рк-1. 1. аминокислоты и их биологические функции Аминокислоты
 Скачать 2.38 Mb.
|
|
Раздел биохимии, изучающий биологические катализаторы белковой природы, называется энзимологией. Круг вопросов, изучаемых энзимологией, весьма разнообразен. Он включает выделение и очистку ферментов с целью установления их состава и молекулярной структуры; изучение условий и скорости действия ферментов, а также влияния на них разнообразных физических и химических факторов. Роль ферментов в жизнедеятельности животных, растений и микроорганизмов колоссальна. Благодаря каталитической функции разнообразные ферменты обеспечивают быстрое протекание в организме или вне его огромного числа химических реакций. Складываясь в единый ансамбль саморегулируемых биохимических процессов, эти реакции преобразования веществ составляют материальную и энергетическую основу непрерывного самообновления белковых тел, т. е. самой сущности жизненных явлений. И.П. Павлов писал: «Ферменты есть, так сказать, первый акт жизненной деятельности”. Все химические процессы направляются в теле именно этими веществами, они есть возбудители всех химических превращений. Все эти вещества играют огромную роль, они обусловливают собою те процессы, благодаря которым проявляется жизнь, они и есть в полном смысле возбудители жизни». Все живые клетки содержат очень большой набор ферментов, от каталитической активности которых зависит функционирование клеток. Практически каждая из множества разнообразных реакций, протекающих в клетке, требует участия специфического фермента. Ферменты, участвующие в фундаментальных процессах превращения энергии, таких, как расщепление сахаров, образование и гидролиз высокоэнергетического соединения аденозинтрифосфата (АТФ), присутствуют в клетках всех типов - животных, растительных, бактериальных. Однако есть ферменты, которые образуются только в тканях определенных организмов. Так, ферменты, участвующие в синтезе целлюлозы, обнаруживаются в растительных, но не в животных клетках. Таким образом, важно различать «универсальные» ферменты и ферменты, специфичные для тех или иных типов клеток.Чем более клетка специализирована, тем больше вероятность, что она будет синтезировать набор ферментов, необходимый для выполнения конкретной клеточной функции. В настоящее время в биологических объектах обнаружено несколько тысяч индивидуальных ферментов. Подсчитано, что живая клетка может содержать до 1000 различных ферментов, каждый из которых ускоряет ту или иную реакцию. Общие свойства ферментов (биологических катализаторов) и неорганических катализаторов (небиологических катализаторов): • катализируют только энергетически возможные реакции; • не смещают положения равновесия, а лишь ускоряют его достижение; • не расходуются в процессе реакции; • не участвуют в образовании продуктов реакции. Отличия ферментов (биологических катализаторов) и неорганических катализаторов (небиологических катализаторов): • по химическому строению молекулы всех ферментов являются белками; • эффективность ферментов выше, чем небиологических катализаторов (скорость протекания реакции при участии ферментов на несколько порядков выше, чем при участии неорганических катализаторов); • ферменты «работают» в более «мягких» условиях в отличие от катализаторов неорганической природы (при атмосферном давлении, при температуре 30–40°С, при значении рН среды близком к нейтральному); • ферменты обладают высокой специфичностью по отношению к субстрату (каждый фермент катализирует единственную реакцию либо группу реакций одного типа); • ферменты являются катализаторами с регулируемой активностью, чего нельзя сказать о катализаторах иной природы (это уникальное свойство ферментов позволяет изменять скорость превращения веществ в организме в зависимости от условий среды, т. е. приспосабливаться к действию различных факторов); • ферментативный процесс можно представить в виде цепи простых химических превращений вещества, четко запрограммированных во времени и в пространстве. 2-Строение ферментов. Характерной особенностью двухкомпонентных ферментов является, что ни белковая часть, ни добавочная группа в отдельности не обладают каталитической активностью. Только их комплекс проявляет ферментативные свойства. При этом белковая часть резко повышает каталитическую активность добавочной группы; добавочная группа стабилизирует белковую часть и делает ее менее уязвимой к денатурирующим агентам. В качестве кофермента могут выступать витамины (В1, В2, В6, В12, Н, Q) или соединения, построенные с участием витаминов (коэнзим А, НАД+ , НАДФ+ , ФАД, ФМН). В составе как простого, так и сложного фермента, выделяют следующие центры: – каталитический, – субстратный, – аллостерический. Каталитический центр – это участок молекулы фермента, который отвечает за его