4. Кинетика ферментативных реакций. Зависимость скорости ферментативной реакции от различных факторов. Уравнение Михаэлиса-Ментен, роль Кm и Vmax в характеристике ферментов.

Кинетика ферментативных реакций – наука о скоростях ферментативных реакций, их зависимости от различных факторов.

Зависимость скорости ферментативной реакции моет проявляться от таких факторов как:

• Природа фермента

Чем выше активность фермента, тем выше скорость реакции. Активность фермента определяют по скорости реакции, катализируемой ферментом

• Температура

Повышение температуры сверх оптимальной приводит к уменьшению, а затем прекращению действия фермента, что связанно с денатурацией.

При переходе от оптимальной к низким температурам скорость ферментативной реакции падает в 2-2,5 раза на каждые 10 ˚С, достигая минимальной величины при 0 °С и приостанавливается при отрицательных её значениях

• рН

Отклонение в любую сторону от этого значения сопровождается снижением скорости ферментативной реакции.

• Концентрация

При низких концентрациях субстрата скорость прямо пропорциональна его концентрации, далее с ростом концентрации скорость реакции увеличивается медленнее, а при очень высоких концентрациях субстрата скорость практически не зависит от его концентрации и достигает своего максимального значения

График зависимости активности фермента от концентрации субстрата описывается уравнением Михаэлиса – Ментен

где v – скорость ферментативной реакции; [S] – концентрация субстрата; K_M – константа Михаэлиса.

5. Ингибиторы ферментов. Типы ингибирования. Графическое представление зависимости скорости ферментативной реакции от присутствия ингибиторов различных типов.

Ферментативный ингибитор — вещество, замедляющее протекание ферментативной реакции.

Различают:

• Необратимые ингибиторы

При необратимом ингибировании происходит связывание или разрушение функциональных групп фермента, необходимых для проявления его активности.

• Обратимое ингибирование

При обратимом ингибировании происходит непрочное связывание ингибитора с функциональными группами фермента, вследствие чего активность фермента постепенно восстанавливается.

Выделяют:

• Конкурентное ингибирование

Соперничает с субстратом за активный центр, что приводит к уменьшению связывания субстрата с ферментом и нарушению катализа.

• Неконкурентное ингибирование

Связан с присоединением ингибитора не в активном центре, а в другом месте молекулы. Но при этом меняется структура активного центра и связь с субстратом становится невозможной

• Бесконкурентное ингибирование

Связывается в активном центре с фермент-субстратным комплексом. Повышение концентрации субстрата, увеличивая количество фермент-субстратного комплекса, усиливает и связывание ингибитора с ним

• Смешанное ингибирование

Способен присоединяться везде – не только в активном центре, но и в других частях молекулы. Но после этого фермент еще способен частично сохранять свою активность.

6. Механизмы регуляции активности ферментов. Примеры.

В клетке имеется несколько способов регуляции активности ферментов – одни способы подходят для любых ферментов, другие более специфичны.

1. Доступность субстрата или кофермента

Здесь работает закон действия масс: скорость, с которой вещества реагируют друг с другом, зависит от их концентрации

Пример: цикл трикарбоновых кислот

2. Комплементализация

1.1 Особенности ферментативного катализа. Регуляция активности ферментов. Применение ферментов и их модуляторов в медицине

1. Ферменты. Номенклатура. Классификация ферментов.

Ферменты – это специфические белки, которые действуют как катализаторы в биологических системах.

Согласно современной номенклатуре, название ферментов составляют из химического названия субстрата и названия той реакции, которая осуществляется ферментом.

Если химическая реакция, ускоряемая ферментом, сопровождается переносом группировки атомов от субстрата к акцептору, название фермента включает также химическое наименование акцептора. Все ферменты имеют окончание «аза», прибавленное к названию субстрата.

Классификация ферментов.

По принципу важнейших биохимических процессов все ферменты делят на 6 классов.

• Оксидоредуктазы - ускоряют реакции окисления - восстановления.

• Трансферазы - ускоряют реакции переноса функциональных групп и молекулярных остатков.

• Гидролазы - ускоряют реакции гидролитического распада.

• Лиазы - ускоряют негидролитическое отщепление от субстратов определенных групп атомов с образованием двойной связи (или присоединяют группы атомов по двойной связи).

• Изомеразы - ускоряют пространственные или структурные перестройки в пределах одной молекулы.

