Материал: Курс занятий. Ферменты

Ферменты

Ферменты (латин. fermentum – «бродило», «закваска»)- энзимы (Е) (греч. en – в, внутри, zyme – дрожжи, т.е. «в дрожжах») – специфические белки, присутствующие во всех живых клетках и обеспечивающие биокатализ (изменение скорости химических реакций)

История

Ещѐ в начале XIX века было известно- мясо переваривается желудочным соком, а слюна превращает крахмал в сахар. Однако механизм этих явлений был неизвестен. История биохимии –в значительной степени история ферментов.

XVIIIв- Р. Реомюр (француз) - механизм переваривания пищи в желудке хищных птиц.

1814 г. - К.С. Киргофф - проросший ячмень способен превращать полисахарид крахмал в дисахарид мальтозу, а экстракт дрожжей расщепляет свекловичный сахар на моносахариды – глюкозу и фруктозу.

1836-Т. Шванн (немец) открыл в желудочном соке фермент пепсин (греч. pepto – «варю»)

1897-Э. Бухнеру - ферменты, полученные в виде экстракта из живых клеток, катализируют спиртовое брожение (основные метаболические процессы, связанные с производством энергии, могут функционировать вне клетки)

Дж. Самнер- первый фермент в чистом кристаллическом виде- уреаза (разрушающий мочевину)

1936- Д. Нортроп получил кристаллы пепсина, трипсина и химотрипсина

Свойства

Как белков

• Высокая молекулярная масса

• Образуют коллоидные растворы

• Имеют сложную структурную организацию (первичную, вторичную, третичную и, нек, четвертичную)

• Состоят из остатков аминокислот, соединѐнных пептидными связями

• Не способны к диализу через полупроницаемые мембраны

• Чувствительны к действию температуры

• Термолабильны

• Обладают высокой вязкостью, оптическими свойствами

• Могут обратимо и необратимо осаждаться

Как катализаторов

• Катализируют только термодинамически возможные реакции

• Не потребляются в ходе реакции и не входят в состав конечных продуктов

• В случае обратимости реакции ускоряют и прямую и обратную реакции

• Ведут реакцию «в обход энергетического барьера»

• Чувствительны к изменению параметров проведения реакции (температуре, рН, С катализатора и реагир. в-в)

• Чувствительны к действию эффекторов – активаторов и ингибиторов

Собственные свойства

• Высокая биологическая активность

• Ферментная специфичность -действия

-субстратная

• Наличие механизмов регуляции активности

-обладают высокой каталитической активностью по сравнению с минеральными катализаторами

Пример: реакцию разложения пероксида водорода платиновая чернь ускоряет в 2×104 раза, снижая энергию активации с 18 до 12 ккал/моль, а в присутствии каталазы - возрастает в 2×1011 раза с энергией активации 2 ккал/моль. Высокая биологическая активность определяется белковой природой и строением активного центра

Классификация

1. по химическому строению:

• алифатические (липоевая кислота);

• ароматические (коэнзим Q – убихинон);

• гетероциклические (тиаминпирофосфат, биотин-кофермент, пи-ридоксальфосфат);

• нуклеотидные (ФМН и ФАД, НАД и НАДФ, КоА, АТФ, ЦТФ, УТФ, УДФГК, ФАФС).

2. по функциям:

• переносчики электронов и протонов (липоевая кислота, ФМН, ФАД, НАД, НАДФ, коэнзим Q);

• переносчики групп (ТПФ, ПФ, ТГФК, КоА, биотин-кофермент);

• коферменты синтеза и изомеризации (АТФ, биотин-кофермент, коферментные формы В12, КоА).

3. по механизму действия:

• с высоким потенциалом переноса энергии (переносчики энергии – АТФ);

• коферменты, участвующие в окислительно-восстановительных реакциях (липоевая кислота, коэнзим Q, ФМН, ФАД, НАД, НАДФ);

• коферменты, формирующие активный центр фермента (все ви-таминсодержащие коферменты).

4. по скорости синтеза

• Конститутивные (синтезиртся клетками с постоянной скоростью и постоянно присутствующие в клетках

• Индуцируемые (адаптивные) (скорость биосинтеза и количество которых изменяется в зависимости от функционального состояния организма, характера питания, условий внешней среды)

Онтогенез: отмечается разнообразие возрастных изменений индукции ферментов. Разные периоды индукции определяют необходимость синтеза определенных ферментов. Фактор, меняющий метаболизм детского организма- изменение условий питания (характер пищи). Например, на рационе, содержащем много белка в пище, наблюдается увеличение активности ферментов, синтезирующих мочевину и превращение аминокислот.

Особенности ферментативного катализа

В основе каталитического действия - способность высокоизбирательно образовывать белково-лигандные комплексы с субстратами (веществами, на которые направлено их действие) и вызывать химические превращения субстратов.

Катализ (греч.κατάλσσις – «разрушение») – изменение скорости химической реакции в присутствии катализаторов

Теории катализа:

1)Гетерогенный катализ: реагирующие вещества и катализатор находятся в разных агрегатных состояниях, и химическая реакция ускоряется за счѐт повышения концентрации реагирующих соединений на поверхности раздела фаз

2)Гомогенный катализ: действие катализатора связано с тем, что он всту-пает во взаимодействие с реагирующими веществами с образованием промежуточных соединений, это приводит к снижению энергии акти-вации.

Теория ферментативного катализа включает в себя элементы гомогенного и гетерогенного катализов

1)Фермент адсорбирует в активном центре субстрат и образует с ним нестойкое промежуточное соединение (фермент-субстратный комплекс)

2)В активном центре происходят химические превращения субстрата, и фермент-субстратный комплекс преобразуется в фермент-продуктный комплекс;

3)фермент-продуктный комплекс диссоциирует на свободный фермент и продукт реакции

-

Ферментативная реакция

В организме каждая химическая реакция протекает на определенном энергетическом уровне, при определённой энергии активации.

