ЛЕКЦИЯ № 2

ГБОУ ВПО УГМУ Минздрава РФ
Кафедра биохимии
Дисциплина: Биохимия
ЛЕКЦИЯ № 2
Ферменты 2.
Лектор: Гаврилов И.В.
Факультет: лечебно-профилактический,
Курс: 2
Екатеринбург, 2015г

План лекции

1.
2.
3.
Кинетика ферментативных реакций.
Регуляция скорости ферментативных реакций.
Клеточная сигнализация

Энзимология – наука,
изучающая ферменты

1. Кинетика
ферментативных реакций
Кинетика ферментативных реакций направление энзимологии, исследующее
влияния реагирующих веществ (субстраты,
продукты, ингибиторы, активаторы и т.д.) и
условий (рН, t°, давление) на скорость
ферментативной реакции.

Теории о механизмах действия ферментов

Теории о специфичности
действия ферментов
1. Модель «ключ – замок»
Для объяснения высокой специфичности ферментов по
отношению к субстратам Эмиль Фишер в 1894г выдвинул
гипотезу о строгом соответствии геометрической формы
субстрата и активного центра фермента.
+
E+S
ES
E
Р1
+
Р2

2. Теория «индуцированного соответствия»
S
A
B
E
A
B
C
C
Существует не только
геометрическое, но и
электростатическое
соответствие
ES
Теория индуцированного (вынужденного) соответствия
Дениеля Кошланда (1959г): полное соответствие фермента
и субстрата наступает лишь в процессе их взаимодействия:
Субстрат индуцирует необходимые конформационные
изменения фермента, после чего они соеденяются.
Теория основана на данных кинетического анализа,
изучением фермент-субстратных комплексов методами
ренгено-структурного анализа, спектрографии и
кристаллографии и др.

3. Теория «индуцированного соответствия»
(современные представления)
S
A
B
A
C
B
C
E
ES
При взаимодействии фермента и субстрата оба
подвергаются модификации и подстраиваются друг под
друга. Возникающие в субстрате изменения способствуют
превращению его в продукт.

Теория переходных состояний
(промежуточных соединений)
P
S
E
ES
ES*
EP*
E
при взаимодействии фермента E с субстратом S образует
комплекс ES*, в котором реакционная способность
субстрата выше, чем в нативном состоянии. Через ряд
промежуточных соединений происходит превращение
субстрата в продукт реакции Р

Механизмы ферментативных реакции

При ферментативном катализе реализуются те
же механизмы, которые возможны без участия
ферментов:
1.
2.
3.
4.
Кислотно-основные реакции –в активном центре
фермента находятся группы -СОО- и -NН3+, которые
способны присоединять и отдавать Н.
Реакции присоединения (отщепления, замещения)
электрофильные, нуклеофильные – в активном центре
фермента находятся гетероатомы смещающие
электронную плотность.
Окислительно-восстановительные реакции – в
активном центре фермента находятся атомы,
имеющую разную электроотрицательность
Радикальные реакции.

Энергетика ферментативных реакций

Ферменты снижают энергию активации
Скорость химической реакции зависит от
концентрации реагирующих веществ
В комплексе с ферментами субстраты
превращаются в более устойчивые
промежуточные соединения, за счет чего их
концентрация резко повышается, что
способствует ускорению реакции

Неферментативная реакция
S
S*
P*
P
S
E
ES
ES*
Ферментативная реакция
EP*
E

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАРЬЕР РЕАКЦИИ –
кол-во энергии, которое необходимо
молекуле, чтобы вступить в химическую
реакцию.
ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ - кол-во энергии,
которое необходимо сообщить молекуле
для преодоления энергетического
барьера.

Свободная энергия системы
S*
Энергия активации
некатализируемой реакции
S
ES*
Энергия активации
катализируемой реакции
Исходное
состояние
P
Конечное состояние
Ход реакции

2Н2О + О2
2.
3.
Энергия
активации
1) 2Н2О2
Свободная энергия системы
Каталаза
1.
Ход реакции
Энергия активации:
1. В спонтанной реакции – 18 ккал/моль
2. При использовании катализатора Fe2+ – 12 ккал/моль
3. В присутствии фермента каталазы – 5 ккал/моль

Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата

Кинетика
ферментативных реакций
Зависимость скорости реакции
от концентрации субстрата
Vmax
Концентрация
фермента константа
[S]

Зависимость скорости реакции
от концентрации фермента
V
Концентрация
субстрата –
константа
концентрация
фермента

Влияние температуры на скорость ферментативной реакции

Повышение температуры на 10
градусов повышает скорость
химической реакции в 2-4 раза.
При повышение температуры фермент
подвергается денатурации и теряет
свою активность.

Скорость
ферментативной
реакции
V
Количество
активного
фермента
0
10
20
Скорость
реакции активного
фермента
30
40
50
60
T

Влияние рН на скорость ферментативной реакции

Изменение концентрации Н+ меняет
химический состав фермента, его
строение и каталитическую активность.
Изменение концентрации Н+ меняет
химический состав субстрата, его
строение и способность вступать в
ферментативную реакцию.
Денатурацией фермента при очень
высоких или очень низких рН.

Зависимость скорости ферментативной реакции от рН

V
0
4
5
6
7
8
9
pH

Константа Михаэлиса-Ментона

Km – концентрация субстрата [S], при которой
скорость ферментативной реакции V равна
половине от максимальной
Vmax
Vmax
2
Km
[S]

Уравнение скорости ферментативной реакции

Vmax [S]
V = -----Km + [S]
V – скорость реакции
Vmax – максимальная скорость реакции
Km – константа Михаэлиса
[S] – концентрация субстрата

Влияние активаторов и ингибиторов на скорость ферментативных реакций

Реакции ингибирования ферментативных
процессов
ТИПЫ ИНГИБИРОВАНИЯ ФЕРМЕНТОВ
I. Обратимое
II. Необратимое
Конкурентное
Неконкурентное
Бесконкуренетное
Смешанного типа
Для определения обратимости ингибирования проводят диализ
среды, где есть фермент и ингибитор.
Если после диализа восстанавливается активность фермента, то
ингибирование обратимое

Варианты взаимодействия
ингибитора с ферментом
1. Блокируют активный центр фермента
2. Меняют четвертичную структуру фермента
3. Соединяются с коферментом, активатором
4. Блокируют часть фермента, соединяющуюся с
коферментом
5. Нарушают взаимодействие фермента с
субстратом
6. Вызывают денатурацию фермента
(неспецифические ингибиторы)
7. Связываются с аллостерическим центром

Конкурентный тип ингибирования
Осуществляется веществом, близким по химическому
строению к субстрату
V
V max
V max / 2
Km
Kмi
[S]

Неконкурентный тип ингибирования
Ингибитор реагирует с ферментом иным образом, чем
субстрат, поэтому повышение концентрации субстрата не
может вытеснить ингибитор и восстановить активность
фермента
V
V max
V max
V max
V max
K
m
[S]

2. Регуляция скорости ферментативных реакций в организме

Важнейшим свойством живых организмов является способность к поддержанию гомеостаза. Гомеостаз в организме поддерживается за счет регуля

Важнейшим свойством живых организмов является
способность к поддержанию гомеостаза.
Гомеостаз в организме поддерживается за счет
регуляции скорости ферментативных реакций, которая
осуществляется за счет изменения:
I). Доступности молекул субстрата и кофермента;
II). Каталитической активности молекул фермента;
III). Количества молекул фермента.
E*
S
S
Кофермент
Витамин
Клетка
P
P

I. Доступность молекул субстрата и кофермента

Транспорт веществ через мембрану
АТФ
АДФ + Фн
антипорт
Диффузия Облегченная
Диффузия
Клетка
Первичноактивный
транспорт
Вторичноактивный
транспорт

Инсулин
Глюкоза
ГЛЮТ-4
ГЛЮТ-4
Адипоциты,
миоциты
E1, Е2, Е3…
Глюкоза
ПВК
Коферменты
Гепатоцит
Витамины
Ферменты
Коферменты

II. Регуляция каталитической активности фермента

Регуляция каталитической активности ферментов бывает:
1). Неспецифической. Каталитическая активность всех ферментов
зависит от температуры, рН и давления.
V
пепсин
V
0
50
100
t
0
аргиназа
7
14
рН
2). Специфической. Под действием специфических активаторов и
ингибиторов изменяется активность регуляторных ферментов,
которые контролируют скорость метаболических процессов в
организме.

