Ферменты

Ферменты

Наумов А.В.

 

1  Ферментативный катализ.

 

2  Особенности ферментативного катализа.

 

3  Химическая природа ферментов.

 

4  Что мы понимаем под «активностью» фермента?

 

5  От чего зависит активность ферментов?

 

6  Особенности ферментативного катализа.

 

7  Механизмы регуляции ферментативной активности.

 

8       Ингибиторы ферментов.

 

9  Различие ферментного состава органов и тканей.

 

10  Изменение активности ферментов при патологии. Энзимопатии.

 

11  Применение ферментов в медицине.

 

12  Классификация и номенклатура ферментов.

 

I класс. Оксидоредуктазы

 

II класс. Трансферазы

 

III класс. Гидролазы

 

IV класс. Лиазы

 

V класс. Изомеразы

 

VI класс. Синтетазы (Лигазы)

 

 

 

1.   Ферментативный катализ.

Основу всех жизненных процессов составляют тысячи химических реакций, катализируемых ферментами (энзимами). Практически все реакции в живом организме протекают с участием природных биокатализаторов , называемых ферментами или энзимами. В современной рускоязычной научной литературе существует два равноценных термина – фермент и энзим. Слово «фермент» происходит от латинского fermentum – закваска, а «энзим» от греческого en – в, внутри и zyme – дрожжи.

Известно, что для осуществления химической реакции необходимо, чтобы реагирующие вещества имели суммарную энергию выше, чем величина, называемая энергетическим барьером реакции. Для характеристики величины энергетического барьера Аррениус ввел понятие энергии активации. Преодоление энергии активации в химической реакции достигается либо увеличением энергии взаимодействующих молекул, например нагреванием, облучением, повышением давления, либо снижением требуемых для реакции затрат энергии (т.е. энергии активации) при помощи катализаторов.

Величина энергии активации с ферментом и без него

По своей функции ферменты являются биологическими катализаторами. Сущность действия ферментов, так же как неорганических катализаторов, заключается:

• в активации молекул реагирующих веществ,
• в разбивке реакции на несколько стадий, энергетический барьер каждой из которых ниже такового общей реакции.

Однако энергетически невозможные реакции ферменты катализировать не будут, они ускоряют только те реакции, которые могут идти в данных условиях.

Сходство и отличия ферментов и неорганических катализаторов

Сходство	Отличия
1. Катализируют только энергетически  возможные реакции.  2. Не изменяют направления реакции.  3. Ускоряют наступление равновесия реакции, но не сдвигают его.  4. Не расходуются в процессе реакции.	1. Скорость ферментативной реакции  намного выше.  2. Высокая специфичность.  3. Мягкие условия работы (внутриклеточные).  4. Возможность регулирования скорости реакции.  5. Скорость ферментативной реакции пропорциональна количеству фермента.

 

 

2. Особенности  ферментативного катализа.

Этапы катализа

В ферментативной реакции можно выделить следующие этапы:

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

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

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

4. Отделение конечных продуктов  от фермента.

Механизмы катализа

 

Доноры	Акцепторы
-СООН  -NH3+  -SH	-СОО-  -NH2  -S-

1. Кислотно-основной катализ – в активном центре фермента находятся группы специфичных аминокислотных остатков, которые являются хорошими донорами или акцепторами протонов. Такие группы представляют собой мощные катализаторы многих органических реакций.

2. Ковалентный катализ – ферменты реагируют со своими субстратами, образуя при помощи ковалентных связей очень нестабильные фермент-субстратные комплексы, из которых в ходе внутримолекулярных перестроек образуются продукты реакции.

Типы ферментативных реакций

1. Тип "пинг-понг" – фермент сначала взаимодействует с субстратом А, отбирая у него какие либо химические группы и превращая в соответствующий продукт. Затем к ферменту присоединяется субстрат В, получающий эти химические группы. Примером являются реакции переноса аминогрупп от аминокислот на кетокислоты - трансаминирование.

Ферментативная реакция по типу "пинг-понг"

2. Тип последовательных реакций – к ферменту последовательно присоединяются субстраты А и В, образуя "тройной комплекс", после чего осуществляется катализ. Продукты реакции также последовательно отщепляются от фермента.

Ферментативная реакция по типу "последовательных реакций"

3. Тип случайных взаимодействий – субстраты А и В присоединяются к ферменту в любом порядке, неупорядоченно, и после катализа так же отщепляются.

Ферментативная реакция по типу "случайных взаимодействий"

3. Химическая  природа ферментов.

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, практически все гидролитические ферменты – протеазы, липазы, рибонуклеазы.

Сложные ферменты (холоферменты (греч. holos весь, полностью + фермент) имеют в своем составе белковую часть, состоящую из аминокислот – апофермент, и небелковую часть – кофактор (ионы металла) или кофермент (органическое соединение). Примером могут быть сукцинатдегидрогеназа (содержит ФАД) (в цикле трикарбоновых кислот), аминотрансферазы (содержат пиридоксальфосфат), пероксидаза (содержит гем). Для осуществления катализа необходим полноценный комплекс апобелка и кофактора, по отдельности катализ они осуществить не могут.

