1 Ферменты (энзимы) – многочисленные биологические катализаторы, которые способны в тысячи или даже миллионы раз ускоряют течение химических реакций.

- специфические катализаторы белковой природы, ускоряющие течение определенных химических реакций и играющих важнейшую роль в обмене веществ.

Изучение ферментов более практическое в промышленности – винодельне, сыроваренья, производство чая, табака, аминокислот, органических кислот, витаминов, антибиотиков.

Механизм действия ферментов связана со снижением энергии активации.

Избыточное количество энергии необходимо для прохождения реакции между молекулами при столкновении, называется энергией активации. В молекуле она может быть в виде кинетической энергии.

Фермент принимает участие в реакции, но выходит из неё в неизменном состоянии. Сущность действия фермента заключается в том что направляя реакцию обходными путями снижает энергию активации необходимую для протекания данной реакции. Субстрат соединяется лишь со строго определенными, сравнительно небольшими участками молекулы фермента. Образование фермент – субстратного комплекса представляет собой легкообратимый процесс, так как соединение фермента с субстратом происходит за счет возникновения водородных связей, ион-дипольных взаимодействий, ванн-дер-ваальсовых сил, а ковалентных связей между ферментом и субстратом, как правило, не образуется.

На первой фазе реакции вещество А-В соединяется с определенными участками молекулы фермента. Затем с участием воды происходит гидролиз, разрыв связи А-В и образование веществ А-ОН и ВН, которые соединены с ферментом. И наконец вещества А-ОН и ВН отделяются от молекулы фермента, и фермент становится способным катализировать гидролиз новых молекул вещества АВ. Картинка

2 Ферменты образуют коллоидные растворы и имеют высокие молекулярный вес. Значительная часть их прочно связана с клеточными включения. Установлено, что каждый фермент содержит белок и что каталитические функции ферментов теснейшим образом связаны с белковыми веществами. Ферменты делятся на две группы однокомпонентные и двухкомпонентные.

Двухкомпонентные – ферменты состоящие только из белка, обладающие каталитическими свойствами.

Являются ферменты пируват-декарбоксилаза, катализирующая расщепление пировиноградной кислоты на уксусный альдегид и СО₂ У этого фермента специфический белок соединение с активной группой, представляющей фосфорный эфир витамина В₁ В состав активной группы окислительно - восстановительных ферментов, так называемых

анаэробных дегидрогеназ, входит витамин РР, аэробные дегидрогеназы витамин В₂, производное витамина В_6, Биотин входит в состав ферментов, катализирующих реакции карбоксилирования, фолиевая кислота входит в состав ферментов, принимающие участие в реакциях катализирующих перенос одноуглеродных остатков –СН₃ –СНО –СН₂ОН от одних соединений на другие. В состав некоторых ферментов входят группировки содержащие атомы металлов.

Однокомпонентные – ферменты которые состоят из белка и связанной с белком небелковой части, так называемой простетической, или активной группы

Роль активных групп выполняют определенные химические группировки (активные центры) входящие в белок. Активный центр – часть молекулы ферментного белка, с помощью которой фермент соединяется с субстратом и от которого зависят каталитические свойства фермента. Они представляют собой определенные, специфические для каждого фермента группировки аминокислот, расположены в строго определенной последовательности в одной из двух частях молекул фермента. При взаимодействии активного центра с субстратом и происходит образование комплекс фермент-субстрат. Каталитическая способность активного центра обусловлена специфической конфигурацией близлежащих участков полипептидной цепи молекулы фермента.

3 Механизм действия ферментов связана со снижением энергии активации.

Избыточное количество энергии необходимо для прохождения реакции между молекулами при столкновении, называется энергией активации. В молекуле она может быть в виде кинетической энергии.

