1. Ферменти визначення властивості ферментів як біологічних каталізаторів
 Скачать 0.77 Mb.
|
|
1. Ферменти: визначення; властивості ферментів як біологічних каталізаторів. Ферменти (ензими) - біологічні каталізатори білкової природи, які синтезуються в клітинах живих організмів і забезпечують необхідні швидкість і координацію біохімічних реакцій, що становлять обмін речовин (метаболізм). Властивості ферментів - ферменти значно підвищують швидкість перебігу біохімічних реакцій, але не входять до складу кінцевих продуктів реакції; - ферменти забезпечують перебіг лише тих біохімічних реакцій, які можливі згідно з законами термодинаміки; - ферменти прискорюють швидкість як прямої, так і зворотної реакції перетворення субстрату, не змінюючи константи рівноваги (Кр) реакції та зменшуючи термін часу до досягнення стану рівноваги (або стаціонарного стану у відкритій метаболічній системі); - протягом реакції фермент певним чином взаємодіє із субстратом, що перетворюється, але до складу кінцевих продуктів реакції не входить. Під час перебігу біохімічної реакції, що каталізується, відбувається циклічний процес, в ході якого фермент та субстрат підлягають ступінчастому перетворенню з утворенням продукту реакції та регенерацією ферменту - ферменти є високоспецифічними каталізаторами, тобто діють, як правило, на структурно близькі субстрати, що мають певний хімічний зв’язок, структурно подібні радикали або функціональні групи. Проявом високої специфічності ферментів є їх стереоспецифічність , тобто здатність перетворювати тільки певні стереоізомери, наприклад L- або L-амінокислоти, D- або L-моносахариди; - відповідно до білкової природи, каталітична активність ферментів дуже чутлива до змін фізико-хімічних властивостей середовища (рН, температури), які можуть впливати на структурну організацію молекул ферментів, спричиняючи в певних умовах їх денатурацію; - активність ферментів може суттєво змінюватися під впливом певних хімічних сполук, що збільшують ( активатори ) або зменшують (інгібітори) швидкість реакції, яка каталізується. 2. Класифікація та номенклатура ферментів, характеристика окремих класів ферментів. Класифікація ферментів Ферменти поділяють на класи згідно з типом реакції, яку вони каталізують; класи ферментів поділяють на підкласи, а останні - на підпідкласи, у складі яких кожному ферменту відповідає певний номер. й клас. Оксидоредуктази - ферменти, що каталізують окислювально-відновлювальні реакції різних типів. До оксидоредуктаз належать дегідрогенази - ферменти, що каталізують реакції дегідрування; оксидази та оксигенази, що окислюють субстрати шляхом приєднання кисню; цитохроми - переносники електронів тощо. й клас. Трансферази - ферменти, що каталізують реакції міжмолекулярного переносу хімічних груп. Трансферази поділяють на амінотрансферази, метилтрансферази, ацил-трансферази, фосфотрансферази, глікозилтрансферази — ферменти, що переносять амінні, метальні, ацильні, фосфатні, глікозильні групи відповідно. До трансфераз належать також кінази, зокрема протеїнкінази - ферменти, що каталізують фосфорилування субстратів та інших білків за рахунок фосфатного залишку АТФ. й клас. Гідролази - ферменти, що каталізують реакції гідролізу, тобто розщеплення субстратів за участю молекули води. Гідролази здатні розщеплювати складноефірні, пептидні, глікозидні та інші зв’язки - естерази, пептидази та протеази, глікозидази. й клас. Ліази - ферменти, що каталізують реакції розщеплення ковалентних зв’язків між атомами СО негідролітичним шляхом. До ліаз належать декарбоксилази - ферменти, що відщеплюють від органічних кислот карбоксильну групу у вигляді С альдолази, що розщеплюють вуглець-вуглецеві зв’язки з утворенням альдегідів; дегідратази, які відщеплюють від субстратів молекулу води з утворенням подвійного зв’язку. й клас. Ізомерази - ферменти, що каталізують реакції ізомеризації субстратів (рацемізації, епімеризації, внутрішньомолекулярної оксидоредукції тощо) - рацемази, епімерази тощо. й клас. Лігази (синтетази) - ферменти, що каталізують реакції синтезу біомолекул, тобто утворення нових хімічних зв’язків за рахунок енергії АТФ. Код ферменту (за систематичною класифікацією ферментів - КФ) складається з чотирьох цифр, що позначають: клас - підклас - підпідклас - порядковий номер ферменту в підпідкласі. 