• Лигазы - ускоряют реакции синтеза, сопряженные с распадом богатых энергией связей.

2. Уровни организации ферментов.

Ферменты могут быть простыми и сложными белками. Они имеют

четыре уровня организации:

• первичный,

• вторичный,

• третичный

• четвертичный (состоят из субъединиц (протомеров))

Ферменты – простые белки состоят только из остатков аминокислот, поэтому они еще называются однокомпонентными

Ферменты – сложные белки состоят из белковой части, которая называется апоферментом, и коферментом или коэнзимом (низкомолекулярная небелковая часть).

Общее название сложного фермента, в котором соединены апофермент и кофермент – холофермент.

Апофермент представляет собой высокомолекулярную специфическую часть фермента, а кофермент – неспецифическую.

В структуре простого и сложного фермента выделяют активный центр, т.е. место в пространственной структуре фермента, с которым связывается субстрат. В состав активного центра холофермента входят коферменты.

Активный центр состоит из контактной или субстратной части, и каталитической части.

У простых ферментов роль контактного и каталитического участков активного центра выполняют только боковые радикалы аминокислот.

У сложных ферментов- коферменты.

3. Механизм действия ферментов. Понятие об активном центре фермента, этапы ферментативного катализа.

Активный центр ферментов — это определенный участок белковой молекулы, способный комплементарно связываться с субстратом и обеспечивающий его каталитическое превращение.

Этапы катализа

В ферментативной реакции можно выделить следующие этапы:

• Присоединение субстрата (S) к ферменту (E) с образованием фермент-субстратного комплекса (E-S).

• Преобразование фермент-субстратного комплекса в один или несколько переходных комплексов (E-X) за одну или несколько стадий.

• Превращение переходного комплекса в комплекс фермент-продукт (E-P).

• Отделение конечных продуктов от фермента.

Это сосредоточение ферментов и их субстратов в одной органелле

Пример: цикл трикарбоновых кислот

3. Генетическая регуляция

Может происходить в результате увеличения или снижения его синтеза.

4. Ограниченный (частичный) протеолиз проферментов

Подразумевает, что синтез некоторых ферментов осуществляется в виде более крупного предшественника и при поступлении в нужное место этот фермент активируется через отщепление от него одного или нескольких пептидных фрагментов

Пример: активация протеолитических ферментов ЖКТ

5. Аллостерическая регуляция

Ферменты построены из двух и более субъединиц: одни субъединицы содержат каталитический центр, другие имеют аллостерический центр и являются регуляторными. Присоединение эффектора к аллостерической (регуляторной) субъединице изменяет конформацию белка и активность каталитической субъединицы.

6. Белок-белковое взаимодействие

обозначает ситуацию, когда в качестве регулятора выступают не метаболиты биохимических процессов, а специфичные белки

7. Ковалентная (химическая) модификация

Ковалентная модификация заключается в обратимом присоединении или отщеплении определенной группы, благодаря чему изменяется активность фермента.

7. Аллостерические ферменты. Регуляция их активности. Примеры.

Аллостерические ферменты — регуляторные ферменты, для которых характерно изменение каталитической активности в процессе нековалентного связывания метаболита в участке, не являющемся каталитическим центром

АФ регулируются молекулами, которые называют эффекторами. Они связываются с ферментом в аллостерическом центре и изменяют свойства ферментов: сродство к субстрату и максимальная скорость катализа.

Эффекторы могут быть положительными и отрицательными. Положительные эффекторы — активаторы — повышают активность ферментов. Отрицательные эффекторы — ингибиторы — снижают её. Кроме того, эффекторы классифицируют на:

• Гомотропные эффекторы — это молекулы самого субстрата фермента. Чаще всего регуляция происходит по позитивному механизму

• Гетеротропные эффекторы — это молекулы, отличные от субстрата — т.е. какие-либо другие соединения. Регуляция может быть как позитивной, так и негативной, но чаще всего она негативная

Пример: карбамоилфосфатсинтетаза II

8. Энзимодиагностика. Энзимотерапия. Примеры.