Механизмы специфической регуляции
каталитической активности ферментов:
1). Аллостерическая регуляция;
2). Регуляция с помощью белок-белковых
взаимодействий;
3). Регуляция через ковалентную модификацию.
а). Регуляция путем
фосфорилирования/дефосфорилирования
фермента;
б). Регуляция частичным протеолизом.

1. Аллостерическая регуляция

Аллостерическими называют ферменты, активность которых
регулируется обратимым нековалентным присоединением
модулятора (активатора и ингибитора) к аллостерическому центру.
E1
S
E2
A
E3
B
E4
C
P
Активирование происходит по принципу прямой положительной
связи, а ингибирование - по принципу отрицательной обратной
связи.
Активность аллостерических ферментов изменяется очень
быстро

2. Регуляция каталитической активности ферментов с помощью белок-белковых взаимодействий

а). Активация ферментов в результате присоединения регуляторных белков.
АЦ
G
G
АЦ
АТФ цАМФ
б). Регуляция каталитической активности ферментов
ассоциацией/диссоциацией протомеров
цАМФ
цАМФ
R
R
C
R
C
ПК А
цАМФ
S
C
P
R
цАМФ
S
C
P

3). Регуляция каталитической активности ферментов путем их ковалентной модификации

Регуляция активности фермента осуществляется в результате
ковалентного присоединения или отщепления от него фрагмента.
Бывает 2 видов:
а). путем фосфорилирования и дефосфорилирования ферментов; .
АТФ
АДФ
ПК
ФЕРМЕНТ
H3PO4
ФПФ
*
ФЕРМЕНТ-Ф
субстрат
продукт
H2O
б). путем частичного протеолиза ферментов (внеклеточные)
Субстрат
Трипсиноген
Продукт
Трипсин

III. Механизмы регуляции количества ферментов
Индукторы
Репрессоры
гидролиз
биосинтез
Аминокислоты
Фермент
Аминокислоты
Индукторы - это вещества которые запускают синтез ферментов
Процесс запуска синтеза ферментов называется индукцией
Ферменты, концентрация, которых зависит от добавления
индукторов, называются индуцируемыми ферментами
Ферменты, концентрация которых постоянна и не регулируется
индукторами, называются конститутивными ферментами
Базовый уровень - это концентрация индуцируемого фермента
при отсутствии индуктора.

Репрессоры (точнее корепрессоры) - вещества,
которые останавливают синтез ферментов.
Процесс остановки синтеза ферментов называется
репрессией.
Дерепрессией – называется процесс
возобновления синтеза ферментов после удаления
из среды репрессора
В качестве индукторов и репрессоров выступают
некоторые метаболиты, гормоны и биологически
активные вещества.

3. Клеточная сигнализация

В многоклеточных организмах поддержание
гомеостаза обеспечивают 3 системы:
1). Нервная
2). Гуморальная
3). Иммунная
Регуляторные системы функционируют с участием
сигнальных молекул.
Сигнальные молекулы – это органические
вещества, которые переносят информацию.
Для передачи сигнала:
А). ЦНС использует нейромедиаторы
Б). Гуморальная система использует гормоны
В). Иммунная система использует цитокины.

Гормоны - это сигнальные молекулы беспроводного системного действия
Истинные гормоны в отличии от других сигнальных молекул:
1. синтезируются в специализированных эндокринных клетках,
2. транспортируются кровью
3. действуют дистантно на ткани мишени.
Гормоны по строению делятся: на
1. белковые (гормоны гипоталамуса, гипофиза),
2. производные аминокислот (тиреоидные, катехоламины)
3. стероидные (половые, кортикоиды).
Пептидные гормоны и катехоламины растворимы в воде,
они регулируют преимущественно каталитическую
активность ферментов.
Стероидные и тиреоидные гормоны водонерастворимы,
они регулируют преимущественно количество
ферментов.

Каскадные системы
Гормоны регулируют количество и каталитическую
активность ферментов не напрямую, а
опосредовано через каскадные системы
Гормоны
Каскадные системы
Ферменты
х 1000000
Каскадные системы:
1. Многократно усиливают сигнал гормона (повышают количество или
каталитическую активность фермента) так что 1 молекула гормона
способна вызвать изменение метаболизма в клетке
2. Обеспечивают проникновение сигнала в клетку (водорастворимые
гормоны в клетку самостоятельно не проникают)

каскадные системы состоят из:
1. рецепторов;
2. регуляторных белков (G-белки, IRS, Shc, STAT и т.д.).
3. вторичных посредников (messenger - посыльный)
(Са2+, цАМФ, цГМФ, ДАГ, ИТФ);
4. ферментов (аденилатциклаза, фосфолипаза С,
фосфодиэстераза, протеинкиназы А, С, G,
фосфопротеинфосфотаза);
Виды каскадных систем:
1. аденилатциклазная,
2. гуанилатциклазная,
3. инозитолтрифосфатная,
4. RAS и т.д.),

Рецепторы

Рецепторы - это белки, встроенные в клеточную мембрану или
находящиеся внутри клетки, которые, взаимодействуя с
сигнальными молекулами, меняют активность регуляторных белков.
По локализации рецепторы делятся на:
1) цитоплазматические;
2) ядерные;
3) мембранные.
По эффекту рецепторы делятся на:
активаторные (активируют каскадные системы)
ингибиторные (блокируют каскадные системы).
По механизму передачи сигнала рецепторы делятся на 4 типа:
1). Рецепторы, связанные с ионными каналами
2). Рецепторы, с ферментативной активностью.
Бывают 3 видов:
а). Рецепторы, с тирозинкиназной активностью (тирозиновые
протеинкиназы).
б). Рецепторы, с фосфатазной активностью (тирозиновые
протеинфосфотазы) (например, ФПФ).
в). Рецепторы с гуанилатциклазной активностью (ГЦ).
3). Рецепторы, сопряженные с G-белками по строению их еще
называют серпантинными.
4). Ядерные и цитоплазматические рецепторы.