4 Сущность действия фермента заключается в том что направляя реакцию обходными путями снижает энергию активации необходимую для протекания данной реакции. Субстрат соединяется лишь со строго определенными, сравнительно небольшими участками молекулы фермента. Образование фермент – субстратного комплекса представляет собой легкообратимый процесс, так как соединение фермента с субстратом происходит за счет возникновения водородных связей, ион-дипольных взаимодействий, ванн-дер-ваальсовых сил, а ковалентных связей между ферментом и субстратом, как правило, не образуется.

5Спецефичность – действие каждого фермента строго ограничено одним веществом или группой близких веществ – важнейшее из биологических свойств без которого не возможен нормальный обмен веществ в организмах.

Абсолютная – каждый фермент действует на определенное химическое вещество. Например: уреаза катализирует гидролитическое расщепление только мочевины.

Групповая – фкермент катализирует расщепление определенных химических связей в определенных группах близких по строению веществ Например липазы катализируют гидролитический распад различных сложных эфиров, пепсин расщепляет всевозможные белки, кислота фосфатаза гидролизирует разные моноэфиры ортофосфорной кислоты.

6 Влияние температуры.

При повышение температуры активность ферментов увеличивается. Температурный коэффициент (Q₁₀) любой химической реакции в том числе и ферментативной, можно вычислить по уравнению

В интервале температуры 0-50 – которой выращиваются растения. Большинство ферментативных реакций составляет 1,4-2,0. Величина Q₁₀ обычно ниже, чем реакции протекающие с участием неорганических катализаторов. Температура при которой наблюдается наиболее интенсивное действие фермента называется оптимальной (1) у большинства растение 40-60 а у животных 40-50 при более высоких температурах активность резко снижается а при 70-80 большинство ферментов необратимо разрушаются. Оптимальная температура изменяется в зависимости от времени воздействия температуры. Несколько сек. 70-80 более длительное время 40-50.

Влияние кислотности

С удаление от оптимальной рН активность фермента ослабляется вначале медленно а затем очень быстро и часто. Наивысшая активность ферментов чаще наблюдается при слабокислой или нейтральной реакции среды. Влияние рН на активность ферментов связано с изменением состояния ионизации фермента или комплекса фермента или субстрата. Каталитически активная только одна из ионных форм фермента. При изменение состояния ионизации меняется и каталитическая активность фермента.

7 Активаторы ферментов в сильной степени зависит от содержания в реактивной среде различных дополнительных ионов или соединений. Вещества которые усиливают каталитическую активность ферментов получили название активаторов. (K, Ca, Mg, Zn, Fe, Cu, Mn, Co, и другие)

Усиление активности ферментов под действием ионов металлов объясняется прежде всего тем что многие ферменты содержат тот или иной металл в своей молекуле и представляют собой так называемые металлоферменты. Каталаза и пероксидаза содержат железо, альфа-амилаза, в состав которой входит кальций. нитратредуктаза содержащие молибден. Карбоангидраза –цинк ( расщепление угольной кислоты на СО₂ и воду, аскорбинатоксидаза – медь окисляет аскорбиновую кислоту и некоторые другие ферменты. Ионы металлов способствуют поддержанию определенной, специфической для данного фермента структуры молекулы и особенно структуры активного центра. Ращепление белков становится более активными при наличии в среде HCN? H₂S и веществ содержащих сульфгидрильные SH – группы. Таким образом для проявления максимальной активности каждого фермента в среде должны находятся определенные ионы или вещества в необходимой концентрации. При недостатке снабжений растений отдельными элементами питания происходит ослабление или полное прекращение активности соответствующих ферментов, резко нарушение процессов обмена веществ и даже гибель растительного организма.

Ингибиторы ферментов – вещества которые подавляют действие ферментов. Например цианистые соединения подавляют активность ферментов, катализирующих реакции аэробного дыхания. Ингибиторы делятся на две группы: общие, специфические.

К общим относятся соли тяжелых металлов свинца, серебра, ртути, вольфрама, трихлоруксусная кислота или танин, которые денатурируют белки и следовательно подавляют действие всех ферментов. Если в среду добавить вещества, образующие комплексные соединения с тяжелыми металлами, то активность ферментов восстанавливаются. Такими веществами являются хелаты, например этилендиаминтетраацетат.

