Изоферменты

Изоферменты – это изофункциональные белки. Они катализируют одну и ту же реакцию, но отличаются по некоторым функциональным свойствам в силу отличий по:

- аминокислотному составу;

- электрофоретической подвижности;

- молекулярной массе;

- кинетике ферментативных реакций;

- способу регуляции;

- стабильности и др.

Изоферменты – это молекулярные формы фермента, различия в аминокислотном составе обусловлены генетическими факторами.

Примеры изоферментов: глюкокиназа и гексокиназа.

+АДФ

Гексокиназа может фосфорилировать любой шестичленный цикл, гексокиназа – только превращение глюкозы. После приёма пищи, богатой глюкозой, глюкокиназа начинает работать. Гексокиназа – стационарный фермент. Он катализирует реакцию расщепления глюкозы при низких её концентрациях, поступающих в организм. Отличаются по локализации (глюкокиназа – в печени, гексокиназа – в мышцах и печени), физиологическому значению, константе Михаэльса.

Если фермент – олигомерный белок, то изоформы могут получаться в результате различной комбинации протомеров. Например, лактатдегидрогеназа состоит из 4-х субъединиц. Н – субъединицы сердечного типа, М – мышечного. Может быть 5 комбинаций этих субъединиц, а, следовательно, и 5 изоферментов: НННН (ЛДГ₁ – в сердечной мышце), НННМ (ЛДГ₂), ННММ (ЛДГ₃), НМММ (ЛДГ₄), ММММ (ЛДГ₅ – в печени и мышцах). [рис. эти 4 буквы в кружочки.

Надо отличать изоферменты от множественных форм ферментов. Множественные формы ферментов – это ферменты, которые модифицированы после своего синтеза, например фосфорилаза A и B.

Свойства ферментов

Общие черты ферментов и небиологических катализаторов:

1) и те, и другие катализируют только энергетически возможные реакции;

2) увеличивают скорость реакции;

3) не меняют направления реакции;

4) в ходе реакции не расходуются;

5) для обратимых процессов катализируют как прямую, так и обратную реакции, не смещая равновесия, а лишь ускоряя время его наступления.

Особые свойства ферментов:

1) высокая каталитическая активность. Металлы увеличивают скорость реакции в тысячи раз, а ферменты в миллионы раз. Например, уреаза ускоряет скорость реакции в 10¹⁴ раз. Каталаза ускоряет распад H₂O₂ в 1 млдр. раз! 2H₂O₂ 2H₂O +O₂. Без катализатора выделения кислорода не видно. Металлический катализатор увеличивает скорость реакции в 1000 раз, а при добавлении каталазы – бурное вспенивание.

2) специфичность действия – наиболее характерная черта. Строение активного центра фермента, катализирующего реакции, различна. Структура активного центра фермента комплементарна структуре его субстрата, поэтому фермент из множества веществ присоединяет только свой субстрат – субстратная специфичность фермента.

Каждый фермент катализирует не любое превращение субстрата, а какое либо одно – специфичность пути превращения. Например, на АК ГИС действуют 2 фермента: гистидаза (отщепляет NH₃) и гистидиндекарбоксилаза (отщепляет CO₂).

Выделяют несколько видов специфичности:

а) абсолютная специфичность. Фермент действует только на один единственный субстрат. Пр.: уреаза разрушает мочевину: NH₂-CO-NH₂ (над стрелкой уреаза, под – вода) 2NH₃+ CO₂. Аргиназа катализирует распад аргинина.

б) групповая специфичность. Фермент действует на определённую связь в разных субстратах. Пр.: пептидазы разрывают пептидные связи [-NH-CH(R)-CO--NH-CH(R)-CO-]. Пепсин действует только на связи, образованные карбоксильной группой ароматических АК (ФЕН, ТИР, ТРИ). Эстеразы разрывают сложно-эфирную связь [-CO-NH-] в различных липидах. Гликозидазы действуют на гликозидную связь. Действие ферментов, обладающих групповой специфичностью, позволяет организму содержать небольшое количество ферментов.

в) стереоспецифичность. Фермент действует на определённый стереоизомер (D- и L-, цис- и транс-). Пр.: бутен-2-диовая кислота имеет 2 стереоизомера: транс-изомер или фумаровая к-та, и цис-изомер или малеиновая кислота.

Фумараза действует на фумаровую к-ту с превращением последней в яблочную.

В стереоспецифичности выделяют оптическую специфичность – избирательное действие ферментов на оптические изомеры. Например, под действием ЛДГ разрушается только L-форма молочной к-ты.

3) Влияние температуры (правило Вант-Гоффа). При увеличении температуры на 10 градусов скорость реакции увеличивается в 1,5-2 раза. Но для фермента это правило действует только до 40 градусов, т.к. дальше наступает тепловая денатурация фермента. Большинство ферментов в организме человека имеет оптимальную температуру 25-40 градусов [рис. графика: по оси х – температура, по у – процент активности. Рисуем горочку, оптимум – на 37-40°С].

Повышение активности фермента при увеличении температуры объясняется увеличением кинетической энергии реагирующих молекул, что приводит к увеличению числа столкновений между молекулами. При дальнейшем повышении температуры энергия становится чрезмерной, и внутри молекулы разрываются слабые связи – водородные, гидрофильные взаимодействия; происходит нарушение вторичной, третичной, четвертичной структуры фермента.

Ряд ферментов термостабильны, например, гликопротеины.

4) Влияние рН. Для поддержания третичной или четвертичной структуры фермента часто может быть необходимо наличие заряда на группе, удаленной от области связывания субстрата. Если же заряд этой группы меняется, то может происходить частичное развертывание белковой цепи, или компактизация, или диссоциация (олигомерные белки). Поэтому при отклонении рН от оптимального значения, фермент может потерять свою нативную структуру, в результате чего не происходит полноценного связывания активного центра с субстратом. Также при изменении рН может происходить изменение заряда на субстрате.

[рис. график. По х – рН, по у – процент активности. Рисуем горочку.]

Пепсин – 1.5-2, амилаза слюны - 6.8-7.2, трипсин - 7.5-8.6. Для большинства ферментов оптимум рН лежит в среде, близкой к нейтральной.

5) Скорость ферментативной реакции прямо пропорциональна кол-ву фермента (для небиологических катализаторов такой зависимости нет). Недостаток фермента в живом организме, например при неполноценном питании, генетических нарушениях, приводит к уменьшению скорости превращения веществ и наоборот.

6) Ферменты являются регулируемыми катализаторами. Так под действием различных веществ (активаторов и ингибиторов) меняется скорость ферментативной реакции.