Кофакторы и коферменты

Большинство ферментов для проявления ферментативной активности нуждается в низкомолекулярных органических соединениях небелковой природы (коферментах) и/или в ионах металлов (кофакторах) (~ 25% ферментов).

Кофакторы

Наиболее значимыми кофакторами являются Mg+2, Mn+2, Zn+2, Cu+2, Fe+2, Co+2, Mo+2. Ферменты, содержащие эти металлы называются металлоэнзимы. Ионы металлов выполняют следующие функции в ферментативном катализе:

• стабилизируют молекулы субстрата, активный центр и конформацию белковой молекулы (вторичную, третичную и четвертичную структуры). Например, четыре атома Zn+2 стабилизируют тетрамерную четвертичную структуру алкогольдегидрогеназы, К+ стабилизирует третичную структуру фермента пируваткиназы.
• Для некоторых ферментов субстратом служит комплекс превращаемого вещества с ионом металла (Mg+2-АТФ для киназ (гексокиназа, пируваткиназа, фосфофруктокиназа). Кроме того таким образом они обеспечивают правильную ориентацию субстрата в активном центре.
• Выполняют функцию стабилизатора активного центра фермента, облегчают присоединение к нему субстрата или кофермента.
• Непосредственно принимают участие в катализе (Zn+2, Mn+2, Fe+2, Cu+2). Например, цинксодержащий фермент карбоангидраза, катализирующая образование угольной кислоты.

Комплекс Mg2+ и АТФ

Большинству ферментов для выполнения каталитической функции необходимы коферменты. Исключение составляют гидролитические ферменты (протеазы, рибонуклеазы, липазы) не имеющие в составе активного центра коферментов.

Коферменты встраиваются в активный центр фермента и непосредственно участвуют в каталитическом процессе.  Если связь ковалентная - такой кофермент называется простетической группой (липоат, биотин, ФАД, ФМН). Коферменты чаще всего представляют собой витамины или их производные.

Апофермент определяет специфичность превращений субстрата. Один и тот же кофермент встроенный в различные апоферменты может участвовать в различных преобразованиях субстрата. Например, пиридоксальфосфат (коферментная форма витамина В6) участвует в реакциях трансаминирования или декарбоксилирования – всё зависит от апофермента с которым он связан. Коферментами выступают:

• витамины или их производные: В1, В2, В3, В5, В6, В7, В9, В12, С и др.
• гемы (простетическая группа). Входят в состав цитохромов, NO-синтаз, каталазы, пероксидазы, гуанилатциклазы, цитохромы.
• нуклеотиды.
• S-аденозилметионин.
• убихинон.
• глутатион.

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

Некоторым ферментам например мультиферментному комплексу пируват дегидрогеназы, связывающему гликолиз и цикл трикарбоновых кислот, требуется пять органических коферментов и один ион металла: тиамин пирофосфат (ТДФ), ковалентно связанный липоамид и флавин аденин динуклеотид (ФАД), косубстраты – никотинамид аденин динуклеотид (НАД) коэнзим А (КоА) и ион магния (Mg2+).

 

Активный и аллостерический центры фермента.

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 могут располагаться аминокислоты, значительно удаленные друг от друга в линейной цепи.

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.

В свою очередь 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

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 пространственной конфигурации белка-фермента (активного центра) и, как следствие, скорости ферментативной реакции. В качестве такого регулятора может выступать продукт данной или одной из последующих реакций, субстрат реакции или иное вещество.

Аллостерические ферменты в большинстве случаев являются белками с четвертичной структурой, при этом активный и регуляторный центры могут находиться в разных субъединицах.

Изоферменты

 

Изоферменты – это молекулярные формы одного и того же фермента, возникшие в результате небольших генетических различий в первичной структуре фермента. Изоферменты определяют скорость и направление реакции благодаря разному сродству к субстрату и лигандам. Могут располагаться в различных тканях.

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 состоит из субъединиц типа B и локализуется в головном мозге, креатинкиназа-2 – по одной М и В субъединице, активна в миокарде, креатинкиназа-3 содержит две М-субъединицы, специфична для скелетной мышцы.

Изоферменты креатинкиназы

Изоферменты лактатдегидрогеназы

Также существует пять изоферментов лактатдегидрогеназы (ЛДГ) – фермента, участвующего в обмене пировиноградной кислоты. Отличия между ними заключаются в разном соотношении субъединиц Н (англ. heart – сердце) и М (англ. muscle – мышца) в четвертичной структуре белка.

Лактатдегидрогеназы типов 1 (ЛДГ-1), имеющая четыре субъединицы Н (Н4) и ЛДГ-2 (H3M1) присутствуют в тканях с аэробным обменом (миокард, мозг, корковый слой почек), обладают высоким сродством к молочной кислоте (лактату) и превращают его в пируват.