Специфические действуют наиболее часто по принципу конкурентного ингибирования. Это наблюдается когда ингибитор близок по своей конфигурации к специфическому субстрату данного фермента. Соединяюсь с ферментом он инактивирует его происходит конфигурация между ингибитором и субстратом вследствие чего скорость реакции между ферментом и субстратом замедляется а при высокой концентрации ингибитора. Некоторые ингибиторы соединяются с металлами – активаторами ферментов или атомами металлов, входящих в состав металлоферментов. При этом активности фермента подавляется частично или полностью (цианида, сульфида, азида, окиси, углерода) ферменты ускоряющие спиртовое брожение и анаэробный распад углеводов инактивируются ингибиторами сульфгидрильных групп важными ингибиторами служат так же фосфорорганические соединения – специфические ингибиторы ферментов катализирующих гидролиз сложных эфиров и некоторых других веществ. Эти ингибиторы наиболее резко подавляют действие ацетилхолинэстеразы, которая катализирует в тканях животных расщепление ацетилхолина. Фосфорорганические ингибиторы используют в с/х в качестве инсектицидов.

8 Главным специфическим признаком, на основании которого отличаются один фермент от другого, является химическая реакция катализируемая данным ферментом. Подразделяют на 6 классов

Оксидоредуктазы – окс-вост ферменты. Трансферазы – кат. реакции переноса групп. Гидролазы – гидролит. Ферменты. Лиазы – кат. отщепление от субстрата отдельных групп с образованием двойных связей или присоединение групп к двойным связям. Изомеразы – кат. реакции изомеризации. Лигазы (синтетазы) – кат. реакции синтеза с участием АТФ или аналогичных трифосфатов

9 Шифр каждого фермента состоит из четырех чисел разделенных точками. Первая цифра указывает к какому из шести гл классов принадлежит фермент. Второе число обозначает подкласс ( У оксидоредуктаз оно указывает природу группы в молекуле донора, которая подвергается окислению. У трансфераз на природу группы подвергающейся переносу. У гидролаз она показывает тип гидролизуемой связи. У лиаз тип подвергающийся разрыву связи между отщепляемой группой и остатком молекулы. У изомераз тип катализируемой реакции изомеразы. У лигаз тип вновь образуемой связи.) Третье число образует подподкласс ( У оксидоредуктаз оно отмечает тип участвующего в реакции акцептора, у трансфераз третье число уточняет тип переносных групп, у гидролаз тип гидролизуемой связи, у лиаз отщепляемой группы, у изомераз детализирует характер превращение субстрата, у лигаз природу образуемого соединения.) Четвертое число обозначает порядочный номер фермента в данном подподклассе. Примеры Алкогольдегидрогеназа (1.1.1.2) Глюкозо-6-фосфатаза (3.1.3.9) Глюкозо-1-фосфатаза(3.1.3.10)