каталитическую функцию. В двухкомпонентных (сложных) ферментах в качестве каталитического центра выступает простетическая группа или кофермент. В однокомпонентных (простых) ферментах, которые состоят только из белковой части, роль каталитического центра выполняют радикалы аминокислотных остатков, расположенных в различных участках полипептидной цепи. Образование каталитического центра происходит одновременно с формированием третичной структуры белковой молекулы ферментов. Чаще всего в состав каталитического центра простого фермента входят остатки аминокислот: серина, цистеина, тирозина, гистидина, аргинина, аспарагиновой и глутаминовой кислот. Изменение третичной структуры фермента под влиянием тех или иных факторов может привести к деформации каталитического центра и изменению ферментативной активности. Субстратный центр – это участок молекулы фермента, который связывает субстрат, подлежащий ферментативному превращению (субстрат – это вещество, на которое действует фермент). Субстратный центр называют «якорной площадкой» фермента, где, как судно на якорь, становится субстрат. Субстрат с ферментом связывается посредством ионных взаимодействий, водородных связей; иногда субстрат и фермент связываются ковалентно. Гидрофобные взаимодействия также играют определенную роль при связывании субстрата с ферментом. Совместно каталитический и субстратный центры образуют активный центр фермента. Активный центр большинства ферментов имеют форму щели или впадины, в которую входит субстрат и прикрепляются к ферменту. Аллостерический центр – это участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому определенного низкомолекулярного (а иногда и высокомолекулярного) вещества изменяется третичная структура белковой молекулы фермента. Как следствие этого изменяется конфигурация активного центра фермента, сопровождающаяся либо увеличением, либо снижением каталитической активности фермента. Это явление лежит в основе так называемой аллостерической регуляции каталитической активности ферментов. 3-Понятия: кофермент, кофактор, простетическая группа. Роль кофакторов в функционировании ферментов. Большинство ферментов для проявления каталитической активности нуждается в присутствии некоторых веществ небелковой природы-кофакторов. Различают 2 группы кофакторов: ионы металлов и коферменты. Кофактор - небелковое вещество, которое обязательно должно присутствовать в организме в небольших количествах, чтобы соответствующие ферменты смогли выполнить свои функции. В состав кофактора входят коферменты и ионы металлов (например, ионы натрия и калия). 1. Ионы металла участвуют в функционировании фермента различными способами. Изменяют конформацию молекулы субстрата, что обеспечивает комплементарное взаимодействие с активным центром. Обеспечивают нативную конформацию активного центра фермента. Ионы участвуют в стабилизации активного центра фермента и способствуют присоединению кофермента. Стабилизируют конформацию белковой молекулы фермента. Например, для стабилизации четвертичной структуры фермента алкогольдегидрогеназы, катализирующей реакцию окисления этанола, необходимы ионы цинка. Непосредственно участвуют в ферментативном катализе. 2. Коферменты являются органическими веществами, чаще всего производные витаминов, которые непосредственно участвуют в ферментативном катализе, т. к. находятся в центре ферментов. Фермент, содержащий кофермент и обладающий ферментативной активностью, называют холоферментом. Белковую часть такого фермента называют апоферментом, который в отсутствие кофермента не обладает каталитической активностью. Кофермент + Апоефремент(белок) не активен = Холофермент активен Кофермент может связываться с белковой частью фермента только в момент реакции или быть связанными с апоферментом прочными ковалентными связями. Если кофермент связан с апоферментом он называется простетической группой. Роль кофакторов в функционировании ферментов исключительно велика — они осуществляют перенос отдельных атомов и группировок (водорода, фосфатной группы и др.) в ходе ферментативного превращения, служат связными между отдельными родственными ферментами и обеспечивают их согласованную деятельность. Ионы металлов, иногда входящие в состав ферментов в виде специальной, простетической группировки, часто выполняют роль активаторов ферментов, переводящих фермент в каталитически активное состояние. 5-Общие представления о катализе. Катализ - изменение скорости или возбуждение химической реакции катализатором, т.е. веществами участвующими в реакции, но не входящими в состав конечных продуктов. Различают положительный(ускорение) и отрицательный (ингибирование, замедление реакций). Обычно термин катализ относят к положительному катализу. Вещества, замедляющие скорость реакции называют ингибиторами. Суть каталитического действия заключается в следующем. 