Рецептор, связанный с ионным каналом

Работа рецептора связанная с G-белком (серпантинный)

Рецептор с ферментативной активностью (тирозинкиназный)
инсулин
a
a
инсулин
инсулин
a
a
a
b
b
b
b
тир
тир
тир
тир
АТФ
АДФ
b
a
b
тир-Ф* тир-Ф*
IRS-1
IRS-1-Ф*
АТФ АДФ
ФПФ
ФПФ*

Аденилатциклазная система
Гормоны:
Глюкагон, Вазопресин, Катехоламины (через β2-адренэргические рецепторы)
Гормоны гипофиза (АКТГ, ЛДГ, ФСГ, ЛТ, МСГ, ТТГ), паратгормон, Фактор роста
нервов
PGE1
Г
R
Цитоплазматическая мембрана
G
A
Ц
цитоплазма
АТФ цАМФ
ПК А
Фермент неакт
ПК А*
АТФ
АДФ
Фермент акт
субстрат
Ф
продукт
Имеются
αи
β-адренергические
рецепторы
мембран клеток печени, мышц и жировой ткани.
в
плазматических

Гуанилатциклазная система
Сигнальные молекулы:
ПНФ (расслабление тонуса сосудов),
Катехоламины (через α-адренэргические рецепторы)
Бактериальный эндотоксин (блокирует всасывание воды вызывает диарею)
NO, продукты ПОЛ (цитоплазматическая ГЦ)
Г
ГЦ
Цитоплазматическая мембрана
цитоплазма
ГТФ цГМФ
ПК G
Фермент неакт
ПК G*
АТФ
АДФ
Фермент акт
субстрат
Ф
продукт
Гуанилатциклазная система функционирует в легких, почках, эндотелии
кишечника, сердце, надпочечниках, сетчатке и др. Она участвует в регуляции
водно-солевого обмена и тонуса сосудов, вызывает релаксацию и т.д.

Инозитолтрифосфатная система
Гормоны:
гонадолиберин, тиролиберин, дофамин, тромбоксаны А2, эндоперекиси,
лейкотриены, агниотензин II, эндотелин, паратгормон, нейропептид Y,
адренергические катехоламины (через α1 рецепторы), ацетилхолин,
брадикинин, вазопрессин (через V1 рецепторы).
Г
R
G
ФЛ С
Цитоплазматическая мембрана
ФИФ2
ДГ
2+
ИТФ Са
субстрат
Кальмодулин -4Са2+
ПК С
цитоплазма
продукт
Фермент неакт
Са2+
Кальмодулин -4Са2+
Кальмодулин
Фермент акт
субстрат
продукт

Трансмембранная передача информации с участием
цитоплазматических рецепторов
белок
Г
шаперон
Цитоплазматическая
мембрана
ЦПР
белок
Г
шаперон
Гормоны:
Кортикоиды,
половые,
тиреоидные
Г
ЯДРО
ЦПР
Г
ЦПР
ДНК
цитоплазма
субстрат
продукт
Транскрипция
мРНК
Трансляция
мРНК
Фермент
рибосома

Глава IV .3.

Ферменты

Обменвеществ в организме можно определить как совокупность всех химических превращений, которым подвергаются соединения, поступающие извне. Эти превращения включают все известные виды химических реакций: межмолекулярный перенос функциональных групп, гидролитическое и негидролитическое расщепления химических связей, внутримолекулярная перестройка, новообразование химических связей и окислительно - восстановительные реакции. Такие реакции протекают в организме с чрезвычайно большой скоростью только в присутствии катализаторов. Все биологические катализаторы представляют собой вещества белковой природы и носят названия ферменты (далее Ф) или энзимы (Е).

Ферменты не являются компонентами реакций, а лишь ускоряют достижение равновесия увеличивая скорость как прямого, так и обратного превращения. Ускорение реакции происходит за счет снижении энергии активации – того энергетического барьера, который отделяет одно состояние системы (исходное химическое соединение) от другого (продукт реакции).

Ферменты ускоряют самые различные реакции в организме. Так достаточно простая с точки зрения традиционной химии реакция отщепления воды от угольной кислоты с образованием СО 2 требует участия фермента, т.к. без него она протекает слишком медленно для регулирования рН крови. Благодаря каталитическому действию ферментов в организме становится возможным протекание таких реакций, которые без катализатора шли бы в сотни и тысячи раз медленнее.

Свойства ферментов

1. Влияние на скорость химической реакции: ферменты увеличивают скорость химической реакции, но сами при этом не расходуются.

Скорость реакции – это изменение концентрации компонентов реакции в единицу времени. Если она идет в прямом направлении, то пропорциональна концентрации реагирующих веществ, если в обратном – то пропорциональна концентрации продуктов реакции. Отношение скоростей прямой и обратной реакций называется константой равновесия. Ферменты не могут изменять величины константы равновесия, но состояние равновесия в присутствии ферментов наступает быстрее.

2. Специфичность действия ферментов. В клетках организма протекает 2-3 тыс. реакций, каждая из которые катализирутся определенным ферментом. Специфичность действия фермента – это способность ускорять протекание одной определенной реакции, не влияя на скорость остальных, даже очень похожих.

Различают:

Абсолютную – когда Ф катализирует только одну определенную реакцию (аргиназа – расщепление аргинина)

Относительную (групповую спец) – Ф катализирует определенный класс реакций (напр. гидролитическое расщепление) или реакции при участии определенного класса веществ.

Специфичность ферментов обусловлена их уникальной аминокислотной последовательностью, от которойзависит конформация активного центра, взаимодействующего с компонентами реакции.

Вещество, химическое превращение которого катализируется ферментом носит название субстрат ( S ) .

3. Активность ферментов – способность в разной степени ускорять скорость реакции. Активность выражают в:

1) Международных единицах активности – (МЕ) количество фермента, катализирующего превращение 1 мкМ субстрата за 1 мин.

2)Каталах (кат) – количество катализатора (фермента), способное превращать 1 моль субстрата за 1 с.

3) Удельной активности – число единиц активности (любых из вышеперечисленных) в исследуемом образце к общей массе белка в этом образце.

4) Реже используют молярную активность – количество молекул субстрата превращенных одной молекулой фермента за минуту.

Активность зависит в первую очередь от температуры . Наибольшую активность тот или иной фермент проявляет при оптимальной температуре. Для Ф живого организма это значение находится в пределах +37,0 - +39,0 ° С, в зависимости от вида животного. При понижении температуры, замедляется броуновское движение, уменьшается скорость диффузии и, следовательно, замедляется процесс образования комплекса между ферментом и компонентами реакции (субстратами). В случае повышения температуры выше +40 - +50 ° С молекула фермента, которая является белком, подвергается процессу денатурации. При этом скорость химической реакции заметно падает (рис. 4.3.1.).

Активность ферментовзависит также от рН среды . Для большинства из них существует определенное оптимальное значение рН, при котором их активность максимальна. Поскольку в клетке содержатся сотни ферментов и для каждого из них существуют свои пределы опт рН, то изменение рН это один из важных факторов регуляции ферментативной активности. Так, в результате одной химреакции при участии определенного фермента рН опт которого лежит в перделах 7.0 – 7.2 образуется продукт, который является кислотой. При этом значение рН смещается в область 5,5 – 6.0. Активность фермента резко снижается, скорость образования продуктазамедляется, но при этом активизируется другой фермент, для которого эти значения рН оптимальны и продукт первой реакции подвергается дальнейшему химическому превращению. (Еще пример про пепсин и трипсин).

Химическая природа ферментов. Строение фермента. Активный и аллостерический центры

Все ферменты это белки с молекулярной массой от 15 000 до нескольких млн Да. По химическому строению различают простые ферменты (состоят только из АК) и сложные ферменты (имеют небелковую часть или простетическую группу). Белковая часть носит название – апофермент, а небелковая, если она связана ковалентно с апоферментом, то называется кофермент, а если связь нековалентная (ионная, водородная) – кофактор . Функции простетической группы следующие: участие в акте катализа, осуществление контакта между ферментом и субстратом, стабилизация молекулы фермента в пространстве.

В роли кофактора обычно выступают неорганические вещества- ионы цинка, меди, калия, магния, кальция, железа, молибдена.