10 Оксидоредуктазы – кат. много. окис-вос реакции. Окисление веществ может идти путем присоединения кислорода или отщепления водорода. Большинство биологических окислений обусловлено дегидрированием (отщеплением водорода) – катализируется ферментом которые получили название дегидрогеназ. АН₂+В А+ВН₂ Вещество А окисляется, а вещество В восстанавливается. Дегидрогеназа – функционирует как промежуточный переносчик водорода. Различают аэробные (оксидазы), анаэробные. Оксидазы – ферменты способные переносить водород от окисляемиго вещества непосредственно на кислород воздуха, Анаэробные – ферменты неспособны переносить водород на кислород воздуха, передают отщепляемый водород другим акцепторам, другим ферментам, другими переносчиками. Простейшая окис.-вост. система – это система состоящая из окисляемого субстрата, оксидазы и кислорода. Аэробные дегидрогеназы. Лактатоксидаза – катализирует превращение молочной кислоты в уксусную СН₃СНОНСООН+О₂ СН₃СООН+СО₂+Н₂О (картинка) Анаэробные дегидроназы – высокоспецефичные ферменты катализирующие отщепление водорода от определяемых химических веществ и предающие отщепляемый водород другим ферментом. По химической природе анаэробные дегидрогеназы – двухкомпонентные ферменты, которые состоят из белка и активной группы, или кофермента. В состав активных химических групп дегидрогеназ могут входить два химических вещества: никотинамид-аденин-динуклеотид (НАД), никотинамид-аденин-динуклеотид-фесфат (НАДФ) Под действием дегидрогеназы от окисляемого субстрата происходит перенос двух атомов водорода на НАД или НАДФ. В результате присрединения двух атомов водорода кофермент восстанавливается, а субстрат окисляется. (картинка) . Восстановление дегидрогеназы могут передать свой водород только другим переносчиками водорода. Такими промежуточными переносчиками являются флавиновые ферменты. Флавиновые ферменты – двухкомпонентные ферменты, их активная группа представляет производное витамина В₂ рибофлавина. Большинстве флавиновых ферментов активной группой служет флавинадениндинуклеотид (ФАД) ФАД – соединение диметилизоаллоксазина, рибита, двух остатков фосфорной кислоты рибозы и аденина. Флавоновые ферменты связывают водород, присоединяя два атома водорода к двум атомам азота в изоаллоксазиновой группировке с соответствующей перегруппировкой двойных связей Как правило между флавиновыми ферментами и кислородом воздуха есть ещё одно промежуточное звено – цитохромная система. В состав нее входят несколько цитохромов и фермент цитохромаксидаза. Все цитохромы состоят из железопорфирина (гема), связанного с белком. Цитохромы различаются между собой характером замещений в ядре порфирина, белковой частью и типом связи между белком и железопорфирином. Простетическая группа цитохрома связана с белковой частью молекулы через атомы серы. Fe³⁺+e^- Fe³⁺ . Цитохромы отнимают электроны от атомов водорода флавинового фермента. Н – е^- Н⁺ после водородный атом превращается в ион водорода а электрон приносится по цитохромной системы. Между флавиновыми ферментами и цитохромной системой может находится ещё одна группа промежуточных переносчиков, относящихся к классу хионов. Их называют убихинонами или коферментами. После того как электрон будет передан последнему цитохрому, он может быть перенесен под действием фермента цитохромоксидазы непосредственно на кислород воздуха 1/2О₂+2е^- О^2- Молекулы кислорода после присоединения электронов ионизируется и становится способной взаимодействовать с ионами водорода которые образовались в системе после отщепления электронов от атомов водорода. 2Н⁺+О² Н₂О

11 Трансферазы. На первой фазе фермент отщепляет атомную группировку Х и образует с ней комплексное соединение а вещество А освобождается. На второй фазе фермент катализирует присоединение группировки Х к веществу В а сам освобождается в неизменном состоянии. В зависимости от того какие атомные группировки или радикалы переносятся трансферазами, все ферменты этого класса делятся на группы: 1 Переносят одноуглеродные остатки ( метилтрансферазы 2.1.1, карбоксилтрансферазы 2.1.3) 2 Переносят альдегидные или кетонные остатки (транскетолазами 2.2.1.1, трансальдолазами 2.2.1.2, эти ферменты наибольшее значение имеют в процессах углеводородного обмена в растениях) 3 Переносят ацильные остатки (ацилтрансферазами 2.3.1, двухкомпонентные ферменты в которых входит кофермент А, С их участием идет синтез жирных кислот, каучукаи других веществ) 4 Переносят гликозильные остатки (гликозилтрансферазы 2.4.1 и 2.4.2) 5 Переносят алкильные остатки (изучены ещё очень слабо) 6 Переносят азотные остатки (Аминотрансферазы 2.6.1) 7 Переносят группы содержащие фосфор (фосфотрансферазами2.7, киназами, гексокиназой2.7.1.1, рибокиназой 2.7.1.15, фосфофруктокиназа 2.7.1.11, фосфоглицераткиназой 2.7.2.3, пируваткиназы2.7.1.40) 8 Переносят группы содержащие серу ( сульфидтрансферазы 2.8.1, сульфотрансферазы 2.8.2, КоА-трансферазы 2.8.3, пропионат-КоА-трансфераза2.8.3.1)