- снижение энергию активации путем увеличения числа активированных молекул, которые становятся реакционными на более низком энергетическом уровне.

-субстрат (S) -вещество, химические превращения которого в продукт (Р) катализирует фермент (Е).

Стадии

I происходит сближение и ориентация, а также устанавливается индуцированное комплементарное соответствие между ферментом и субстратом, в результате образуется фермент-субстратный комплекс (ЕS).

II возникает напряжение и деформация субстрата, в результате чего происходит сдвиг электронной плотности, изменение степени поляризации, связи в молекуле субстрата деформируются и легко распадаются.

В процессе образования фермент-субстратного комплекса достигается переходное состояние, характеризующееся низкой энергией активации, в результате чего образуется новый продукт, а после его диссоциации фермент возвращается в исходное состояние.

Строение ферментов

П о составу ферменты делятся на простые и сложные

Простые -состоят из аминокислот (ферменты желудочно-кишечного тракта – α-амилаза, пепсин, трипсин, липаза и др. 3 класс – гидролаз)

Сложные -состоят из белковой части – апофермента и небелковой – кофактора (ионы металлов, так и органические соединения, многие из которых являются производными витаминов). Каталитически активный комплекс «фермент – кофактор» называется холоферментом.

Кофактор- небелковая часть ферментов:

-Простетическая группа-коферменты, которые прочно (часто ковалентно) связаны с апоферментом. Например, флавиновые дегидрогеназы состоят из белка и простетических групп ФАД, ФМН, производных витамина В₂. Апофермент определяет направленность или специфичность действия фермента, прочно связана с белковой частью (ионы металлов, гем), еѐ невозможно отделить от апофермента, не разрушив при этом фермент;

-Кофермент- органические вещества, которые непрочно связаны с белковой частью (пр:НАД-зависимые дегидрогеназы состоят из белка и коферментов НАД, НАДФ, производных витамина РР, соединение белковой и небелковой частей происходит только на время биокатализа, и затем образованный ко мплекс легко разрушается

Активный центр

Активный(каталитический) центр- относительно небольшой участок молекулы фермента,

-отвечающий за распознавание, связывание и превращение субстрата,

-расположен в узком гидрофобном углублении (щели) поверхности молекулы фермента, участвующий в катализе

-точная пространственная организация больших ансамблей, построенных из аминокислотных остатков

-образуется на уровне третичной структуры белка-фермента

при образовании вторичной, третичной структур аминокислотные остатки сближаются, формируя активный центр.

Активный центр включает субстратсвязывающий участок, который отвечает за специфическое комплементарное связывание субстрата, и каталитический участок непосредственного химического взаимодействия

• У однокомпонентных -представлен ФГ аминокислот(мб расположен не в соседних участках п-п цепи, но сближаются при формировании функционально активной конформации фермента)

• У двухкомпонентных - гетероатомы кофакторов+ФГ аминокислот

В активном центре выделяют два участка:

-связывающий (контактный, якорный) – отвечает за связывание и ори-ентацию субстрата в активном центре

-каталитический –отвечает за осуществление реакции.

В активный центр сложных ферментов входит участок для связывания кофактора. Регуляторные (аллостерические) ферменты помимо активного центра имеют аллостерический центр. К аллостерическому центру могут присоединяться гормоны или продукты реакции→изменение структуры активного центра. Эти вещества называются аллостерическими эффекторами (модификаторами)-мб положительными (усиливают действие фермента) и отрицательными (блокируют действие фермента)

Теории конформации активного центра:

1. Теория Фишера (теория жѐсткой матрицы, «ключа и замка»): в фер-менте существует полностью сформированный активный центр, в ко-тором по принципу комплиментарности происходит взаимодействие фермента и субстрата

2 . Теория Кошленда (теория индуцированного соответствия, «руки и перчатки»): в ферменте существует активный центр, который полно-стью формируется только при взаимодействии фермента и субстрата, т.е. «подстраивается» под субстрат

В пределах активного центра различают АДСОРБЦИОННЫЙ и КАТАЛИТИЧЕСКИЙ УЧАСТОК (центр). Вне активного центра фермента встречаются особые функциональные участки; каждый из них обозначают термином АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЙ ЦЕНТР.

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР - область (зона) активного центра фермента, которая непосредственно участвует в химических преобразованиях субстрата. Формируется он за счет радикалов двух, иногда трех аминокислот, расположенных в разных местах полипептидной цепи фермента, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи. Например, каталитический центр "серин-гистидиновых" ферментов формируется за счет радикалов аминокислот серина и гистидина. Если фермент является сложным белком, то в формировании каталитического центра нередко участвует простетическая группа молекулы фермента (кофермент). Коферментную функцию выполняют все водорастворимые витамины и жирорастворимый витамин K.

АДСОРБЦИОННЫЙ ЦЕНТР - это участок активного центра молекулы фермента, на котором происходит сорбция (связывание) молекулы субстрата. Он формируется одним, двумя, чаще тремя радикалами аминокислот, которые обычно расположены рядом с каталитическим центром. Главная его функция - связывание молекулы субстрата и передача этой молекулы каталитическому центру в наиболее удобном положении (для каталитического центра). Эта сорбция происходит только за счет слабых типов связей и потому является обратимой. По мере формирования этих связей происходит конформационная перестройка адсорбционного центра, которая приводит к более тесному сближению субстрата и активного центра фермента, более точному соответствию между их пространственными конфигурациями.