2. ферменты, витамины
 Скачать 428.04 Kb.
|
|
2. ФЕРМЕНТЫ, ВИТАМИНЫ 4. Ферменты: химическая природа, классификации, номенклатура. Изоферменты, проферменты. Ферменты простые и сложные. Кофакторы ферментов, их классификация и роль в катализе. Свойства ферментов как биологических катализаторов: эффективность, специфичность действия, зависимость активности ферментов от концентрации субстрата, температуры и рН среды. Ферменты (энзимы) — это специфические белки, играющие роль биологических катализаторов; вырабатываются клетками живых организмов. Ферменты отличаются от обычных катализаторов своей большей специфичностью (см. ниже), а также способностью ускорять течение химических реакций в условиях нормальной жизнедеятельности организма. -обычно белковые молекулы или молекулы РНК(рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах Химическая природа. Все ферменты – белки, имеющие, как и другие белки, первичную, вторичную, третичную и часто четвертичную структуру. Ферменты могут быть как простыми, так и сложными белками. Молекулы ферментов, представляющие собой простые белки (однокомпонентные), целиком построены из полипептидных цепей и при гидролизе распадаются только на аминокислоты. Примером ферментов такого рода являются гидролитические ферменты пепсин, трипсин, уреаза, лизоцим и др. Большинство природных ферментов относится к сложным белкам (двукомпонентным), содержащих в составе своей молекулы помимо полипептидных цепей небелковый компонент. Как белковая часть такого сложного фермента (апофермента), так и небелковый компонент его молекулы (кофермент) в отдельности лишены ферментативной активности. Только соединившись вместе и образовав так называемый холофермент (полный фермент), они приобретают свойства, характерные для биокатализаторов. В роли коферментов могут выступать различные соединения. Так, ряд коферментов является производными витаминов. По химическому строению многие коферменты представляют собой нуклеотиды, некоторые – органические производные фосфорной кислоты или пептиды и их производные (например, фолиевая кислота, глутатион, КоА). Таким образом, между ферментами, нуклеотидами и витаминами существует определенная функциональная связь. Все ферменты разделены на шесть главных классов: 1.Оксидоредуктазы — катализируют окислительно-восстановительные реакции. Пример: каталаза, алкогольдегидрогеназа Дегидрогеназы. В этот подкласс входят ферменты, катализирующие реакции дегидрирования (отщепления водорода). В качестве акцепторов электронов используются коферменты NAD+, NADP+, FAD, FMN Оксидазы. Акцептором электрона служит молекулярный кислород. Оксигеназы (гидроксилазы) - атом кислорода из молекулы кислорода присоединяется к субстрату. 2.Трансферазы — катализируют реакции межмолекулярного переноса химических групп и остатков. К классу трансфераз относят аминотрансферазы, ацилтрансферазы, метилтранс-феразы, гликозилтрансферазы, киназы (фосфо-трансферазы). 3.Гидролазы — катализируют реакции гидролитического расщепления внутримолекулярных связей. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипаза. 4.Лиазы — катализируют реакции присоединения групп по двойным связям и обратные реакции отрыва таких групп. 5.Изомеразы — катализируют реакции изомеризации.( структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата ) 6.Лигазы (синтетазы) — катализируют реакции соединения двух Молекул, сопряженные с расщеплением пирофосфатной связи в молекуле аденозинтрифосфата (АТФ) или аналогичного нуклеотидтрифосфата. Номенклатура. Тривиальная (исторически сложившаясяся название фермента). Например, пепсин, трипсин. Рациональная (название субстрата и характер катализируемой реакции + АЗА). Например, сукцинатдегидрогеназа. Систематическая (химическое название субстрата: тип химической реакции (в соответствии с международной классификацией ферментов) и суффикс «аза») Изоферменты это множественные формы фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся друг от друга по физическим и химическим свойствам, в частности по сродству к субстрату, максимальной скорости катализируемой реакции (активности), электрофоретической подвижности или регуляторным свойствам. Виды изоферментов: Органные — ферменты гликолиза в печени и мышцах. Клеточные — малатдегидрогеназа