3. Будова та механізми дії ферментів. Активний та алостеричний (регуляторний) центри. Більшість ферментів має чотири рівні структурної організації (первинну, вторинну, третинну і четвертинну), тобто є олігомерними білками, що складаються із протомерів. Кожна із субодиниць або окремі їх частини відіграють певну роль у процесі функціонування ферменту. Прості (однокомпонентні) ферменти здійснюють ферментативне перетворення субстрату з участю власне білкової молекули. Безпосередню участь у реакції бере не весь поліпептидний ланцюг ферменту, а тільки незначна його частина, що близько прилягає до субстрату. У ферментативну реакцію включається тільки декілька залишків амінокислот. Ці залишки можуть розташовуватися в поліпептидному ланцюзі як поруч, так і далеко один від одного, але просторово вони повинні бути досить зближені. Та частина молекули ферменту, яка з'єднується із субстратом, називається активним центром ферменту. Активний центр відповідає за специфічну спорідненість ферменту із субстратом, утворення ферменто-субстратного комплексу і каталітичне перетворення субстрату. В активному центрі ферменту умовно розрізняють так звану каталітичну ділянку, де відбувається каталітичне перетворення субстрату, і контактну, або якірну ділянку, що зв'язує фермент із субстратом. За утворення активного центру ферменту, як і за його каталітичну дію, відповідає третинна структура білкової молекули. Отже, при порушенні третинної структури (денатурація) роз'єднуються просторово поєднані амінокислотні залишки і, як наслідок, фермент втрачає активність. У складі активного центру простого ферменту знаходиться приблизно 15 залишків амінокислот. Активний центр утворюють залишки таких амінокислот, як серин, цистеїн, гістидин, тирозин, лізин та деякі інші, що надають ферменту як просторової, так і електричної спорідненості із субстратом. В утворенні тимчасового комплексу між ферментом і субстратом важлива роль належить дисульфідним, іонним, а також слабким зв'язкам (водневі зв'язки, гідрофобна взаємодія). В утворенні активних центрів беруть участь також кофактори даного ферменту простетичні групи, іони металів. Активний центр складних (двокомпонентних) ферментів містить у своєму складі як кофермент, так і ту частину апоферменту, що просторово прилягає до нього. Кофермент при цьому може відповідати за утворення зв'язку із субстратом, формування третинної або четвертинної структури апоферменту і каталітичне перетворення субстрату. Ферменти можуть мати 1, 2, 3 і більше активних центрів, що залежить від кількості протомерів (субодиниць), які входять у його структуру. Крім активних центрів, у ферментах можуть бути ще так звані алостеричні центри (від грец. алос — інший, другий; стереос — просторовий, структурний). Алостеричні центри служать місцем впливу на фермент різних регуляторних чинників, тому їх ще називають регуляторними центрами, а речовини, що взаємодіють з алостеричним центром, отримали назву ефекторів. Приєднання до алостеричного центру ефектора призводить до певних структурних змін в активному центрі та, як наслідок, пригнічення або підвищення активності ферменту. Ефекторами можуть служити продукти ферментативних реакцій, гормони, медіатори