Коферменты можно рассматривать как составную часть молекулы фермента. Это органические вещества, среди которых различают: нуклеотиды (АТФ , УМФ , и пр), витамины или их производные (ТДФ – из тиамина (В 1 ), ФМН – из рибофлавина (В 2 ), коэнзим А – из пантотеновой кислоты (В 3 ), НАД и пр) и тетрапиррольные коферменты – гемы.

В процессе катализа реакции в контакт с субстратом вступает не вся молекула фермента, а определенный ее участок, который называется активным центром . Эта зона молекулы не состоит из последовательности аминокислот, а формируется при скручивании белковой молекулы в третичную структуру. Отдельные участки аминокислот сближаются между собой, образуя определенную конфигурацию активного центра. Важная особенность строения активного центра - его поверхность комплементарна поверхности субстрата, т.е. остатки АК этой зоны фермента способны вступать в химическое взаимодействие с определенными группами субстрата. Можно представить, что активный центр фермента совпадает со структурой субстрата как ключ и замок.

В активном центре различают две зоны: центр связывания , ответственный за присоединение субстрата, и каталитический центр , отвечающий за химическое превращение субстрата. В состав каталитического центра большинства ферментов входят такие АК, как Сер, Цис, Гис, Тир, Лиз. Сложные ферменты в каталитическом центре имеют кофактор или кофермент.

Помимо активного центра ряд ферментов снабжен регуляторным (аллостерическим) центром. С этой зоной фермента взаимодействуют вещества, влияющие на его каталитическую активность.

Механизм действия ферментов

Акт катализа складывается из трех последовательных этапов.

1. Образование фермент-субстратного комплекса при взаимодействии через активный центр.

2. Связывание субстрата происходит в нескольких точках активного центра, что приводит к изменению структуры субстрата, его деформации за счет изменения энергии связей в молекуле. Это вторая стадия и называется она активацией субстрата. При этом происходит определенная химическая модификация субстрата и превращение его в новый продукт или продукты.

3. В результате такого превращения новое вещество (продукт) утрачивает способность удерживаться в активном центре фермента и фермент-субстратный, вернее уже фермент-продуктный комплекс диссоциирует (распадается).

Виды каталитических реакций:

А+Е = АЕ = БЕ = Е + Б

А+Б +Е = АЕ+Б = АБЕ = АБ + Е

АБ+Е = АБЕ = А+Б+Е,где Е - энзим, А и Б - субстраты, либо продукты реакции.

Ферментативные эффекторы - вещества, изменяющие скорость ферментативного катализа и регулирующие за счет этого метаболизм. Среди них различают ингибиторы - замедляющие скорость реакции и активаторы - ускоряющие ферментативную реакцию.

В зависимости от механизма торможения реакции различают конкурентные и неконкурентные ингибиторы. Строение молекулы конкурентного ингибитора сходно со структурой субстрата и совпадает с поверхностью активного центра как ключ с замком (или почти совпадает). Степень этого сходства может даже быть выше чем с субстратом.

Если А+Е = АЕ = БЕ = Е + Б, тоИ+Е = ИЕ ¹

Концентрация способного к катализу фермента при этом снижается и скорость образование продуктов реакции резко падает (рис. 4.3.2.).

В качестве конкурентных ингибиторов выступает большое число химических веществ эндогенного и экзогенного происхождения (т.е. образующихся в организме и поступающих извне – ксенобиотики, соответственно). Эндогенные вещества являются регуляторами метаболизма и называются антиметаболитами. Многие из них используют при лечении онкологических и микробных заболеваний, тк. они ингибируют ключевые метаболичекие реакции микроорганизмов (сульфаниламиды) и опухолевых клеток. Но при избытке субстрата и малой концентрации конкурентного ингибитора его действие отменяется.

Второй вид ингибиторов - неконкурентные. Они взаимодействую с ферментом вне активного центра и избыток субстрата не влияет на их ингибирующую способность, как в случае с конкурентными ингибиторами. Эти ингибиторы взаимодействуют или с определенными группами фермента (тяжелые металлы связываются с тиоловыми группами Цис) или чаще всего регуляторным центром, что снижает связывающую способность активного центра. Собственно процесс ингибирования - это полное или частичное подавление активности фермента при сохранении его первичной и пространственной структуры.

Различают также обратимое и необратимое ингибирование. Необратимые ингибиторы инактивируют фермент, образуя с его АК или другими компонентами структуры химическую связь. Обычно это ковалентная связь с одним из участков активного центра. Такой комплекс практически недиссоциирует в физиологических условиях. В другом случае ингибитор нарушает конформационную структуру молекулы фермента - вызывает его денатурацию.

Действие обратимых ингибиторов может быть снято при переизбытке субстрата или под действием веществ, изменяющих химическую структуру ингибитора. Конкурентные и неконкурентные ингибиторы относятся в большинстве случаев к обратимым.

Помимо ингибиторов известны еще активаторы ферментативного катализа. Они:

1) защищают молекулу фермента от инактивирующих воздействий,

2) образуют с субстратом комплекс, который более активно связывается с активным центром Ф,

3) взаимодействуя с ферментом, имеющим четвертичную структуру, разъединяют его субъединицы и тем самым открывают доступ субстрату к активному центру.

Распределение ферментов в организме

Ферменты, участвующие в синтезе белков, нуклеиновых кислот и ферменты энергетического обмена присутствуют во всех клетках организма. Но клетки, которые выполняют специальные функции содержат и специальные ферменты. Так клетки островков Лангерганса в поджелудочной железе содержат ферменты, катализирующие синтез гормонов инсулина и глюкагона. Ферменты, свойственные только клеткам определенных органов называют органоспецифическими: аргиназа и урокиназа - печень, кислая фосфатаза - простата. По изменению концентрации таких ферментов в крови судят о наличии патологий в данных органах.

В клетке отдельные ферменты распределены по всей цитоплазме, другие встроены в мембраны митохондрий и эндоплазматического ретикулума, такие ферменты образуют компартменты, в которых происходят определенные, тесно связанные между собой этапы метаболизма.

Многие ферменты образуются в клетках и секретируются в анатомические полости в неактивном состоянии - это проферменты. Часто в виде проферментов образуются протеолитические ферменты (расщепляющие белки). Затем под воздействием рН или других ферментов и субстратов происходит их химическая модификация и активный центр становится доступным для субстратов.

Существуют также изоферменты - ферменты, отличающиеся по молекулярной структуре, но выполняющие одинаковую функцию.

Номенклатура и классификация ферментов

Название фермента формируется из следующих частей:

1. название субстрата с которым он взаимодействует

2. характер катализируемой реакции

3. наименование класса ферментов (но это необязательно)

4. суффикс -аза-

пируват - декарбоксил - аза,сукцинат - дегидроген - аза

Посколькууже известно порядка 3 тыс. ферментов их необходимо классифицировать. В настоящее время принята международная классификация ферментов, в основу которой положен тип катализируемой реакции. Выделяют 6 классов, которые в свою очередь делятся на ряд подклассов (в данной книге представлены только выборочно):

1. Оксидоредуктазы. Катализируют окислительно-восстановительные реакции. Делятся на 17 подклассов. Все ферменты содержат небелковую часть в виде гема или производных витаминов В 2 , В 5 . Субстрат, подвергающийся окислению выступает как донор водорода.

1.1. Дегидрогеназы отщепляют от одного субстрата водород и переносят на другие субстраты. Коферменты НАД, НАДФ, ФАД, ФМН. Они акцептируют на себе отщепленный ферментом водород превращаясь при этом в восстановленную форму (НАДН, НАДФН, ФАДН) и переносят к другому фермент-субстратному комплексу, где его и отдают.