12 Гидролазы – ферменты класса гидролаз катализируют гидролиз, а иногда и синтез сложных соединений с участием воды. RR₁ +HOH◄--►ROH+R₁H

Гидролазы делят на несколько подклассов.

1)Гидролазы, действующие на сложные связи(эстеразы). а)Ферменты группы эстераз катализируют реакции расщепления сложных эфиров: RCOOR₁ +HOH◄--►RRCOOH+R₁OH, где R-остаток кислоты, R₁-остаток спирта

б)липазы, катализируют расщепление жиров. в)гидролазы тиоловых эфиров, катализируют расщепление ацетилкофермента А. г) Гидролазы фосфомоноэфиров катализируют отщепление остатка фосфорной кислоты. д)Гидролазы фосфодиэфиров, катализирующие отщепление фосфорной кислоты от дифосфорных эфиров.

2) подкласс гидролитических ферментов катализирует расщепление гликозильных соединений.

А)гидролазы гликозидов, катализирующие гидролитическое расщепление углеводов и гликозидов.б)Пептидазы, катализируют гидролитическое расщепление пептидных –CO-NH-связей в белках пептидов. В)Дезамидазы, действуют на C_N связи, катализируют гидролитическое дезамидирование амидов. Г) Дезаминазы-ферменты катализирующие гидролитическое дезаминирование азотистых оснований и нуклеотидов, входящих в состав нуклеиновых кислот.

Роль при выращивании :Пептид-гидролазы играют важную роль в росте растений и дифференциации тканей. Э.Я.Хавкин полагает, что морфогенез растений сопровождается формированием новых ферментных систем, причем изменение активности целого ряда ферментов могут тормозить или ускорять процессы дифференцировки клеток

13 Лиазы катализируют отщепление от субстратов тех или иных групп без какого-либо участия воды или фосфорной кислоты. В результате действия этих ферментов образуются двойные связи. Класс лиаз делят на несколько подклассов.Это деление основано на том, каков тип подвергающейся разрыву связи между отщепляемой группой и остатком молекулы. 1) Углеро-углерод-лиазы, многочисленные ферменты, катализирующие отщепление или присоединение углекислоты.2) Пируватдекарбоксилаза, катализирует отщепления СО₂ от ПВК. 3) Декарбоксилазы аминокислот, участвуют в отщеплении углекислоты от аминокислот. 4) Альдолаза, играет важную роль в процессах углеводного обмена. 5) Лиазы кетокислот, катализируют расщепление и образование различных кетокислот. 6) Углеро-кислород-лиазы(гидролиазы)- многочисленная группа ферментов, которая катализирует отщепление от субстрата водорода и гидроксила, образуя затем воду. 7)Углерод-азот-лиазы-ферменты катализирующие присоединение т отщепление азотистых соединений.

14 Изомеразы, или ферменты изомеризации, катализируют превращение органических соединений в их изомеры. Изомеризация происходит вследствие внутримолекулярного перемещение атомов, атомных группировок, остатков фосфорной кислоты, различных радикалов. Ферменты этой группы играют большую роль во многих процессах обмена веществ. 1) Рацемазы и эпимеразы. Рацемазы катализируют взаимные превращения D- L- изомеров, а эпимеразы-реакции эпимеризации. 2) внутримолекулярные оксидоредуктазы- ферменты, катализирующие взаимные превращения альдоз и кетоз. К ним относится триозофасфат-изомераза.3)Глюкозофосфат-изомераза, катализирует превращение глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат. 4)Внутримолекулярные трансферазы, осуществляют внутримолекулярный перенос ацильных, фосфорильных и других групп.