1) Химические превращение протекает через образование активированного комплекса, обладающего избыточной энергией, достаточной для перестройки участвующих в нем молекул и образования новых химических связей, то есть получения новых веществ – продуктов реакции. Участвовать в образовании активированного комплекса могут только те молекулы, энергия которых превышает энергию активации его образования. Использование катализатора приводит к изменению реакционного пути за счет химического взаимодействия с компонентами реакции через образование активированного комплекса, обладающего меньшей энергией, чем полученного без участия катализаторы. 2) Промежуточное соединение, в которое входит катализатор, далее превращается в продукты, через другой активированный комплекс, но тоже образованный с меньшей затратой энергии. После второго этапа (стадии) реакции катализатор восстанавливает свой химический состав, и составляющие его компоненты не входят в состав продукта. Вне зависимости от того, как протекает химическая реакция (с участием катализатора или без него), исходное и конечное энергетическое состояние реагирующей системы, в том числе и энергия Гиббса не изменяется. Таким образом катализатор не сдвигает химическое равновесие в реагирующей системе, но ускоряет его достижения. Специфика катализатора зависит как от его состава и строения, так и от вида химической реакции. Классификация каталитических реакций основана на фазовом состоянии участников процесса Гомогенный (реагирующие вещества и катализатор находятся в одной фазе (жидкой или газообразной).) Гетерогенные (реагирующие вещества и катализатор находятся в разных фазах (например, катализатор - твердый, а реагирующие вещества – в газовой или жидкой фазе). Микрогетерогенные каталитические реакция (занимает промежуточное место между гомогенным и гетерогенным.)В этом случае в качестве катализатора используют большие полимерные молекулы. В эту группу входят ферментативные реакции, в которых катализатором являются белковые молекулы сложного состава и строения (ферменты), микрогетерогенный катализ называют так же ферментативным. Гомогенный и микрогетерогенный катализ – однофазные процессы и к ним применимы закономерности, характерные для гомогенных и газожидкостных химических процессов. Гетерогенно-каталитический процесс Место протекания гетерогенной каталитической реакции – поверхность твердого катализатора. Для ее увеличения используют пористые катализаторы, внутренняя площадь поверхности в которых достигает десятки и сотни квадратных метров в одном кубическом сантиметре. Наружная поверхность таких катализаторов в 103 -106 раз меньше внутренней, поэтому вклад наружной поверхности в общую скорость превращения можно не учитывать. Существенным преимуществом гетерогенно-каталитических процессов является простота разделения продуктов реакции и частиц катализатора для его повторного использования. 6-Специфичность действия ферментов. Ферменты обладают более высокой специфичностью действия по сравнению с неорганическими катализаторами. Различают специфичность по отношению к типу химической реакции, катализируемой ферментом, и специфичность по отношению к субстрату. Эти два вида специфичности характерны для каждого фермента. Специфичность по отношению к субстрату – это предпочтительность фермента к субстрату определенной структуры в сравнении с другими субстратами. Различают 4 вида субстратной специфичности ферментов: 1. Абсолютная специфичность – способность фермента катализировать превращение только одного субстрата. Например – глюкокиназа фосфорилирует только глюкозу, аргиназа расщепляет только аргинин, уреаза – мочевину. 2. Относительная специфичность – фермент катализирует превращение нескольких субстратов, имеющих один тип связи. Например – липаза расщепляет сложноэфирную связь в триацилглицеролах. 3. Относительная групповая специфичность – фермент катализирует превращение нескольких субстратов, имеющих один тип связи, но требуется наличие определенных функциональных групп, входящих в состав субстратов. Например, все протеолитические ферменты расщепляют пептидную связь, но пепсин – образованную аминогруппами ароматических аминокислот, химотрипсин – образованную карбоксильными группами этих же аминокислот, трипсин – пептидную связь, образованную карбоксильной группой лизина, аргинина. 4. Стереохимическая специфичность – фермент катализирует превращение только одного стереоизомера. Например, бактериальная аспартатдекарбоксилаза катализирует декарбоксилирование только L-аспартата и не действует на D-аспарагиновую кислоту. Специфичность по отношению к реакции Каждый фермент катализирует одну реакцию или группу реакций одного типа. Часто одно и то же химическое соединение выступает как субстрат для разных ферментов, причем каждый из них катализирует специфическую для него реакцию, приводящую к образованию разных продуктов. Специфичность по типу реакции лежит в основе единой классификации ферментов. 