1.2. Оксидазы - катализирует перенос водорода на кислород с образованием воды или Н 2 О 2 . Ф. Цитохромокисдаза дыхательной цепи.

RH + NAD H + O 2 = ROH + NAD + H 2 O

1.3. Монооксидазы - цитохром Р450 . По своему строению одновременно гемо- и флавопротеид. Он гидроксилирует липофильные ксенобиотики (по вышеописанному механизму).

1.4. Пероксидазы и каталазы - катализируют разложение перекисиводорода, которая образуется в ходе метаболических реакций.

1.5. Оксигеназы - катализируют реакции присоединения кислорода к субстрату.

2. Трансферазы - катализируют перенос различных радикалов от молекулы донора к молекуле акцептору.

Аа + Е + В = Еа + А + В = Е + Ва + А

2.1. Метилтрансферазы (СН 3 -).

2.2.Карбоксил- и карбамоилтрансферазы.

2.2. Ацилтрансферазы – Кофермент А (перенос ацильной группы - R -С=О).

Пример: синтез нейромедиатора ацетилхолина (см.главу "Обмен белков").

2.3. Гексозилтрансферазы- катализируют перенос гликозильных остатков.

Пример: отщепление молекулы глюкозы от гликогена под действием фосфорилазы .

2.4. Аминотрансферазы - перенос аминогрупп

R 1- CO - R 2 + R 1 - CH - NH 3 - R 2 = R 1 - CH - NH 3 - R 2 + R 1- CO - R 2

Играют важную роль в превращении АК. Общим коферментом являнтся пиридоксальфосфат.

Пример: аланинаминотрансфераза (АлАТ): пируват + глутамат = аланин + альфа-кетоглутарат (см.главу "Обмен белков").

2.5. Фосфотрансфереза (киназа) - катализируют перенос остатка фосфорной кислоты. В большинстве случает донором фосфата является АТФ. В процессе расщепления глюкозы в основном принимают участие ферменты этого класса.

Пример: Гексо (глюко)киназа .

3. Гидролазы - катализируют реакции гидролиза, т.е. расщепление веществ с присоединением по месту разрыва связи воды. К этому классу относятся преимущественно пищеварительные ферменты, они однокомпонентные (не содержат небелковой части)

R1-R2 +H 2 O = R1H + R2OH

3.1. Эстеразы - расщепляют эфирные связи. Это большой подкласс ферментов, катализирующих гидролиз тиоловых эфиров, фосфоэфиров.
Пример: NH 2 ).

Пример: аргиназа (цикл мочевины).

4.Лиазы - катализируют реакции расщепления молекул без присоединения воды. Эти ферменты имеют небелковую часть в виде тиаминпирофосфата (В 1) и пиридоксальфосфата (В 6).

4.1. Лиазы связи С-С. Их обычно называют декарбоксилазами.

Пример: пируватдекарбоксилаза .

5.Изомеразы - катализируют реакции изомеризации.

Пример: фосфопентозоизомераза, пентозофосфатизомераза (ферменты неокислительной ветви пентозофосфатного пути).

6.Лигазы катализируют реакции синтеза более сложных веществ из простых. Такие реакции идут с затратой энергии АТФ. К названию таких ферментов прибавляют "синтетаза".

ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ IV .3.

1. Бышевский А. Ш., Терсенов О. А. Биохимия для врача // Екатеринбург: Уральский рабочий, 1994, 384 с.;

2. Кнорре Д. Г., Мызина С. Д. Биологическая химия. – М.: Высш. шк. 1998, 479 с.;

3. Филиппович Ю. Б., Егорова Т. А., Севастьянова Г. А. Практикум по общей биохимии // М.: Просвящение, 1982, 311с.;

4. Ленинджер А. Биохимия. Молекулярные основы структуры и функций клетки // М.: Мир, 1974, 956 с.;

5. Пустовалова Л.М. Практикум по биохимии // Ростов-на Дону: Феникс, 1999, 540 с.

Описание презентации ЛЕКЦИЯ № 1 Введение в биохимию. Ферменты по слайдам

План лекции I. Биохимия – как наука. Предмет, цели и задачи биохимии. II. Метаболизм. Основные понятия. Виды метаболических реакций. III. Энзимология. 1. Ферменты. Определение, химическая природа, физико-химические свойства, биологическое значение. 2. Сравнение ферментов и неорганических катализаторов 3. Строение ферментов

Биохимия – наука, изучающая вещества, входящие в состав живых организмов, их превращения, а также взаимосвязь этих превращений с деятельностью органов и тканей Биохимия – молодая наука, около ста лет назад она возникла на стыке физиологии и органической химии. Термин биохимия ввел в 1903 г немецкий биохимик Карл Нейберг (1877 -1956). I. БИОХИМИЯ

Биохимия как наука делится на: Статическую (биоорганическая химия) анализирует структуру и химический состав организмов Динамическую изучает обмен веществ и энергии в организме Функциональную исследует взаимодействие химических процессов с биологическими и физиологическими функциями OH H O H O HO HH HO HCO 2 + H 2 O ÀÄÔ + Ôí ÀÒÔ À Ò Ô À Ä Ô + Ô í

По объектам исследования, биохимия делится на: биохимию человека и животных; биохимию растений; биохимию микроорганизмов; биохимию грибов; биохимию вирусов. Мы с вами будем заниматься медицинской биохимией, одним из разделов биохимии человека и животных

Объектом медицинской биохимии является человек Целью курса медицинской биохимии является изучение: молекулярных основ физиологических функций человека; молекулярных механизмов патогенеза болезней; биохимических основ предупреждения и лечения болезней; биохимических методов диагностики болезней и контроля эффективности лечения (клиническая биохимия)Задачи курса медицинской биохимии: изучить теоретический материал; получить практический навык биохимических исследований; научиться интерпретировать результаты биохимических исследований

II. Метаболизм В основе жизнедеятельности любого организма лежат химические процессы. Метаболизм (обмен веществ) – совокупность всех реакций, протекающих в живом организме А FB C DЭнергия Тепло Катаболизм Анаболизм

Метаболиты – вещества, участвующие в метаболических процессах (субстраты, А, В, С, продукты) Субстрат – вещество, которое вступает в химическую реакцию Продукт – вещество, которое образуется в ходе химической реакции Субстрат Продукт. Последовательность реакций, в результате которых субстрат превращается в продукт называется метаболический путь А В СОрганические соединения имеют сложную структуру и синтезируются только в ходе нескольких последовательных реакций Пример метаболического пути: Гликолиз, цепь окислительного фосфорилирования

Субстрат Продукт 2 Последовательность реакций, идущие в обход основного метаболического пути называется метаболическим шунтом А ВD EПродукт 3 Продукт 1 Примеры метаболических шунтов: 1. пентозофосфатный шунт, 2. 2, 3 -дифосфоглицератный шунт

S 1 Последовательность реакций, в ходе которых образующийся продукт, является одновременно и субстратом данных реакций называется метаболическим циклом S 2(P) A CBПродукт 1 Продукт 2 Примеры метаболических циклов: 1. Цикл Кребса, 2. Орнитиновый цикл 3. Цикл β — окисления жирный кислот 4. Глюкозо-лактатный цикл, 5. Глюкозо-аланиновый цикл

Энзимология – наука, раздел биохимии, о ферментах. III. Энзимология строение и свойства ферментов; ферментативные реакции и механизмы их катализа; регуляцию активности ферментов. Предметом изучения энзимологии являются ферменты. Энзимология изучает: Медицинская энзимология — изучает применение ферментов в медицины.