нервової системи, метали. Алостеричних центрів (як і активних) фермент може мати декілька, відповідно до кількості протомерів. Важливо зазначити, що алостеричні й активні центри у ферментах просторово відокремлені, тобто знаходяться один від одного на певній відстані. Механізми дії ферментів Ферменти збільшують швидкості біохімічних реакцій, які вони каталізують, у 10 8 -10 20 разів; при відсутності ферменту будь-яка метаболічна реакція практично не відбувається. Відомо, що константа швидкості хімічної реакції залежить від її енергії активації та температури, що виражається рівнянням Арреніуса в експоненційній формі: k = Ае- ∆Е/RT Під енергією активації (Ев рівнянні Арреніуса) в хімічній термодинаміці розуміють додаткову енергію, необхідну для переходу молекул (субстратів S) у перехідний (активований) стан (S*), який передує їх перетворенню в продукти реакції. Згідно з цим, експоненційний член рівняння е- ∆Е/RT (фактор Больцмана) - частка молекулу системі, які мають енергію, достатню для хімічного перетворення. Оскільки всі метаболічні процеси в живих організмах перебігають в ізотермічних умовах, каталітична дія ферментів реалізується за рахунок зниження енергії активації (Е) біохімічної реакції, що збільшує фактор Больцмана і, відповідно, константу швидкості реакції на декілька порядків. 4. Кофактори та коферменти. Будова та властивості коферментів; вітаміни як попередники в біосинтезі коферментів. Кофактори та коферменти Кофактори. Багато ферментів потребують для реалізації своєї каталітичної активності наявності певних низькомолекулярних небілкових сполук кофакторів. Роль кофакторів можуть відігравати біоорганічні сполуки різної хімічної природи або іони металів (Mg 2+ , Ca 2+ , Fe 3+ , Fe 2+ , Cu 2+ , Cu j+ та ін.). Іони металів зв'язані з апоферментом або входять до складу небілкової простетичної групи - найчастіше порфіринового кільця гемінових ферментів (цитохромів, пероксидаз, каталази). Ферменти, які міцно зв'язані з іонами металів і не втрачають цього зв'язку за умов виділення та фракціонування ферменту, назваються металоферментами. У деяких випадках іони металів не входять до складу ферментів як інтегральні структурні компоненти, а виконують лише функцію їх активаторів. Коферменти (коензими) — біоорганічні сполуки небілкової природи, що є необхідними для дії ферменту, тобто перетворення субстрату в каталітичному акті. Коферменти можуть сполучатися з білковою частиною (апоферментом) нековалентними фізико-хімічними або ковалентними зв'язками (в останньому випадку вони є простетичними групами ферментного білка - флавінові коферменти, піридоксаль-фосфат, ліпоєва кислота тощо); інколи коферменти утворюють комплекси з апоферментом лише в ході каталітичного процесу (НАД, НАДФ). За хімічною природою коферменти підрозділяють на - похідні вітамінів, зокрема: вітаміну В, - тіаміндифосфат; вітаміну В - флавінмононуклеотид (ФМН); вітаміну В - піридоксальфосфат, піридоксамінфосфат; пантотенової кислоти - коензим А вітаміну В - метилкобаламін, дезоксиаденозилкобаламін; вітаміну Н (біотину) - карбоксибіотин; фолієвої кислоти - тетрагідрофолієва кислота - динуклеотиди (похідні нікотинаміду - НАД, НАДФ; похідна рибофлавіну - ФАД); - нуклеотиди - похідні пуринів та піримідинів (АТФ, АДФ, ЦТФ, ЦДФ, УТФ, УДФ); - комплекси порфіринів з іонами металів. 