Механизм действия ферментов

Санкт-Петербургская Государственная  Академия ветеринарной медицины.

 

 

            Кафера  «Биологической и органической химии»

Реферат

На тему : «Механизм действия ферментов»

 

 

 

 

 

Реферат подготовила

 студентка  2 курса 20 группы

Леонтьева А.А

Реферат проверила  преподаватель

Волонт  Л. А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                Санкт-Петербург 2013 г.

Содержание

1. Ферменты,  понятие.
2. Функция ферментов.
3. Структура ферментов.
4. Механизм действия ферментов.

А. Энергетические изменения при химических реакциях.

Б. Этапы ферментативного  катализа.

В. Молекулярные механизмы ферментативного катализа

5. Медицинское значение.
6. Список литературы.

                                                                                                

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                            1.Ферменты , понятие.

 

Ферменты – это специализированные белки, образуются в клетках и  способны ускорять химические процессы, т.е. это биологические катализаторы. Практически каждая из множества разнообразных реакций, протекающих в клетке, требует участия специфического фермента. Ферментативная активность может регулироваться активаторами и ингибиторами (активаторы — повышают, ингибиторы — понижают).

 

Также не все белки, присутствующие в живых организмах, являются ферментами. Так, иную функцию выполняют структурные  белки, многие специфические белки  крови, белковые гормоны и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                      

2.Функция ферментов.

 

Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ (субстратов) в другие (продукты). Ферменты выступают  в роли катализаторов практически  во всех биохимических реакциях, протекающих  в живых организмах. Они играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ организма , катализируют разнообразные реакции синтеза, включая образование тканевых белков, жиров и углеводов. Для синтеза всего огромного множества химических соединений, обнаруженных в сложных организмах, используются целые ферментные системы.

Подобно всем катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так  и обратную реакцию, понижая энергию  активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону.

При этом эффективность ферментов  значительно выше эффективности  небелковых катализаторов — ферменты ускоряют реакцию в миллионы и миллиарды раз, небелковые катализаторы — в сотни и тысячи раз.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                     3.Структура ферментов.

 

Как и все белки, ферменты синтезируются в виде линейной цепочки  аминокислот, которая сворачивается  определённым образом. Каждая последовательность аминокислот сворачивается особым образом, и получающаяся молекула (белковая глобула) обладает уникальными свойствами. Несколько белковых цепей могут  объединяться в белковый комплекс. Третичная структура белков разрушается  при нагревании или воздействии  некоторых химических веществ.

Чтобы катализировать реакцию, фермент должен связаться с одним  или несколькими субстратами. Белковая цепь фермента сворачивается таким  образом, что на поверхности глобулы  образуется щель, или впадина, где  связываются субстраты. Эта область  называется сайтом связывания субстрата.

Выделяют простые белки (протеины) и сложные белки (протеиды). Простые белки содержат только аминокислоты, связанные в цепочку. Сложные  белки имеют также неаминокислотные группы. Эти дополнительные группы в составе сложных белков называются «простетическими группами».

Взаимодействия фермента и субстрата непосредственно  осуществляет активным центром . Активнй центр-это особая часть молекулы фермента, определяющая её специфичность и каталитическую активность. В состав активного центра ряда ферментов кроме остатков аминокислот могут входить небелковые простетические группы, молекулы некоторых коферментов, неорганические ионы.                 

 

 

 

 

 

 

                            

 

Механизм действия ферментов.

 

А. Энергетические изменения  при химических реакциях

Любые химические реакции протекают, подчиняясь двум основным законам термодинамики: закону сохранения энергии и закону энтропии. Согласно этим законам, общая энергия  химической системы и её окружения  остаётся постоянной, при этом химическая система стремится к снижению упорядоченности (увеличению энтропии). Для понимания энергетики химической реакции недостаточно знать энергетический баланс входящих и выходящих из реакции  реагентов, необходимо учитывать изменения  энергии в процессе данной химической реакции и роль ферментов в  динамике этого процесса. Рассмотрим реакцию разложения угольной кислоты:

Н₂СО₃ → Н₂0 + С0₂.

Угольная  кислота слабая; реакция её разложения пойдёт цри обычных условиях, если молекулы угольной кислоты имеют энергию, превышающую определённый уровень, называемый энергией активации Е_а

Энергией  активации называют дополнительное количество кинетической энергии, необходимое  молекулам вещества, чтобы они  вступили в реакцию.

При достижении этого энергетического барьера  в молекуле происходят изменения, вызывающие перераспределение химических связей и образование новых соединений. Говорят, что молекулы, обладающие Е_а, находятся в переходном состоянии. Разницу энергий между исходным реагентом Н₂СО₃ и конечными соединениями Н₂О и СО₂ называют изменением свободной          энергии реакции.                            

 

Изменение свободной энергии  при разложении угольной кислоты

Молекулы  Н₂О и СО₂ - более стабильные вещества, чем Н₂СО₃, т.е. обладают меньшей энергией и при обычных условиях практически не реагируют. Выделившаяся энергия в результате этой реакции рассеивается в виде тепла в окружающую среду.

Чем больше молекул обладает энергией, превышающей  уровень Е_а, тем выше скорость химической реакции. Повысить скорость химической реакции можно нагреванием. При этом увеличивается энергия реагирующих молекул. Однако для живых организмов высокие температуры губительны, поэтому в клетке для ускорения химических реакций используются ферменты. Ферменты обеспечивают высокую скорость реакций при оптимальных условиях, существующих в клетке, путём понижения уровня Е_а. Таким образом, ферменты снижают высоту энергетического барьера, в результате возрастает количество реакционно-способных молекул, следовательно, увеличивается скорость реакции.