цитоплазматическая и митохондриальная (ферменты разные, но катализируют одну и ту же реакцию). Гибридные — ферменты с четвертичной структурой, образуются в результате нековалентного связывания отдельных субъединиц (лактатдегидрогеназа — 4 субъединицы 2 типов). Мутантные — образуются в результате единичной мутации гена. Аллоферменты — кодируются разными аллелями одного и того же гена. Проферменты или проэнзимы, зимогены, энзимогены — функционально неактивные предшественники ферментов, подвергающиеся тем или иным преобразованиям (обычно расщеплению специфическими эндо- или экзопептидазами или гидролизу), в результате чего образуется каталитически активный продукт — фермент Простые и сложные ферменты. 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, пепсин, трипсин, лизоцим. Сложные ферменты (холоферменты) имеют в своем составе белковую часть, состоящую из аминокислот – апофермент, и небелковую часть – кофактор. Кофактор, в свою очередь, может называться коферментом или простетической группой. Примером могут бытьсукцинатдегидрогеназа(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. Кофактор входит в состав активного центра, участвует в связывании субстрата или в его превращении. Как многие белки, ферменты могут быть мономерами, т.е. состоят из одной субъединицы, иполимерами, состоящими из нескольких субъединиц. Кофакторы Более 25% всех ферментов для проявления полной каталитической активности нуждается в ионах металлов. Рассмотрим роль кофакторов в ферментативном катализе. 1. Роль металлов в присоединении субстрата в активном центре фермента Ионы металла выполняют функцию стабилизаторов молекулы субстрата, активного центра фермента и конформации белковой молекулы фермента, а именно третичной и четвертичной структур. Ионы металлов - стабилизаторы молекулы субстрата Для некоторых ферментов субстратом служит комплекс превращаемого вещества с ионом металла. Например, для большинства киназ в качестве одного из субстратов выступает не молекула АТФ, а комплекс Mg2+-ATФ. В этом случае ион Mg2+ не взаимодействует непосредственно с ферментом, а участвует в стабилизации молекулы АТФ и нейтрализации отрицательного заряда субстрата, что облегчает его присоединение к активному центру фермента Схематично роль кофактора при взаимодействии фермента и субстрата можно представить как комплекс E-S-Me, где Е - фермент, S - субстрат, Me - ион металла. Ионы металла - стабилизаторы активного центра фермента В некоторых случаях ионы металла служат "мостиком" между ферментом и субстратом. Они выполняют функцию стабилизаторов активного центра, облегчая присоединение к нему субстрата и протекание химической реакции. В ряде случаев ион металла может способствовать присоединению кофермента. Перечисленные выше функции выполняют такие металлы, как Mg2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Мо2+. В отсутствие металла эти ферменты активностью не обладают. Такие ферменты получили название "металлоэнзимы". Схематично данный процесс взаимодействия фермента, субстрата и металла можно представить следующим образом: E-Me-S К металлоэнзимам относят, например, фермент пируваткиназу (рис. 2-4), катализирующий реакцию:  2. Роль металлов в стабилизации третичной и четвертичной структуры фермента Ионы металлов обеспечивают сохранение вторичной, третичной, четвертичной структуры молекулы фермента. Такие ферменты в отсутствиеьионов металлов способны к химическому катализу, однако они нестабильны. Их активность снижается и даже полностью исчезает при небольших изменениях рН, температуры и других незначительных изменениях внешнего окружения. Таким образом, ионы металлов выполняют функцию стабилизаторов оптимальной конформации белковой молекулы. Иногда в стабилизации вторичной и третичной структуры принимают участие ионы щёлочноземельных металлов. Так, для поддержания третичной конформации пируваткиназы необходимы ионы К+. 