Общая характеристика ферментов

ЛЕКЦИЯ№ 7

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  ФЕРМЕНТОВ

 

1. Определение, химическая природа ферментов.
2. Строение ферментов.
3. Номенклатура, классификация ферментов.
4. Изоферменты, мультиферментный комплекс.
5. Механизм действия ферментов.
6. Виды специфичности.

 

    Биохимические реакции,  необходимые для функционирования организма,  строго  детерминированы,  генетически запрограммированы и  создают особенности метаболизма,  характерные   для данного вида и всю  картину  обмена веществ.  Ни один процесс в организме  не проходит без участия ферментов. Все виды систем, интегрирующие обмен веществ  в организме и процессы  жизнедеятельности - нервная, эндокринная,  иммунная -    реализуют свои сигналы и действие с участием ферментов. Термин «фермент» произошел от итальянского  слова  fermentum, что означает закваска. Второе значение «энзим»  имеет то же значение, его  происхождение греческое  (en- внутри,  zymë –закваска. )

В каждой клетке организма находится до 10000 молекул ферментов, которые катализируют более 2000 различных химических реакций. Ферменты начинают своё каталитическое действие в ЖКТ, продолжают его в тканях, на этапе выведения и образования конечных продуктов. Все реакции в организме ферментативные.  Энзимология (ферменты - энзимы) - раздел науки, изучающий ферменты.

ОБЩИЕ ЧЕРТЫ ФЕРМЕНТОВ И НЕБИОЛОГИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ.

1.  Повышают  скорость реакции.

2.  В реакциях  они не расходуются.

3.  Для обратимых  процессов и прямая, и обратная  реакция катализируется одним  и тем же ферментом.

ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ПРИЗНАКИ ФЕРМЕНТОВ.

1 .Ферменты обладают  более высокой эффективностью  действия (повышают скорость реакции  в большее число раз, чем неорганические  КАТ).                 

2.Ферменты чувствительны  к температуре (ТЕРМОЛАБИЛЬНЫ)

3.Ферменты чувствительны  к значениям РН среды.

4.Ферменты, в отличие  от неорганических КАТ, обладают высокой специфичностью действия.

5.Ферменты - это  катализаторы с регулируемой  активностью.

 

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ФЕРМЕНТОВ.

Ферменты (энзимы) - это специфические белки, выполняющие функцию биологических катализаторов, синтезируемые любой живой клеткой и активирующие различные химические реакции, протекающие в организме.

Специфические термины и обозначения:

Е - фермент

S - субстрат (вещество, на которое действует фермент)  
Р - продукты реакции, образуемые из субстрата.

Е — высокомолекулярные белки, значит имеют первичную, вторичную / обычно, -спираль /, третичную / глобула / структуры.

Химическая природа ферментов

Белковая природа ферментов доказана. По составу ферменты  могут  быть

       а. простые  белки - состоят только из аминокислот. Пример — пепсин, трипсин, фосфатазы.

       б. сложные белки, которые, состоят из  белковой части  (апофермента)        и небелковой части (кофермента).

Кофермент принимает участие  в качестве катализатора в осуществлении  биохимической  реакции  наравне с белковой частью.

Совокупное название  всего сложного фермента (апофермента и кофермента) – холофермент

 КоЕ — ионы металлов, активные формы витаминов, мононуклеотиды  
и др.

Ионы металлов: Fе, Мn, Zn, Ni и др.

Пример

Fе - входит в состав цитохромоксидазы, каталазы, пероксидазы (E, участвующие в окислительно-восстановительных реакциях: Fе2+ -> Fе3+)  
Ni - входит в состав уреазы (Е, расщепляющий мочевину)  
Активные формы витаминов:

Пример

Активная форма витамина В6 (фосфопиридоксаль) входит в состав АЛТ, АСТ.

Производное никотиновой кислоты - НАД - никотинамидадениндинрклеотид (по хим. природе — мононуклеотид) входит в состав ЛДГ (лактатдегидрогеназы).

Производное рибофлавина (вит.В2) — ФАД - флавинадениндинуклеотид (по хим. природе — мононуклеотид) входит в состав СДГ (сукцинатдегидрогеназы)

2. СТРОЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ

Функции фермента обеспечиваются  пространственным устройством  его уникальной первичной структуры в виде третичной структуры. 