Лигазы- большая группа ферментов, которые ускоряют синтез сложных органических соединений из более простых. В связи с тем, что реакции синтеза требу.т затрат значительного количества энергии, активность лигаз проявлянтся лишь в присутсвии аденозинотрифосфорной кислоты или других макроэргических соединений. Реакция синтез амидов также катализируется ферментами, относящимися к классу лигаз. Глутаминсинтетаза катализирует синтез глутамина.

15 Изоферменты- это группа ферментов из одного и того же источника, обладающих одним типом субстратной специфичности, катализирующих одну и ту же химическую реакцию, различающихся по ряду физико-химических свойств. Роль изоферментов в растениях: Наличие изоферментов свидетельствует о большой лабильности ферментативного аппарата растений и дает возможность осуществлять необходимые процессы обмена веществ в клетках при изменении условий внешней средыи, кроме этого, в связи с наличием изоферментов обеспечивается специфичность обмена веществ, характерная для данного органа или ткани растения. Если в силу каких-либо причин изменится рН среды или резко изменится температура, то это ослабит активность некоторых изоферментов.

16   Одним из принципиальных отличий ферментов от катализаторов небиологического происхождения является кооперативный характер их действия. На уровне одиночной молекулы фермента кооперативный принцип реализуется в тонком взаимодействии субстратного, активного и аллостерического центров. Однако гораздо большее значение имеет кооперативное осуществление реакций на уровне ансамблей ферментов. Именно благодаря наличию систем ферментов - в виде мультиэнзимных комплексов или еще более сложных образований - метаболонов, обеспечивающих каталитические превращения всех участников единого метаболического цикла - в клетках с большой скоростью осуществляются многостадийные процессы как распада, так и синтеза органических молекул. Ферментативный катализ в многостадийных реакциях идет без выделения промежуточных продуктов: только возникнув, они тут же подвергаются дальнейшим преобразованиям.    Это возможно лишь потому, что в клеточном содержимом ферменты распределены не хаотически, а строго упорядоченно. С современной точки зрения клетка представляется высокоорганизованной системой, в отдельных частях которой осуществляются строго определенные биохимические процессы. В соответствии с приуроченностью их к определенным субклеточным частицам или отсекам (компартментам) клетки в них локализованы те или иные индивидуальные ферменты, мультиэнзимные комплексы, полифункциональные ферменты или сложнейшие метаболоны.   Разнообразные гидролазы и лиазы сосредоточены преимущественно в лизосомах. Внутри этих сравнительно небольших (несколько нанометров в диаметре) пузырьков, ограниченных мембраной от гиалоплазмы клетки, протекают процессы деструкции различных органических соединений до тех простейших структурных единиц, из которых они построены. Сложные ансамбли окислительно-восстановительных ферментов, такие, например, как цитохромная система, находятся в митохондриях. В этих же субклеточных частицах локализован набор ферментов цикла дикарбоновых и трикарбоновых кислот. Ферменты активирования аминокислот распределены в гиалоплазме, но они же есть и в ядре. В гиалоплазме присутствуют многочисленные метаболоны гликолиза, структурно объединенные с таковыми пентозофосфатного цикла, что обеспечивает взаимопереключение дихотомического и апотомического путей распада углеводов. В то же время ферменты, ускоряющие перенос аминокислотных остатков на растущий конец полипептидной цепи и катализирующие некоторые другие реакции в процессе биосинтеза белка, сосредоточены в рибосомальном аппарате клетки. Нуклеотидилтрансферазы, ускоряющие реакцию переноса нуклеотидных остатков при новообразовании нуклеиновых кислот, локализованы в основном в ядерном аппарате клетки. Таким образом, системы ферментов, сосредоточенные в тех или иных структурах, участвуют в осуществлении отдельных циклов реакций. Будучи тонко координированы друг с другом, эти отдельные циклы реакций обеспечивают жизнедеятельность клеток, органов, тканей и организма в целом.

17