В механизме  ферментативного катализа решающее значение имеет образование нестойких  промежуточных соединений - фермент-субстратный  комплекс ES, подвергающийся превращению  в нестабильный переходный комплекс ЕР, который почти мгновенно распадается  на свободный фермент и продукт  реакции.

Таким образом, биологические катализаторы (ферменты) не изменяют свободную энергию субстратов и продуктов и поэтому не меняют равновесие реакции.

 

Фермент, выполняя функцию  катализатора химической реакции, подчиняется  общим законам катализа и обладает всеми свойствами, характерными для  небиологических катализаторов, однако имеет и отличительные свойства, связанные с особенностями строения ферментов.

Сходство ферментов с  небиологическими катализаторами заключается  в том, что:

• ферменты катализируют энергетически возможные реакции;
• энергия химической системы остаётся постоянной;
• в ходе катализа направление реакции не изменяется;
• ферменты не расходуются в процессе реакции.

Отличия ферментов от небиологических  катализаторов заключаются в  том, что:

• скорость ферментативных реакций выше, чем реакций, катализируемых небелковыми катализаторами;
• ферменты обладают высокой специфичностью;
• ферментативная реакция проходит в клетке, т.е. при температуре 37 °С, постоянном атмосферном давлении и физиологическом значении рН;
• скорость ферментативной реакции может регулироваться.

 

 

 

Б. Этапы ферментативного  катализа

Механизм действия энзимов объясняет теория Михаэлиса-Ментен. Согласно этой теории, процесс происходит в четыре этапа. Механизм действия ферментов: I этап Между субстратом (С) и энзимом (Е) возникает связь – образуется фермент-субстратный комплекс ЕС, в котором компоненты связаны между собой ковалентными, ионными, водными и другими связями. Механизм действия ферментов: IІ этап Субстрат под воздействием присоединенного фермента активируется и становится доступным для соответствующих реакций катализа ЕС. Механизм действия ферментов: IІI этап Совершается катализ ЕС. Эта теория подтверждена экспериментальными исследованиями. И наконец, IV стадия характеризуется освобождением молекулы фермента Е и продуктов реакции Р.

 

 

Первый, второй и четвёртый  этапы катализа непродолжительны и  зависят от концентрации субстрата (для первого этапа) и констант связывания лигандов в активном центре фермента (для первого и третьего этапов). Изменения энергетики химической реакции на этих стадиях незначительны.

Третий этап наиболее медленный; длительность его зависит от энергии  активации химической реакции. На этой стадии происходят разрыв связей в  молекуле субстрата, образование новых  связей и формирование молекулы продукта.

В образовании фермент-субстратных  комплексов участвуют водородные связи, электростатические и гидрофобные  взаимодействия, а в ряде случаев  также ковалентные, координационные  связи.

У некоторых ферментов  в активном центре располагается  и кофактор. Одни группы активного центра принимают участие в связывании субстрата, другие — в катализе. Некоторые группы могут делать и то, и другое. Детальный механизм действия каждого фермента уникален, но есть общие черты в работе ферментов которые заключаются в следующем: высокая избирательность действия фермента обеспечивается тем, что субстрат связывается в активном центре фермента в нескольких точках и это исключает ошибки. Активный центр располагается в углублении (нише) поверхности фермента и имеет комплементарную субстрату конфигурацию.

В.Молекулярные механизмы ферментативного катализа

Механизмы ферментативного  катализа определяются ролью функциональных групп активного центра фермента в химической реакции превращения  субстрата в продукт. Выделяют 2 основных механизма ферментативного катализа: кислотно-основной катализ и ковалентный катализ.

Кислотно-основной катализ 
Концепция кислотно-основного катализа объясняет ферментативную активность участием в химической реакции кислотных групп (доноры протонов) и/или основных групп (акцепторы протонов). Кислотно-основной катализ – часто встречающееся явление. Аминокислотные остатки, входящие в состав активного центра, имеют функциональные группы, проявляющие свойства как кислот, так и оснований. 
 
К аминокислотам, участвующим в кислотно-основном катализе, в первую очередь относят Цис, Тир, Сер, Лиз, Глу, Асп и Гис. Радикалы этих аминокислот в протонированной форме – кислоты (доноры протона), в депротонированной – основания (акцепторы протона). Благодаря этому свойству функциональных групп активного центра ферменты становятся уникальными биологическими катализаторами, в отличие от небиологических катализаторов, способных проявлять либо кислотные, либо основные свойства.

Ковалентный катализ 
Ковалентный катализ основан на атаке нуклеофильных (отрицательно заряженных) или электрофильных (положительно заряженных) групп активного центра фермента молекулами субстрата с формированием ковалентной связи между субстратом и коферментом или функциональной группой аминокислотного остатка (как правило, одной) активного центра фермента. 
 
Действие сериновых протеаз, таких как трипсин, химотрипсин и тромбин, - пример механизма ковалентного катализа, когда ковалентная связь образуется между субстратом и аминокислотным остатком серина активного центра фермента. Термин «сериновые протеазы» связан с тем, что аминокислотный остаток серина входит в состав активного центра всех этих ферментов и участвует непосредственно в катализе.

 Медицинское значение ферментов.

Связь между ферментами и  наследственными болезнями обмена веществ была впервые установлена  А. Гэрродом в 1910-е гг. Гэррод назвал заболевания, связанные с дефектами ферментов, «врожденными ошибками метаболизма».

Медицинская энзимология  развивается по трем направлениям: энзимология, или ферментопатия; энзимодиагностика; энзимотерапия.

Энзимология, или ферментопатия. Некоторые болезни человека, особенно генетически обусловленные наследственные заболевания, связаны с недостатком  или полным отсутствием ферментов  в тканях:

- ферментопатии обмена  аминокислот (фенилкетонурия, альбинизм);