 На поверхности белка  фермента выделяют особый   активный центр,  в составе которого есть 2 различных по функциям  участка: субстратный (контактный), каталитический.

 Субстратный (контактный)   участок служит для связывания субстрата и обеспечивает сродство субстрата к ферменту.

 В каталитическом  участке проходит превращение субстрата в продукт реакции.  Именно в каталитическом  участке сложного белка - фермента находится   кофермент,  а в случае простого белка - фермента  каталитический центр формируется  радикалами аминокислот.

У ряда  ферментов есть дополнительный участок – аллостерический  (регуляторный) центр, который связывает особые вещества модуляторы,  или эффекторы, способные изменять активность фермента.   Лекарственные препараты, гормоны и другие химические соединения могут действовать как аллостерические  активаторы  или  ингибиторы.

Термин аллостерический (пространственно  иной - греч)  ввел  Ж. Моно- французский биохимик и микробиолог,  лауреат Нобелевской премии (1965).

3. КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ, НОМЕНКЛАТУРА.

Всего насчитывается 1800 ферментов, из них в чистом виде выделено 150. В 1961 г. в Москве состоялась международная комиссия по классификации и номенклатуре ферментов. Согласно её работе, все ферменты были разделены на 6 классов, каждый из которых указывает тип каталитической реакции.

1.     оксидоредуктазы.

2.     трансферазы.

3.     гидролазы.

4.    лиазы.

5.     изомеразы.

6.    лигазы.

Каждый класс делится на подклассы. Они уточняют действие ферментов и указывают на химическую природу группы, которую атакует фермент. Подклассы делятся на ПОДПОДКЛАССЫ, которые ещё более конкретизируют действие ферментов, указывают на связь в молекуле субстрата, которая подвергается действию фермента. ПОДПОДКЛАСС может указывать на химическую природу акцептора.

1 .ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ.

Ферменты этого класса участвуют в ОВР (окислительно-восстановительные реакции), т.е. в реакциях транспорта электронов и протонов. Это наиболее многочисленный класс ферментов: насчитывается более 400  оксидоредуктаз. Здесь выделяют 17 подклассов.

-аэробные дегидрогеназы.

Они участвуют в реакциях дегидрирования, при этом они отнимают атомы Н2 от окисленного субстрата и транспортируют их на О2.

Некоторые аэробные дегидрогеназы называют оксидазами.

- анаэробные ДГ.

Эти ферменты также участвуют в реакциях дегидрирования, т.е. отнятия Н2 от окисляемого субстрата и транспортировка его на любой др. субстрат, кроме О2.

- пероксидазы.                                                                                    

Это группа ферментов, которые отнимают Н2 от окисляемого субстрата и транспортируют его на пероксид.  Пример каталаза катализирует разложение Н2О2 до Н2О и молекулярного О2

- цитохромы.

Они содержат в своем составе гем и следовательно ионы железа, степень окисления которого может изменяться. цитохромы участвуют в транспорте только электронов.

2.ТРАНСФЕРАЗЫ.

Ферменты этого класса участвуют в транспорте атомных групп от одного субстрата к другому. Субстрат, от которого группа отнимается, является донором, а субстрат, который её принимает, является акцептором. В зависимости от переносимых групп, трансферазы делятся на несколько подклассов:

- аминотрансферазы. Они участвуют в реакциях переаминирования.

- метилтрансферазы (снз группы).

-фосфотрансферазы (фосфатные группировки).

-ацилтрансферазы (кислотные остатки).

3.ГИДРОЛАЗЫ.

Ферменты этого класса участвуют в реакциях разрыва связей в молекулах субстратов при участии воды. При этом элементы воды присоединяются к свободным единичным валентностям, образовавшимся после разрыва связей. Т.о. сложные органические соединения распадаются на простые. В зависимости от разрушаемых связей, различают следующие подгруппы гидролаз.

-эстеразы действуют на сложно-эфирные связи. К ним относятся липазы, фосфолипазы, холестеразы.

- гликозидазы - действует на гликозидную связь, находящуюся в сложных углеводах. кКним относятся амилаза, сахараза, мальтаза, гликозидазы, лактаза.

-пептидазы участвуют в разрыве пептидных связей в белках. К ним относятся пепсин, химотрипсин, аминопептидаза, карбоксипептидаза и т.д.