Практически все реакции в живом организме протекают с участием ферментов Ферменты (энзимы) – биологические катализаторы белковой природы. Биологическая роль ферментов заключается в том, что они катализируют контролируемое протекание всех метаболических процессов в организме Физико-химические свойства Являясь веществами белкой природы, ферменты обладают всеми свойствами белков Определение и химическая природа К 2013 году было описано более 5000 разных ферментов

Особенности действия ферментов 1. Ускоряют только термодинамически возможные реакции 2. Не изменяют состояние равновесия реакций, а только ускоряют его достижение 3. реакции ускоряют значительно, в 10 8 -10 14 раз 4. Действуют в малых количествах 5. В реакциях не расходуются 6. Чувствительны к активаторам и ингибиторам. 7. Активность ферментов регулируется специфическими и неспецифическими факторами 8. Ферменты действуют только в мягких условиях (t = 36 -37ºС, р. Н ~ 7, 4, атмосферное давление) 9. Обладают широким диапазоном действия, катализируют большинство реакций в организме 10. Для ферментов характерна высокая специфичность субстратная специфичность: ▪ абсолютная (1 фермент — 1 субстрат), ▪ групповая (1 фермент – несколько похожих субстратов), ▪ стереоспецифичность (ферменты работают с субстратами L или D). каталитическая специфичность (ферменты катализируют реакции одного из типов химических реакций)О б щ ее с неорганическим и катал изаторам и

1. Активный центр – это часть молекулы фермента, которая специфически взаимодействует с субстратом и принимает непосредственное участие в катализе б). Каталитический центр. Активный центр, как правило, находиться в нише (кармане) Содержит, не менее трех точек для связывания субстрата, благодаря чему молекула субстрата присоединяется к активному центру единственно возможным способом, что обеспечивает субстратную специфичность фермента 1. Активный центр а). Субстратный участок (контактная площадка) Особенность строения каталитического центра дает возможность ферменту катализировать реакцию с помощью определенного механизма катализа: кислотно-основного, электрофильного, нуклеофильного и т. д. Т. о. каталитический центр обеспечивает выбор пути химического превращения и каталитическую специфичность фермента. Строение ферментов Ферменты – глобулярные белки, содержащие активный центр

Фермен т +- 0 Субстрат Ферменты характеризуются наличием специфических центров катализа Субстратный участок Каталит. центр Активный центр + 0 -Продук т

02. Алостерический центр У группы регуляторных ферментов есть алостерические центры, которые находятся за пределами активного центра К алостерическому центру могут присоединяться “+” модуляторы (активаторы), увеличивающие активность ферментов. Алостерический центр и контактная площадка устроены аналогично + -0+ Активатор

02. Аллостерический центр Также к аллостерическому центру могут присоединяться “-” модуляторы (ингибиторы), угнетающие активность ферментов. -0+ Ингибитор —

По составу ферменты делятся на: Простые Состоят только из аминокислот -Сложные Состоят из: 1. Аминокислот; 2. Ионы металлов 3. Органических веществ небелковой природы 0+ Апофермент. Простетическая группа+ — 0 Белковая часть (из аминокислот) сложного фермента называют Апофермент Небелковую часть сложного фермента называют Простетическая группа Ионы металлов (кофакторы) Органических веществ небелковой природы (коферменты)

Коферменты — органические вещества небелковой природы, которые участвуют в катализе в составе каталитического участка активного центра фермента называют. Каталитически активную форму сложного белка называют холоферментом Холофермент = Апофермент + Кофермент. Кофакторы — ионы металлов, необходимые для проявления каталитической активности ферментов называют

В качестве коферментов функционируют: Витамины Активация Коферменты РР (никотиновая кислота) НАД + , НАДФ + В 1 (тиамин) В 2 (рибофлавин) Тиаминпирофосфат ФАД, ФМН В 6 (пиридоксаль) Пиридоксальфосфат В 12 Кобаламины Гемы (коферменты цитохромов); Нуклеотиды (коферменты рибосом); коэнзим Q ; ФАФС (коферменты трансфераз); SAM ; Глутатион (кофермент глутатионпероксидазы); Производные водорастворимых витаминов:

— 0+ +- 0++ — 0+ + — 0 Косубстрат – простетическая группа, которая присоединена к белковой части слабыми нековалентными связями. Косубстрат присоединяется к ферменту в момент реакции: Например, НАД + , НАДФ +. +- 0+ Продукт Фермент + Субстрат Фермент Косубстрат Фермент-субстратный комплекс Косубстрат- 0+Простетическая группа обычно прочно связана с апоферментом.

Кофакторы В качестве кофакторов выступают ионы калия, магния, кальция, цинка, меди, железа и т. д. стабилизируют молекулы субстрата и обеспечивают его связывание; стабилизируют активный центр фермента, стабилизируют третичную и четвертичную структуру фермента; обеспечивают катализ. Роль кофакторов разнообразна, они:

Например, АТФ присоединяется к киназам только вместе с Mg 2+ + Субстрат (АТФ)Кофактор (Mg 2+) + — 0 Фермент Активный субстрат (АТФ- Mg 2+) — 0+ + — 0+ Фермент-субстратный комплекс Продукт (АДФ) — 0+ Фермент. Кофактор (Mg 2+)

Локализация и компартментализация ферментов в клетке и тканях По локализации в организме ферменты делятся: Общие ферменты (универсальные) Органоспецифические ферменты Органеллоспецифические ферменты. Органеллонеспецифические ферменты. По локализации в клетке ферменты делятся: Креатинкиназы, аминотрансферазы и тд. Ферменты гликолиза, рибосомы и т. д.

Обнаруживаются практически во всех клетках, обеспечивают основные процессы жизнедеятельности клетки: 1. Общие ферменты (универсальные) Ферменты: гликолиза, цикла Кребса, окислительного фосфорилирования, ПФШ и т. д. Синтез и использование АТФ; метаболизм белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов и других органических веществ; создание электрохимического потенциала; движение и т. д.

2. Органоспецифические ферменты Костная ткань Щелочная фосфатаза Миокард АСТ, АЛТ, КФК МВ, ЛДГ 1, 2 Почки Трансамидиназ а, щелочная фосфатаза Печень Аргиназа, АЛТ, АСТ, ЛДГ 4, 5 , щелочная фосфатаза, γ -глутамилтранспептидаза, глутаматдегидрогеназа холинэстераза. Свойственны определенным органам или тканям (или группе органов и тканей). Обеспечивают выполнение ими специфических функций Простата Кислая фосфотаза. Поджелудочная железа α-амилаза, липаза, γ -глутамилтранспептидаза

Распределение ферментов в органах печень миок. Скел. муск Почки Er Кость Простата АСТ АЛТ ЛДГ КФК ЩФ КФ 0 -10% 10 -50% 50 -75% 75 -100%

3. Органеллоспецифические ферменты Клеточная мембрана Щелочная фосфатаза, Аденилатциклаза, К-Nа-АТФаза Цитоплазма Ферменты гликолиза, ПФШ Гладкий ЭПР Ферменты микросомального окисления Рибосомы Ферменты биосинтеза белка. Лизосомы Кислая фосфатаза. Митохондрии Ферменты окислительного фосфорилирования, ЦТК, β-окисления жирных кислот Ядро РНК-полимераза, НАД-синтетаза

Изоферменты – это множественные формы одного фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, и отличающие химическим составом Изоферменты отличаются: сродством к субстрату (разные Км), максимальной скорости катализируемой реакции, электрофоретической подвижности, разной чувствительности к ингибиторам и активаторам, оптимуму р. Н термостабильности Изоферменты имеют четвертичную структуру, которая образована четным количеством субъединиц (2, 4, 6 и т. д.): Изоферменты У белков с четвертичной структурой и разными субъединицами за счет меньшего количества генов создается большее разнообразие форм.

Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) ЛДГ состоит из 4 -х субъединиц 2 типов М (muscle) и Н (heart), которые в разных комбинациях образуют 5 изоформ М (muscle)Н (heart) В составе преобладают дикарбоновые АК В составе преобладают диаминомонокарбоновые АК Ë Ä ÃC O O H C C H 3 O Ï Ê 2 Í À Ä + 2 Í À Ä Í 2 C O O H C C H 3 O H Ë à ê ò à òH фермент гликолиза и глюконеогенеза

ЛДГ 1 НННН ЛДГ 2 НННМ ЛДГ 3 ННММ ЛДГ 4 НМММ ЛДГ 5 ММММ О 2 Н (heart) М (muscle) эпителий лёгочных альвеолмиокард, эритроциты, корковое вещество почек поперечно-пол осатая скелетная мускулатура, гепатоцитыр. Н нейтральная р. Н кислая

Креатинкиназа (креатинфосфокиназа) КФК состоит из 2 -х субъединиц 2 типов М (от англ, muscle — мышца) и В (от англ, brain — мозг) , которые в разных комбинациях образуют 3 изоформы: КФК ВВ КФК ММКФК играет важную роль в энергетическом обмене мышечной и нервной тканей

Определение в крови активности органо- органеллоспецифических ферментов и изоферментов широко используется в клинической диагностике: Инфаркт миокарда АСТ, АЛТ, КФК МВ, ЛДГ 1, 2 Панкреатит Панкреатическая амилаза, γ -глутамилтранспептидаза, липаза Гепатит АЛТ, АСТ, ЛДГ 4, 5 , γ -глутамилтранспептидаза, глутаматдегидрогеназа

Номенклатура – названия индивидуальных соединений, их групп, классов, а также правила составления этих названий Классификация – разделение чего-либо по выбранным признакам Номенклатура и классификация ферментов

Современная номенклатура ферментов – международная, переведена на разные языки Исторически сложившиеся названия: (пепсин, трипсин) рабочие названия: субстрат + окончание аза (сахараза) субстрат + его хим. превращение + аза (пируваткарбоксилаза) Тривиальная Систематическая По названию можно точно идентифицировать фермент и его катализируемую реакцию. В каждом классе строится по определённой схеме Принята в 1961 г Международным союзом биохимиков

Классификация ферментов На основании 6 известных типов химических реакций ферменты, которые их катализируют, подразделяют на 6 классов. На основании субстратов, переносимых групп и т. д. в каждом классе выделяют несколько подклассов и поподклассов (от 5 до 23); Каждый фермент имеет свой шифр КФ 1. 1. Первая цифра обозначает класс, вторая — подкласс, третья — подподкласс, четвертая — порядковый номер фермента в его подподклассе (в порядке открытия). http: //www. chem. qmul. ac. uk/iubmb/enzyme/

№ Тип реакции Класс Подкласс Поподкласс 1 ОРВ Оксидоредуктазы 23 подклассов Оксидазы Аэробные ДГ Анаэробные ДГ Оксигеназы Гидроксипероксидазы 2 переноса функциональных групп Трансферазы 10 подклассов Киназы Аминотрасферазы Протеинкиназы Гексокиназы 3 Гидролитическое удаление группы от субстрата Гидролазы 13 подклассов Фосфотазы ФПФ 4 Негидролитическое удаление группы от субстрата Лиазы 7 подклассов 5 изомеризация изомеразы 5 подклассов 6 синтеза за счет энергии макроэргических соединений лигазы 6 подклассов C-O-лигаза, C-S-лигаза, C-N-лигаза, C-C-лигаза

Номенклатура ферментов В правилах названия ферментов нет единого подхода – в каждом классе свои правила Название фермента состоит из 2 частей: 1 часть – название субстрата (субстратов), 2 часть – тип катализируемой реакции. Окончание – АЗА; Дополнительная информация, если необходима, пишется в конце и заключается в скобки: L -малат + НАДФ + ↔ ПВК + СО 2 + НАДН 2 L -малат: НАДФ+ — оксидоредуктаза (декарбоксилирующая);

1. Оксидоредуктазы Название класса: донор: акцептор (косубстрат) оксидоредуктаза R — CH 2 — O H + НАД + R — CH =О + НАД Н 2 Систематическое название: Алкоголь: НАД + оксидоредуктаза Тривиальное название: алкогольдегидрогеназа Шифр: КФ 1. 1 ℮ — и Н +

2. Трансферазы Название класса: откуда: куда в какое положение – что – трансфераза донор: акцептор – транспортируемая группа – трансфераза АТ Ф + D -гексоза АДФ + D -гексоза -6 ф Систематическое название: АТ Ф: D -гексоза -6 — фосфо трансфераза Тривиальное название: гексокиназа Шифр: КФ 2. 7. 1. 1 Атомы и молекулярные остатки

3. Гидролазы Название класса: Субстрат – что отщепляется –гидролаза Субстрат –гидролаза Ацетилхолин + Н 2 О Ацетат + Холин Систематическое название: Ацетилхолин -ацил гидролаза Тривиальное название: Ацетилхолинэстераза Шифр: КФ 3. 1. 1.

4. Лиазы Название класса: субстрат: что отщепляется –лиаза L-малат Н 2 О + фумарат Систематическое название: L-малат: гидро –лиаза Тривиальное название: фумараза Шифр: КФ 4. 2. 1.

5. Изомеразы Название класса: Субстрат – вид изомеризации – изомераза Субстрат – продукт – изомераза Фумаровая к-та Малеиновая к-та Систематическое название: Фумарат –цис, транс–изомераза

6. Лигазы (синтетазы) Название класса: субстрат: субстрат – лигаза (источник энергии) L-глутамат + NH 4 + + АТФ L-глутамин + АДФ + Фн Систематическое название: L-глутамат: аммиак – лигаза (АТФ → АДФ + Фн) Тривиальное название: глутаминсинтетаза Шифр: КФ 6. 3. 1.

Лекция 15. Ферменты: строение, свойства, функции.

План лекции:

1. Общая характеристика ферментов.

2. Строение ферментов.

3. Механизм ферментативного катализа.

4. Свойства ферментов.

5. Номенклатура ферментов.

6. Классификация ферментов.

7. изоферменты

8. Кинетика ферментативных реакций.

9. Единицы измерения ферментативной активности

1. Общая характеристика ферментов.

В нормальных физиологических условиях биохимические реакции в организме протекают с высокими скоростями, что обеспечивается биологическими катализаторами белковой природы – ферментами.

Их изучением занимается наука энзимология – наука об энзимах (ферментах), специфических белках – катализаторах, синтезируемых любой живой клеткой и активирующих различные биохимические реакции, протекающие в организме. Некоторые клетки могут содержать до 1000 различных ферментов.

2. Строение ферментов.

