ось чому визначення активності ферментів крові має важливе значення в діагностиці, а використання ферментів в якості ліків відкриває новий розділ в медицині.

Крім того, ферменти широко використовуються і в промисловості. З допомогою ферментів розшифрована структура білків і нуклеїнових кислот, одержаний ряд ферментативних препаратів, вітамінів.

Ферментологія має довгу і багату відкриттями історію. В її розвитку приймали участь вчені світу, серед них гідне місце займають вітчизняні вчені І.П. Павлов, С.Є. Северин, В.Н. Орехович, Ю.А. Овчинников.

2. Номенклатура ферментів

Назва у ферментів досить складна і складається з декількох частин.

1. Назва субстрату (тобто речовини, на яку діє фермент).

2. Назва типу ферментативної реакції, що каталізує фермент.

3. Назва продукту реакції (Р) та її учасників.

4. До назви фермента додають закінчення -аза. Наприклад, у печінці є фермент, що каталізує розщеплення глюкозо-6-фосфату на вільну глюкозу та фосфатну кислоту.

Глюкоза-6-фосфат-фосфогідролаза

В цій назві:

1. Назва субстрату - глюкоза - 6 - фосфат.

2. Назва продукту реакції - фосфорна кислота.

3. Тип реакції - гідроліз.

4. Додається закінчення - аза.

В практиці збереглись і другі назви ферментів, що називаються тривіальними: пепсин, амілаза, трипсин. До них відносяться гідролітичні ферменти ШКТ.

3. Особливості ферментативного каталізу

Каталіз - процес прискорення хімічної реакції під впливом каталізатора, який приймає участь у даному процесі, але до кінця реакції залишається хімічно незмінним. Каталізатори бувають органічні та неорганічні. Органічні каталізатори - це ферменти.

Між молекулами, які вступають в реакцію, існують сили притягування і відштовхування.

При недостатньому запасі енергії молекули необхідно активізувати, тобто додати їм необхідну кількість енергії, що називається енергією активізації. Активація молекул відбувається різними шляхами: нагріванням, опроміненням, підвищенням тиску і за допомогою каталізаторів.

Суть дії каталізаторів заключається в тому, що вони в нормальних фізіологічних умовах викликають перебудову субстрату за рахунок внутрішньо молекулярної перебудови. Це призводить до зниження енергії активізації і молекули можуть взаємодіяти без залучення додаткової енергії. Крім того, активовані молекули взаємодіють набагато швидше.

Характеристика ферментативного каталізу.

Ферменти є природними біологічними каталізаторами, і тому мають подібні властивості з неорганічними каталізаторами.

Суть ферментативної реакції характеризується слідуючими рівняннями.

Е+S ЕS Е + Р

Е - фермент, S - субстрат, Р - продукти реакції. ЕS - фермент субстратний комплекс.

Але ферменти відрізняються від неорганічних каталізаторів рядом параметрів. Ферменти на відміну від неорганічних каталізаторів є високомолекулярними полімерами, мають високу специфічність, низький оптимум температури (35-45ºС) фізіологічний діапазон рН, діють при атмосферному тиску і мають зворотність дії і велику швидкість ферментативної реакції.

Е субстрат ЕS Е + Р

фермент активний центр фермент-субстратний фермент продукти реакції

комплекс

Ферментативна реакція може йти як у прямому так і в зворотньому напрямку.

Активність ферментів може змінюватися в залежності від статі, віку, фізіологічного стану організму. Це не властиво неорганічним каталізаторам.

Розмір молекули ферменту не відповідає розміру молекули субстстрату. Фермент є по своїй природі білком і має велику молекулярну масу в порівнянні з низькомолекулярним субстратом. Крім того, було відмічено, що навіть після відщеплення від молекули ферменту деякої кількості амінокислот, він зберігає свої властивості. Все це дає підстави стверджувати, що фермент діє не всією молекулою, а деякою ділянкою, розташованою на поверхні ферменту. Ця ділянка відповідає структурі субстрату і називається активним центром. Він складається з різноманітних функціональних груп, що представляють радикали амінокислот, утворюючих первинну структуру ферменту.

4. Хімічна природа ферментів

Це білки, що мають велику молекулярну масу рибонуклеаза – 12. 700 в.о., пепсин - 35.000 т. в.о. Ферменти, як і всі білки мають первинну, вторинну, третинну, четвертинну структури.

Первинна структура представляє собою послідовне з’єднання амінокислот і зумовлена спадковими особливостями організму. Саме первинна структура в значній мірі характеризує індивідуальність ферменту.

Вторинна структура представляє α – спіраль.

Третинна - має вид глобули і приймає участь у формуванні активного центру та інших властивостей ферментативної молекули.