5. Коферменти: типи реакцій, які каталізують окремі класи коферментів. КОФЕРМЕНТИ БІООРГАНІЧНА СПОЛУКА, ПОХІДНОЮ ЯКОЇ Є КОФЕРМЕНТ ТИП РЕАКЦІЇ, ЩО КАТАЛІЗУЄТЬСЯ КОФЕРМЕНТОМ 1. Переносники водню та електронів НАД (нікотинамідаденіндинуклеотид) Вітамін РР (нікотинова кислота, нікотинамід) Перенос гідрид-іона (Н) НАДФ (нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат) Вітамін РР (нікотинова кислота, нікотинамід) Перенос гідрид-іона (Н) ФАД (флавінаденіндинуклеотид) Вітамін В (рибофлавін) Перенос атомів водню (Не) ФМН (флавінмононуклеотид) Вітамін В (рибофлавін) Перенос атомів водню (Не) Коензим Q Убіхінон Перенос атомів водню (Не) Глутатіон Трипептид: γ-глутамініл-цистеїніл -гліцин Перенос водню в пероксидазних та редуктазних реакціях Гемінові коферменти Металопорфірини Перенос електронів 2. Переносники інших хімічних груп Нуклео зид фосфат и АТФ (аденозинтрифосфат) Аденозин Перенос фосфатних, пірофосфатних, аденозильних радикалів АДФ (аденозиндифосфат) УТФ (уридинтрифосфат) Уридин Перенос моносахаридних радикалів УДФ (уридиндифосфат) ЦТФ (цитидинтрифосфат) Цитидин Перенос холіну та етаноламіну ЦЦФ (цитвдиндифосфат) Піридоксалеві коферменти: Піридоксальфосфат Піридоксамінфосфат Вітамін В 6 (піридоксин) Перенос аміногруп; декарбоксилування Коензим ацилування (КоА; KoA-SH) Вітамін В (пантотенова кислота) Перенос ацильних радикалів Тетрагідрофолієва кислота (ТГФК) Вітамін Вс (фолієва кислота) Перенос одновуглецевих радикалів (формільного, оксиметильного, метального тощо) Ліпоєва кислота Тіооктова кислота Перенос ацетильних радикалів 3. Коферменти синтезу, ізомеризації та розщеплення вуглець-вуглецевих зв'язків: Тіаміндифосфат (ТДФ) Вітамін В (тіамін) Окисне декарбоксилування оксо-(α-кето)-кислот; перенос кето фрагментів Кобамідні коферменти: Метилкобаламін 5-Дезоксиаденозилкобаламін Вітамін B 12 (кобаламін) Реакції трансметилювання Реакції ізомеризації Карбоксибіотин Вітамін Н (біотин) — похідне тіофену Реакції карбоксилуювання за участю СО. Вітамін В (тіамін): будова, біологічні властивості, механізм дії. Вітамін В — тіамін, антиневритний фактор. Його молекула складається з піримідинового та тіазолового кілець, зв'язаних між собою через СН 2 -групу: Добова потреба в тіаміні для дорослої людини складає 1-3 мг. Міститься він в хлібі грубого помолу, горосі, квасолі, а також тваринних продуктах печінці, м'ясі та інших. Тіаміндифосфат (кокарбоксилаза) входить як кофермент до складу піруватдегідрогенази, альфа-кетоглутаратдегідрогенази і транскетолази. Завдяки цьому бере участь в окисненні пірувату й альфа-кетоглутарату в мітохондріях, а отже, у вилученні енергії з продуктів розщеплення вуглеводів, білків та жирів. Транскетолаза забезпечує перебіг неокиснювальної фази пентозофосфатного циклу, який призводить до нагромадження НАДФН 2 і рибозо-5-фосфату. За рахунок цього вітамін В необхідний для синтезу жирних кислот, холестерину, стероїдних гормонів, знешкодження токсичних речовин, ліків тощо. А рибозо-5-фосфат використовується для синтезу нуклеїнових кислот, нуклеотидних коферментів, нуклеотидів. У мозковій тканині знаходиться в достатній кількості тіамінтрифосфат, що має відношення до синаптичної передачі нервових імпульсів. Через нестачу вітаміну В в організмі розвивається ряд патологічних проявів, які називаються Бері-бері. Зміни спостерігаються з боку метаболізму і функцій органів травлення, серцево-судинної, нервової там язової систем. Розлади шлунково-кишкового тракту проявляються у вигляді різкого зменшення апетиту, зниження секреції шлункового соку і соляної кислоти, атонії кишечника, в'ялих закрепів. Характерними рисами Бері-бері є різка атрофія м'язової тканини, зниження скоротливої здатності скелетних м'язів (виражена м'язова слабкість). 