7-Изоферменты (изозимы). Мультиферменты. Изоферментами или изозимами называют множественные формы ферментов, которые существуют у одного и того же вида, в одной и той же ткани, и даже в одной и той же клетке. Все эти формы фермента катализируют одну и ту же реакцию, но различаются по своим кинетическим свойствам, а также по первичной структуре. Изоферменты играют регуляторную роль в обмене веществ и позволяют метаболизму в разных тканях лучше приспосабливаться к действию внутренних и внешних факторов. Примером фермента, у которого были обнаружены такие формы, может служить лактатдегидрогеназа (L-лактат:НАД+-оксидоредуктаза, КФ 1.1.1.27), катализирующая обратимую окислительно-восстановительную реакцию:  Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) присутствует в тканях животных в виде пяти разных изоферментов, которые различаются на уровне четвертичной структуры. Молекула ЛДГ состоит из четырех протомеров двух типов, Н (от англ. heart - сердце) и М (от англ. muscle - мышца), которые различаются по аминокислотному составу и последовательности аминокислот. Каталитической активностью обладает только тетрамерная молекула. Изоферменты сывороточной лактатдегидрогеназы могут быть обнаружены с помощью электрофореза при рН 8,6. При данном значении рН изозимы несут разный заряд и распределяются на электрофореграмме в пяти разных местах. Наибольшим отрицательным зарядом обладает изозим ЛДГ1. Распределение изоферментов ЛДГ (изоферментный спектр) в тканях также отличается. Так, изоформа ЛДГ, содержащая четыре М-субъединицы, преобладает в печени и скелетной мышце, а изоформа, состоящая из четырех Н-субъединиц, преобладает в миокарде. Мультиферменты Мультиферменты (мультэнзимы) - надмолекулярные комплексы, в состав которых входят ферменты, катализирующие последовательные стадии превращения субстрата. Например, для в реакциях превращения метаболита A в метаболит D : комплекс ферментов Е1, Е2, Е3 является мультиферментом. Объединение нескольких ферментов в один комплекс имеет важное преимущество: резко сокращаются расстояния, на которые молекулы промежуточных продуктов должны перемещаться от фермента к ферменту. Поэтому суммарная скорость таких метаболических путей довольно высока.  Примером мультиэнзима может служить пируватдегидрогеназный комплекс, находящийся в митохондриях и катализирует последовательные реакции окислительного декарбоксилирования пирувата:  Пируватдегидрогеназный комплекс состоит из трёх ферментов: пируватдекарбоксилазы, трансацилазы и дигидролипоилдегидрогеназы. В промежуточных реакциях участвует пять коферментов: тиаминдифосфат; липоевая кислота; коэнзим А; ФАД; НАД. Регуляторным ферментом комплекса является пируватдекарбоксилаза, активность которой (и всего комплекса в целом) снижается при высокой концентрации АТФ в клетке 8-Механизм действия ферментов. 1. Активный центр фермента формируется из участков пептидной цепи и отдельных аминокислотных остатков, содержащих разные функциональные группы. Субстрат соединяется с активным центром в нескольких точках; это обеспечивает высокую избирательность связывания (комплементарность субстрата и активного центра) и ориентацию субстрата, необходимую для катализа реакции. 2. Активный центр, как правило, располагается в углублении (в нише, в щели) поверхности фермента. В результате субстрат, соединяясь с активным центром, оказывается не в водной среде Цитозоля клетки, а в специфическом окружении функциональных групп активного центра. З. В ходе присоединения субстрата и в ходе катализа происходят конформационные изменения молекулы фермента и субстрата. До взаимодействия пространственная структура субстрата и пространственная структура активного центра лишь приблизительно соответствуют друг другу; строгая комплементарность возникает в процессе взаимодействия в результате изменений конформации (индуцированное соответствие). Конформационные изменения могут способствовать «растягиванию» разрываемой связи или, наоборот, сближению молекул при реакциях синтеза и тем самым вносят вклад в ускорение реакции. 9-Особенности ферментативного катализа. Исключительно высокая эффективность. Эффективность биологического катализа превышает эффективность неорганического в 109 - 1012 раз. Специфичность: * Абсолютная специфичность:фермент работает только со своим субстратом (фумараза с транс-изомерами фумаровой кислоты и не будет с цис-изомерами); * Групповая специфичность: специфичен для узкой группы родственнных субстратов (ферменты ЖКТ). Ферменты «работают» в мягких условиях (t=37°C, рН 7,0, определенные осмолярность и солевой состав). Многоуровневая регуляция: регуляция активности на уровне условий среды, на уровне метаболона, на генетическом уровне, тканевом, клеточном, с помощью гормонов и медиаторов, а также с помощью субстратов и продуктов той реакции, которую они катализируют. Кооперативность: ферменты способны организовывать ассоциации - продукт 1-го фермента является субстратом для 2-го; продукт 2-го - субстратом для 3-го и т.