Багато ферментів мають четвертинну структуру, що представляє собою об'єднання декількох субодиниць, що мають три рівні організації молекул. Ці субодиниці можуть розрізнятися між собою, як в кількісному, так і в якісному співвідношенні. Це привело до появи груп споріднених ферментів - ізоферментів, що представляють собою ряд форм одного і того ж ферменту. Вони каталізують одну і ту ж реакцію, але розрізняються по місцю локалізації, складу, і тому мають різні фізико-хімічні властивості: швидкості руху в електричному полі, оптиму температури.

Ізоферменти існують більш ніж у 100 ферментів. Наприклад, ЛДГ - каталізує утворення і окислення молочної кислоти. Цей фермент має четвертинну структуру і складається з чотирьох субодиниць, дві з яких представлені типом Н (heat - серце), дві М (muscul - м'язи). За назвою органів де знайдена їх найбільша активність. Різне співвідношення цих субодиниць призвело до появи 5-и ізоферментів ЛДГ.

ЛДГ - 1 (4Н) серце, печінка, мозок.

ЛДГ - 2 (ЗНІМ) нирки, легені.

ЛДГ - З (2Н2М) нирки, легені, мозок.

ЛДГ - 4 (ІНЗМ) - печінка, м'язи.

ЛДГ - 5 (4М) - печінка, м'язи.

Ці ізоферменти позначаються цифрами і в залежності від швидкості руху в електричному полі розділяються методом електрофорезу на 5 фракцій.

Відмінність у хімічному складі ферментів послужила основою для поділу їх на ферменти-протеїни та ферменти-протеїди.

Протеїни складаються тільки з амінокислот. Це в основному гідролітичні ферменти (пепсин, амілаза, ліпаза) ШКТ.

Складні ферменти протеїди мають небілкову частину кофермент і білкову - апофермент.

Коферменти можуть бути представленні мінеральними речовинами, їх називають металоферментами, активними формами вітамінів і нуклеозидтрифосфатами. Присутність вітамінів у складі ферментів визначає їх біологічне значення.

Присутність вітамінів у складі ферментів і визначає їх біологічне значення. Вітамін	Кофермент	Фермент	Тип реакції
Тіамін В1	Тіамінпірофосфат	Декарбоксилаза	Декарбоксилювання (від щеплення СО2)
Піродоксін В6	Фосфопіродоксаль	Амінотрансферази	Перенесення аміногрупи
Вітамін В12	Кобамідні ферменти	Трансметилази	Перенесення метальної гр.

5. Властивості ферментів

Ферменти являються по своїй хімічній природі білками і характеризуються їх властивостями. Це високомолекулярні сполуки здатні утворювати колоїдні розчини мають властивості амфоретних електролітів, термолабільні. Окрім властивостей білків вони мають свої специфічні властивості - зворотність дії та специфічність.

Зворотність дії:

При вивченні дії ферментів біло встановлено, що деякі з них можуть каталізувати як пряму так і зворотну реакцію. Наприклад, ЛДГ забезпечує не тільки розпад молочної кислоти, але і її утворення. Вперше на таку властивість ферментів вказав А.Я.Данилевський (1888 рік), що далі було підтверджено роботами І.П.Павлова, А.І. Опаріна. Слід зазначити, що зворотність дії мають не всі ферменти.

Специфічність

Специфічність це одне з найбільш видатних властивостей ферментів. Ця властивість була відкрита ще в минулому столітті, коли було зроблено спостереження, що близькі по структурі речовини - просторові ізомери, розщеплюються зовсім різними ферментами. В основі специфічності лежить строга відповідність структури субстрату активному центру ферменту. Утворення фермент-субстратного комплексу відбувається слідуючим чином. Як було встановлено у первинному стані структура субстрату і активного центру не точно відповідають один одному. Але при їх взаємодії вони впливають один на одного таким чином, що їх просторові структури змінюються. В результаті, по образному вислову Е.Фішера субстрат підходить до ферменту, як ключ до замка. І стає можливим утворення комплексу субстрата з активним центром ферменту. Цю модель взаємодії називають іще моделлю ключа і замка.

Ступінь специфічності у ферментів різна і поділяється на абсолютну і відносну специфічність.

Відносну специфічність мають ферменти, кожен з яких діє на декілька речовин, що мають один тип зв'язку. Наприклад, протеїнази розщеплюють пептидний зв'язок - NH – СО.

Ферменти, що каналізують перетворення тільки одного субстрату мають абсолютну специфічність. Прикладом цього може бути амілаза, що гідролізує крохмаль до глюкози, сахараза, що розщеплює сахарозу на глюкозу і фруктозу.