Энзимология

Химические процессы – основа жизнедеятельности организма.

Все реакции в организме протекают с участием природных биокатализаторов (ферментов).

Ферменты избирательно преобразуют реагенты (субстраты) по физиологически полезному пути.

Ферменты управляют всеми метаболическими процессами организма.

Терминология возникла при изучении ферментативных процессов спиртового брожения.

Задачи энзимологии: определение роли отдельных ферментов в ускорении химических реакций, протекающих в организме, выделение и очистка ферментов, установление их структуры, исследование механизма действия, изучение кинетических характеристик и особенностей регуляции активности в организме.

Для фармакологов инструмент направленного изменения метаболизма клетки путем воздействия определенными химическими веществами на активность ферментов.

Огромное количество препаратов – ингибиторы ферментов.

Для медицины – использование методов определения активности ферментов в биологических жидкостях для диагностики заболеваний.

Выделенные и очищенные ферменты могут использоваться в виде терапевтических средств.

Ферменты как биологические катализаторы

1922 год – ферменты являются белками.

Роль: увеличивают скорость химических реакций, но при этом не расходуются.

1926 год – очищен и выделен в виде белковых кристаллов фермент уреаза, катализирующий реакции расщепления мочевины до аммиака и диоксида углерода.

РНК (небелковое соединение, но биокатализатор) вызывает гидролиз фосфодиэфирных связей нуклеиновых кислот.

Рибозимы – молекулы РНК с каталитической активностью.

Основные свойства ферментов как биокатализаторов:

1. Специфичность – биологическая функция белка обусловлена наличием в его структуре активного центра. Определяется строением активного центра.

Субстрат – лиганд, взаимодействующий с активным центром фермента.

В активном центре фермента есть аминокислотные остатки (функциональные группы которых обеспечивают связывание субстрата и функциональные группы которых осуществляют химическое превращение субстрата). Группы обозначают как участок связывания субстрата (субстрат взаимодействует с ферментом, формируя фермент-субстратный комплекс) и каталитический участок (субстрат претерпевает химическое превращение в продукт, который затем освобождается из активного центра фермента). Иногда эти участки могут перекрываться. Процесс катализа!

• Субстратная специфичность – способность каждого фермента взаимодействовать с одним или несколькими субстратами.

• Абсолютная субстратная специфичность – активный центр фермента комплементарен только одному субстрату. Пример: аргиназа, катализирующая реакцию расщепления аргинина до мочевины и орнитина. Пример2: уреаза, катализирующая гидролиз мочевины до диоксида углерода и аммиака.

• Групповая субстратная специфичность – Фермент катализирует однотипные реакции с группой структурно похожих субстратов. Пример: панкреатическая липаза катализирует гидролиз жиров в двенадцатиперстной кишке, катализирует превращение триацилглицерола до 1моноацилглицерола и 2высших жирных кислот. Гидролизует эфирную связь у альфа-атомов углерода глицерола, независимо какие жирные кислоты входят в состав молекулы жира. Пример2: протеолитические ферменты гидролизуют пептидные связи, образованные разными аминокислотами.

• Стереоспецифичность проявляет фермент при наличии у субстрата нескольких стереоизомеров (к одному из них).

• Стереоспецифичность к D-сахарам – моносахаридам и продуктам их обмена в организме. Ферменты, осуществляющие их метаболизм, имеют специфичность к D-, а не L-сахарам.

• Стереоспецифичность к L-аминокислотам – большинство ферментов, обеспечивающих превращение аминокислот. Белки человека состоят из аминокислот L-ряда.

• Стереоспецифичность к цис-транс изомерам. Пример: фумараза оказывает действие только на фумарат. Малеинат (цис-изомер фумарата) не является субстратом фумаразы. Пример2: эпимераза (рацемаза) катализирует превращение оптических изомеров.

• Стереоспецифичность к альфа- и бета-гликозидным связям. Пример: амилаза действует на альфа-гликозидные связи, гидролизует крахмал и гликоген (полимеры глюкозы). Пример2: целлюлоза – полимер глюкозы,остатки глюкозы связаны бета-гликозидными связями. Целлюлоза не гидролизуется в кишечнике, не может служить источником глюкозы в результате отсутствия ферментов, специфичных к бета-гликозидной связи.

• Каталитическая специфичность – специфичность пути превращения субстрата. Пример: молекула глюкозо-6-фосфата в клетках печени – субстрат 4 ферментов: фосфоглюкомутазы, глюкозо-6-фосфатфосфатазы, фосфоглюкоизомеразы, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. Превращение с образованием 4 продуктов из-за особенностей строения каталитических участков.

Каталитическая эффективность зависит от конформации фермента (от конформации активного центра). Реакции, катализируемые ферментами высокоэффективны, протекают в 10в18-10в14 раз быстрее. Каждая молекула фермента способна за 1сек трансформировать от 100 до 1000 молекул субстрата в продукт – это число оборотов фермента, или молярная активность.

Конформационная лабильность ферментов – способность к небольшим изменениям нативной конформации вследствие разрыва слабых связей. Денатурирующие агенты способны изменять конформацию молекулы фермента. Воздействие агентов приводит к изменению конформации активного центра и снижению способности присоединять субстрат. Уменьшается каталитическая эффективность фермента.