2. Вітамін В (рибофлавін): будова, біологічні властивості, механізм дії. Рибофлавін складається з трициклічної сполуки ізоалоксазину та спирту рибітолу (похідного рибози), звідки і походить його назва. Добова потреба його для дорослої людини становить 1-3 мг. Всмоктується рибофлавін у тонкому кишечнику за допомогою простої дифузії. У тканинах організму він перетворюється на ФМН і ФАД: ФМН і ФАД як коферменти входять до складу флавінових ферментів, що беруть участь у багатьох окиснювальних реакціях клітин: передачі електронів і протонів у дихальному ланцюзі, окисненні пірувату, альфа-кетоглутарату, жирних кислот, біогенних амінів, альдегідів тощо. Флавінові коферменти входять до складу двох різновидів ферментів: перші з них (цитохромредуктази) не взаємодіють із киснем повітря й окиснюються за допомогою системи цитохромів; другі — легко взаємодіють із киснем, утворюючи при цьому пероксид водню. Сюди відносяться альдегідоксидазксантиноксидаза, оксидази амінокислот. У клітинах кінцевим акцептором електронів від флавінових дегідрогеназ служить цитохромна система. Деякі флавінові дегідрогенази, крім ФМН і ФАД, містять ще комплексно зв'язані метали, наприклад молібден або залізо. Гіповітаміноз В характеризується зниженням вмісту коферментів, насамперед ФМН, що проявляється пригніченням процесів тканинного дихання і спричиняє затримку росту, посилений розпад тканинних білків. Досить специфічними симптомами для гіповітамінозу В є ураження епітелію слизових, шкіри і рогівки ока сухість слизових губ, порожнини рота. Вітамін В (РР, нікотинамід, протипелагричний). За структурою вітамін РР є похідним гетероциклічної сполуки піридину. Нікотинова кислота досить поширена в рослинних і тваринних продуктах. Для людини основним її джерелом є хліб, картопля, рис, мясо, печінка, нирки, морква та інші продукти. Добова потреба в ніацині для дорослої людини складає приблизно 25 мг. Всмоктується вітамін РР у тонкій кишці простою дифузією. З ентероцитів він потрапляє в кров, якою переноситься в печінку та інші органи. У клітинах нікотинова кислота перетворюється в НАД+ і НАДФ + . У складі НАД і НАДФ + ніацин бере участь в обміні речовин. Є приблизно сотня нікотинамідзалежних ферментів. НАД і НАДФ + є коферментами багатьох дегідрогеназ, необхідних для вироблення енергії в клітині: виступають акцепторами і проміжними переносниками атомів водню на початкових стадіях окиснення вуглеводів, жирних кислот, амінокислот, гліцерину, на стадії циклу Кребса і в термінальних стадіях дегідрування в дихальному ланцюзі та монооксигеназному ланцюзі. Таким чином, вітамін В бере участь в енергозабезпеченні клітин і в знешкодженні шляхом окиснення природних та чужорідних речовин (монооксигеназний ланцюг окиснення). НАДФН 2 як донор атомів водню використовується в біосинтетичних відновних реакціях (синтез жирних кислот, холестерину, стероїдних гормонів та ін.).Крім того, НАД є субстратом для реакції синтезу полі-АДФ-рибози. Цей процес має відношення до регуляції утворення нуклеїнових кислоту клітинному ядрі. НАД і НАДФ + виступають також у ролі алостеричних ефекторів ферментів енергетичного обміну. Так, НАДН є алостеричним інгібітором ферментів циклу Кребса (ізоцитратдегідрогенази, малатдегідрогенази та ін.). Надлишок НАДФН викликає інгібування глюкозо-6-фосфатдегідрогенази.Недостатність ніацину проявляється захворюванням, що називається пелагрою. Важливо зазначити, що гіповітаміноз В 5 супроводжується одночасним гіповітамінозом В та В. Цепов язано з тим, що для утворення нікотинової кислоти з триптофану потрібні коферменти рибофлавіну та піридоксину. Пелагра супроводжується дерматитами на ділянках шкіри, доступних дії сонячних променів (фотодерматити), порушенням травлення (діарея), атрофією і болючістю язика. При тяжких формах хвороби спостерігаються крововиливи протягом усього шлунково-кишкового тракту.Частими проявами гіповітамінозу є також порушення інтелекту (деменція) і функції периферичних нервів (неврити). Практичне застосування. У медицині нікотинову кислоту та її амід використовують для лікування пелагри, дерматитів, викликаних іншими чинниками, невритів, дистрофій серцевого м'яза, а також у клініці як судинорозширювальний засіб. |