3. Роль металлов в ферментативном катализе Не менее важную роль отводят ионам металлов в осуществлении ферментативного катализа. Участие в электрофильном катализе Наиболее часто эту функцию выполняют ионы металлов с переменной валентностью, имеющие свободную d-орбиталь и выступающие в качестве электрофилов. Это, в первую очередь, такие металлы, как Zn2+, Fe2+, Mn2+, Cu2+. Ионы щёлочно-земельных металлов, такие как Na+ и К+, не обладают этим свойством. В качестве примера можно рассмотреть функционирование фермента карбоангидразы. Карбоангидраза - цинксодержащий фермент, катализирующий реакцию образования угольной кислоты: СО + H2O ↔ H2CO3. В ходе электрофильного катализа ионы металлов часто участвуют в стабилизации промежуточных соединений. Участие в окислительно-восстановительных реакциях Ионы металлов с переменной валентностью могут также участвовать в переносе электронов. Например, в цитохромах (гемсодержащих белках) ион железа способен присоединять и отдавать один электрон:  Благодаря этому свойству цитохромы участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. дофамина с образованием норадреналина. 4. Роль металлов в регуляции активности ферментов Иногда ионы металлов выступают в роли регуляторных молекул. Например, ионы Са2+ служат активаторами фермента протеинкиназы С, катализирующего реакции фосфорилирования белков. Ионы Са2+ также изменяют активность ряда кальций-кальмодулинзависимых ферментов Б. Коферменты Как уже было сказано, для проявления каталитической активности большинству ферментов необходимо наличие кофермента. Исключение составляют гидролитические ферменты (например, протеазы, липазы, рибонуклеаза), выполняющие свою функцию в отсутствие кофермента. Кофермент, локализуясь в каталитическом участке активного центра, принимает непосредственное участие в химической реакции, выступая в качестве акцептора и донора химических группировок, атомов, электронов. Кофермент может быть связан с белковой частью молекулы ковалентными и нековалентными связями. В первом случае он называется простетической группой (например, FAD, FMN, биотин, липоевая кислота). Вместе с тем известны примеры, когда кофермент присоединяется к ферменту нековалентными связями настолько прочно, что не диссоциирует от белковой молекулы, например тиаминдифосфат. Во втором случае кофермент взаимодействует с ферментом только на время химической реакции и может рассматриваться в качестве второго субстрата. Примеры - NAD+, NADP+. Апофермент обеспечивает специфичность действия и отвечает за выбор типа химического превращения субстрата. Один и тот же кофермент, взаимодействуя с различными апоферментами, может участвовать в разных химических превращениях субстрата. Например, пиридоксальфосфат в зависимости от того, с каким апоферментом взаимодействует, участвует в реакциях трансаминирования или декарбоксилирования аминокислот. Химическая природа коферментов, их функции в ферментативных реакциях чрезвычайно разнообразны. Традиционно к коферментам относят производные витаминов, хотя помимо них есть значительный класс небелковых соединений, принимающих участие в проявлении каталитической функции ферментов. К коферментам относят следующие соединения: производные витаминов; гемы, входящие в состав цитохромов, каталазы, пероксидазы, гуанилатциклазы, NO-синтазы и являющиеся простетической группой ферментов; нуклеотиды - доноры и акцепторы остатка фосфорной кислоты; убихинон, или кофермент Q, участвующий в переносе электронов и протонов в ЦПЭ; фосфоаденозилфосфосульфат, участвующий в переносе сульфата; S-аденозилметионин (SAM) - донор метильной группы; глутатион, участвующий в окислительно-восстановительных реакциях. Свойства ферментов 1. Зависимость скорости реакции от температуры Зависимость активности ферментов (скорости реакции) от температуры описываетсяколоколообразной кривой с максимумом скорости при значениях оптимальной температуры для данного фермента. Закон о повышении скорости реакции в 2-4 раза при повышении температуры на 10°С справедлив и для ферментативных реакций, но только в пределах до 55-60°С, т.е. до температур денатурации белков. Наряду с этим, как исключение, имеются ферменты некоторых микроорганизмов, существующих в воде горячих источников и гейзеров. При понижении температуры активность ферментов понижается, но не исчезает совсем. Иллюстрацией может служить зимняя спячка некоторых животных (суслики, ежи), температура тела которых понижается до 3-5°С. Это свойство ферментов также используется в хирургической практике при проведении операций на грудной полости, когда больного подвергают охлаждению до 22°С.  Зависимость скорости реакции от температуры |