Ферменты – это белки с высокой молекулярной массой. Как всякие белки, ферменты имеют первичный, вторичный, третичный и четвертичный уровни организации молекул. Первичная структура представляет собой последовательное соединение аминокислот и обусловлена наследственными особенностями организма, именно она в значительной степени характеризует индивидуальные свойства ферментов. Вторичная структура ферментов организованна в виде альфа – спирали. Третичная структура имеет вид глобулы и участвует в формировании активного и других центров. Многие ферменты имеют четвертичную структуру и представляют собой объединение нескольких субъединиц, каждая из которых характеризуется тремя уровнями организации молекул различающихся друг от друга, как в качественном, так и в количественном соотношении.

Если ферменты представлены простыми белками, т. е. состоят только из аминокислот, их называют простыми ферментами. К простым ферментам относят пепсин, амилазу, липазу (практически все ферменты ЖКТ).

Сложные ферменты состоят из белковой и небелковой частей. Белковая часть фермента называется - апоферментом, небелковая – коферментом. Кофермент с апоферментом образуют холофермент. Кофермент может соединятся с белковой частью или только на время реакции, или связываться друг с другом постоянной прочной связью (тогда небелковая часть называется – простетической группой ). В любом случае небелковые компоненты принимают непосредственное участие в химических реакциях путем взаимодействия с субстратом. Коферменты могут быть представлены:

Нуклеозидтрифосфатами.

Минеральными веществами (цинк, медь, магний).

Активными формами витаминов (В 1 входит в состав фермента – декарбоксилазу, В 2 – входит в дегидрогеназу, В 6 – входит в трансферазы).

Основные функции коферментов :

Участие в акте катализа.

Осуществление контакта между ферментом и субстратом.

Стабилизация апофермента.

Апофермент, в свою очередь усиливает каталитическую активность небелковой части и определяет специфичность действия ферментов.

В каждом ферменте выделяют несколько функциональных центров.

Активный центр – зона молекулы фермента, которая специфически взаимодействует с субстратом. Активный центр представлен функциональными группами нескольких остатков аминокислот, именно в нем происходит присоединение и химическое превращение субстрата.

Аллостерический центр или регуляторный – это зона фермента ответственная за присоединение активаторов и ингибиторов. Данный центр участвует в регуляции активности фермента.

Эти центры находятся на разных участках молекулы фермента.

Давно выяснено, что все ферменты являются белками и обладают всеми свойствами белков. Поэтому подобно белкам ферменты делятся на простые и сложные.

Простые ферменты состоят только из аминокислот – например, пепсин , трипсин , лизоцим .

Сложные ферменты (холоферменты ) имеют в своем составе белковую часть, состоящую из аминокислот – апофермент , и небелковую часть – кофактор . Примером сложных ферментов являются сукцинатдегидрогеназа (содержит ФАД), аминотрансферазы (содержат пиридоксальфосфат), различные пероксидазы (содержат гем), лактатдегидрогеназа (содержит Zn 2+), амилаза (содержит Ca2+ ).

Кофактор , в свою очередь, может называться коферментом (НАД+ , НАДФ+ , ФМН, ФАД, биотин) или простетической группой (гем, олигосахариды, ионы металлов Fe2+ , Mg2+ , Ca2+ , Zn2+ ).

Деление на коферменты и простетические группы не всегда однозначно:
если связь кофактора с белком прочная, то в этом случае говорят о наличии простетической группы ,
но если в качестве кофактора выступает производное витамина – то его называют коферментом , независимо от прочности связи.

Для осуществления катализа необходим полноценный комплекс апобелка и кофактора, по отдельности катализ они осуществить не могут. Кофактор входит в состав активного центра, участвует в связывании субстрата или в его превращении.

Как многие белки, ферменты могут быть мономерами , т.е. состоять из одной субъединицы, и полимерами , состоящими из нескольких субъединиц.

Структурно-функциональная организация ферментов

В составе фермента выделяют области, выполняющие различную функцию:

1. Активный центр – комбинация аминокислотных остатков (обычно 12-16), обеспечивающая непосредственное связывание с молекулой субстрата и осуществляющая катализ. Аминокислотные радикалы в активном центре могут находиться в любом сочетании, при этом рядом располагаются аминокислоты, значительно удаленные друг от друга в линейной цепи. В активном центре выделяют два участка:

• якорный (контактный, связывающий) – отвечает за связывание и ориентацию субстрата в активном центре,
• каталитический – непосредственно отвечает за осуществление реакции.

Схема строения ферментов

У ферментов, имеющих в своем составе несколько мономеров, может быть несколько активных центров по числу субъединиц. Также две и более субъединицы могут формировать один активный центр.

У сложных ферментов в активном центре обязательно расположены функциональные группы кофактора.

Схема формирования сложного фермента

2. Аллостерический центр (allos – чужой) – центр регуляции активности фермента, который пространственно отделен от активного центра и имеется не у всех ферментов. Связывание с аллостерическим центром какой-либо молекулы (называемой активатором или ингибитором, а также эффектором, модулятором, регулятором) вызывает изменение конфигурации белка-фермента и, как следствие, скорости ферментативной реакции.

Аллостерические ферменты являются полимерными белками, активный и регуляторный центры находятся в разных субъединицах.

Схема строения аллостерического фермента

В качестве такого регулятора может выступать продукт данной или одной из последующих реакций, субстрат реакции или иное вещество (см "Регуляция активности ферментов ").

Изоферменты

Изоферменты – это молекулярные формы одного и того же фермента, возникшие в результате небольших генетических различий в первичной структуре фермента, но катализирующие одну и ту же реакцию . Изоферменты отличаются сродством к субстрату, максимальной скоростью катализируемой реакции, чувствительностью к ингибиторам и активаторам, условиями работы (оптимум pH и температуры).

Как правило, изоферменты имеют четвертичную структуру, т.е. состоят из двух или более субъединиц. Например, димерный фермент креатинкиназа (КК) представлен тремя изоферментными формами, составленными из двух типов субъединиц: M (англ. muscle – мышца) и B (англ. brain – мозг). Креатинкиназа-1 (КК-1) состоит из субъединиц типа B и локализуется в головном мозге, креатинкиназа-2 (КК-2) – по одной М- и В-субъединице, активна в миокарде, креатинкиназа-3 (КК-3) содержит две М-субъединицы, специфична для скелетной мышцы. Определение активности разных изоферментов КК в сыворотке крови имеет .

Также существует пять изоферментов лактатдегидрогеназы (роль ЛДГ) – фермента, участвующего в обмене глюкозы. Отличия между ними заключаются в разном соотношении субъединиц Н (англ. heart – сердце) и М (англ. muscle – мышца). Лактатдегидрогеназы типов 1 (Н 4) и 2 (H 3 M 1) присутствуют в тканях с аэробным обменом (миокард, мозг, корковый слой почек), обладают высоким сродством к молочной кислоте (лактату) и превращают его в пируват. ЛДГ-4 (H 1 M 3) и ЛДГ-5 (М 4) находятся в тканях, склонных к анаэробному обмену (печень, скелетные мышцы, кожа, мозговой слой почек), обладают низким сродством к лактату и катализируют превращение пирувата в лактат. В тканях с промежуточным типом обмена (селезенка, поджелудочная железа, надпочечники, лимфатические узлы) преобладает ЛДГ-3 (H 2 M 2). Определение активности разных изоферментов ЛДГ в сыворотке крови имеет клинико-диагностическое значение .

Еще одним примером изоферментов является группа гексокиназ , которые присоединяют фосфатную группу к моносахаридам гексозам и вовлекают их в реакции клеточного метаболизма. Из четырех изоферментов выделяется гексокиназа IV (глюкокиназа ), которая отличается от остальных изоферментов высокой специфичностью к глюкозе, низким сродством к ней и нечувствительностью к ингибированию продуктом реакции.