4.ЛИАЗЫ. Ферменты разрывают  связи  С - С, С - N,  С - О и другие  без участия воды. Этот разрыв может сопровождаться присоединением  (вода,  аммиак) или образованием двойной связи.

- декарбоксилазы участвуют в реакциях декарбксилирования.

- Ферменты, участвующие в реакциях гидратации и дегидратации.

5. ИЗОМЕРАЗЫ.

Ферменты этого класса участвуют в изомерических превращениях. При этом один структурный изомер может превращаться в другой, за счёт внутри молекулярной перегруппировки атомов.

6. ЛИГАЗЫ.

Ферменты этого класса участвуют в реакциях соединения двух и более простых веществ с образованием нового вещества. Эти реакции требуют затрат энергии извне в виде АТФ.

 

НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ

 

1.Тривиальная  номенклатура. Пример: пепсин, трипсин.

2.Рабочая номенклатура:

название S + тип превращения + окончание «аза».

Пример: лактатдегидрогеназа.

название S +окончание «аза» Пример: липаза, сахараза

3.Систематическая  номенклатура.

Название всех S, участвующих в реакции  превращения + тип катализируемой реакции + окончание «аза».

    Каждому ферменту присвоен свой кодовый номер, который состоит из 4 чисел,  разделенных точками.

  1) первое число обозначает,  к какому   из шести классов  принадлежит фермент

  2)  второе число  указывает подкласс

  3) третье число  обозначает  подподкласс

  4)  четвертое число  – порядковый номер фермента  в  его подподклассе.

 

 

4. ИЗОФЕРМЕНТЫ

Часто Е имеют и четвертичную структуру. Аминокислотный состав субъединиц и их соотношение в четвертичной структуре может быть различным. Из-за этого у Е есть разновидности - изоферменты - это множественная форма одного фермента, которые катализируют одну и ту же реакцию, но различаются по некоторым свойствам — по месту локализации, оптимальной t0, отношению к ингибиторам, молекулярной массе\. Электрофоретической подвижности и др. ЛДГ — лактатдегидрогеназа имеет 5 изоферментов. В четвертичной структуре этого Е — 4 субъединицы, они бывают типа Н / от англ. сердце / и типа М / от англ. мышца / - по названию органа, где максимальная активность. Т.о. изоферменты ЛДГ:

ЛДГ1 - 4Н; ЛДГ2 - ЗН1М; ЛДГЗ - 2Н2М; ЛДГ4 - 1НЗМ;  ЛДГ5 - 4М  ЛДГ1-2 — сердце, почки, мозг  
ЛДГЗ — поджелудочная железа  
ЛДГ4-5 — печень, мышцы

Все изоферменты  лактатдегидрогеназы осуществляют одну обратимую биохимическую реакцию с различной скоростью и имеют неодинаковое сродство к субстратам реакции

            ЛАКТАТ + НАД +  ↔      ПВК (пируват)   +   НАДН + Н +  

 В тканях миокарда  присутствует ЛДГ1, она быстро превращает лактат в  пировиноградную кислоту (ПВК),  в эритроцитах и скелетных мышцах  присутствует ЛДГ5   и превращает  ПВК в лактат.  Знание   изоферментного  спектра  органов и определение содержания изоферментов в крови, слюне, моче, ликворе   широко используется в медицинской лабораторной диагностике – энзимодиагностике.

Изоферменты   появляются

    - на  разных  этапах жизни (в  онтогенезе)

   -  возникают в  органе при изменении физиологических  условий

   -  возникают в  случае развития патологического  процесса.

 

МУЛЬТИФЕРМЕНТНЫЙ КОМПЛЕКС — это мультимолекулярные ферментные комплексы, в состав которых входят не субъединицы, а разные Е, катализирующие последовательные ступени превращения какого-либо субстрата. В таких ферментных системах продукты реакции, образующиеся под действием первого Е, становится субстратом для следующего фермента и т.д. Мультиферментные системы включают 15 и более ферментов, действующих в определенной последовательности. В каждой такой последовательности есть хотя бы один фермент, выполняющий роль "дирижера", который запускает и контролирует скорость течения всех последующих реакций. Такие Е называются регуляторными ферментами. Пример Процесс окислительного декарбоксилирования пирувата катализирует пируватдегидрогеназный комплекс, состоящий из 3 ферментов и 5 коферментов.