д. Ферменты обладают адаптивностью, т. е. могут изменять свою активность и образовывать новые ассоциации. Способны катализировать как прямую так и обратную реакцию. Направление реакции для многих ферментов определяется соотношением действующих масс. Катализ жестко расписан, т. е. происходит поэтапно. Если какое-либо соединение существует в форме цис- и трансизомеров, то для каждой из этих форм, существует свой фермент. Например, фумараза катализирует превращение только фумаровой кислоты (транс-), но не действует на цис-изомер - малеиновую кислоту. ------------------------------------------------------------------------------------------------ Прфктика 4 1. Основные свойства ферментов, влияние на скорость ферментативных реакций температуры, рН-среды, активаторов. 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. 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 Активность ферментов зависит 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 продукта замедляется, 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). 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. 2. Ингибирование ферментов. Типы ингибирования. Ингибирование – это торможение активности фермента. При этом денатурации ферментов не происходит. Ингибитор - вещество, вызывающее специфичное снижение активности фермента. Неорганические кислоты и тяжелые металлы ингибиторами не являются, а являются инактиваторами, так как снижают активность любых ферментов, т. е. действуют неспецифично. Так же денатурирующие агенты к ингибитррам не относят. Ингибиторы: ионы или небольшие молекулы, составляющие часть ферментативной регуляторной системы, а также фармакологические препараты. по прочности связывания фермента с ингибитором ингибирование бывает обратимым и необратимым. Обратимое ингибирование - большинство ингибиторов действуют обратимо, образуя нековалентные связи с ферментом, и при определенных условиях диссоциируют с восстановлением активности фермента. Необратимое ингибирование - наблюдают в случае образования ковалентных стабильных связей между молекулой ингибитора и фермента. Чаще всего модификации подвергается активный центр фермента, В результате фермент не может выполнять каталитическую функцию. К необратимым ингибиторам относят ионы тяжёлых металлов, например ртути (Hg2+), серебра (Ag+) и мышьяка (As3+), которые в малых концентрациях блокируют сульфгидрильные группы активного центра. Субстрат при этом не может подвергаться химическому превращению. При наличии реактиваторов ферментативная функция восстанавливается. В больших концентрациях ионы тяжёлых металлов вызывают денатурацию белковой молекулы фермента, т.е. приводят к полной инактивации фермента. по отношению ингибитора к активному центру фермента ингибирование делят на конкурентное и неконкурентное. Конкурентное ингибирование - ингибитор похож на субстрат фермента по своей структуре и соперничает с субстратом за активный центр (садится на активный центр фермента), что приводит к уменьшению связывания субстрата с ферментом и нарушению катализа. В этом состоит особенность конкурентного ингибирования – возможность усилить или ослабить ингибирование через изменение концентрации субстрата. Для конкурентного типа ингибирования справедливы следующие уравнения: 1. Е + S ⇔ ES → E + P, 2. E + I ⇔ EI. Конкурентные ингибиторы уменьшают скорость химической реакции. Конкурентный ингибитор повышает Кm для данного субстрата (уменьшает сродство субстрата к ферменту). Это означает, что в присутствии конкурентного ингибитора необходима большая концентрация субстрата для достижения 1/2 Vmax. Увеличение соотношения концентрации субстрата и ингибитора снижает степень ингибирования. При значительно более высоких концентрациях субстрата ингибирование полностью исчезает, потому что активные центры всех молекул фермента будут находиться преимущественно в комплексе с субстратом. Неконкурентное ингибирование - ингибитор не имеет структурного сходства с субстратом иприсоединеняется не в активном центре, а в другом месте молекулы, одновременно с субстратом. Образуется тройной комплекс: субстрат - фермент - ингибитор. Это ведет к деформации активного центра и каталитической активности. 3. Регуляция активности ферментов в живых организмах: изменение количества фермента, профермента, химическая модификация. Регуляция активности ферментов протекает 3 способами: |