В медицине существуют два основных направления использования ферментов. Это:

• Энзимодиагностика

Это метод диагностики болезней, патологических состояний и процессов, основанные на определении активности ферментов в биологических жидкостях. Используют наиболее часто плазму или сыворотку крови. Кроме крови, для энзимодиагностики можно также использовать и мочу. Пример: глюкозооксидазу используют для определения глюкозы в крови и моче

• Энзимотерапия

Заключается в применении ферментов животного, бактериального или растительного происхождения и регуляторов активности ферментов с лечебной целью

Лекарственные препараты создаются на основе:

• Ферментов

• Коферментов и витаминов

• Ингибиторов и активаторов ферментов

Пример: лечение желудочно-кишечных заболеваний, связанных с недостаточностью секреции пищеварительных соков.

1.2. Введение в обмен веществ. Биологическое окисление

1. Важнейшие признаки живой материи. Особенности живых организмов, как открытых термодинамических систем.

Особенности ЖО, как открытых термодинамических систем:

1. Живой организм – это открытая система, которая непрерывно обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией.

2. Все биохимические процессы протекают при постоянных температуре и давлении и в отсутствии значительных изменений концентрации и объема.

3. Стандартное состояние для биологических систем отличается от стандартного состояния химических систем.

Признаки живой материи:

1) способность к метаболизму

2) высокий уровень структурной организации живой материи.  Структурной единицей или единицей биологической активности организма считается клетка

3) изменчивость 

4) способность к точному самовоспроизведению за счёт передачи наследственной информации.

2. Понятие о процессах катаболизма и анаболизма. Функции клеточного метаболизма. Основные принципы организации метаболизма: этапность, конвергенция, унификация. Стадии генерирования энергии по Кребсу.

Обмен веществ (или метаболизм) - это совокупность биохимических реакций, протекающих в живых организмах.

Процессы, происходящие в просвете ЖКТ, не входят в понятие метаболизма, поскольку полость ЖКТ рассматривается как часть внешней среды.

Обмен веществ обеспечивает:

• жизнедеятельность и самовоспроизведение организмов,

• их связь с окружающей средой

• адаптацию к изменениям внешних условий.

Метаболизм – это двуединый процесс, складывающийся из 2-х частей: катаболизма и анаболизма.

Анаболизм (ассимиляция)- это совокупность химических реакций, в результате которых из простых соединений образуются сложные органические вещества, специфичные для организма (нуклеиновые кислоты, белки и др.).

Катаболизм (диссимиляция) - распад сложных органических молекул до более простых или до образования низкомолекулярных конечных продуктов (СО₂, Н₂О и мочевины), выделяемых из организма.

Основными принципами метаболизма являются конвергенция и унификация.

Конвергенция – это объединение различных путей превращения органических веществ в единый общий путь – терминальное окисление.

Унификация - это постепенное снижение числа участников обменных процессов и использование в общем пути катаболизма универсального метаболита – ацетилСоА.

Стадии генерирования энергии по Кребсу.

Для катаболизма углеводов, жиров и белков цикл Кребса имеет первостепенное значение!

Стадия 1- окисление глюкозы, жирных кислот и некоторых аминокислот приводит к синтезу ацетилкоэнзима А.

Стадия 2 – окисление ацетильных групп в цитрате

Стадия 3- электроны, переносимые НАДН и ФАДН² попадают в митохондрии, приводя к восстановлению О2 до Н2О.Этот поток электронов энергизирует продукцию АТФ.

3. Схема катаболизма основных питательных веществ. Понятие о специфических и общем путях катаболизма.

Стадии катаболизма биомолекул.

Стадия 1: расщепление больших макромолекул на простые субъединицы

Стадия 2: расщепление простых субъединиц на ацетил-СоА, сопровождающийся образованием ограниченного количества АТФ и НАДН.

Стадия 3: при полном окислении ацетил-КоА до Н2О и СО2 образуется большое количество НАДН, что обеспечивает синтез большого количества АТФ при переносе электронов.

Основные специфические пути катаболизма:

• для моносахаридов – гликолиз, конечный метаболит: пировиноградная кислота.

• для жирных кислот – β-окисление, - ацетил-КоА

• для глицерина – расщепление до пирувата, - ацетил-КоА;

• для аминокислот– дезаминирование и расщепление безазотистых молекул до ди- и трехуглеродных карбоновых кислот и их производных. Большинство этих метаболитов превращается в ацетил-КоА.

К общим путям катаболизма относятся:

• Окислительное декарбоксилирование ПВК

• цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)

• цепь переноса электронов (ЦПЭ) и окислительное фосфорилирование.