Ответы на билеты биохимия 2012. Белок это последовательность ак, связанных друг с другом пептидными связями
 Скачать 5.15 Mb.
|
|
Ферменты – это катализаторы биологической природы (белки), которые обеспечивают протекание биохимических процессов в живых клетках. Ф. не входят в состав конечных продуктов реакции. Ф. не тратятся в процессе катализа. Ф. только ускоряют реакции, протекающие без них. Ф. не могут возбудить реакции, протекающие по законам термодинамики. Ф. не смещают положение равновеся, а лишь ускоряют его движение. Одна молекула Ф. при обычных условиях может катализировать превращение от тысячи до миллиона молекул в-ва в минуту. Простые ферменты состоят только из АК, а сложные из 2х частей: белковой (апофермент) и небелковой (кофактор). Если кофактор прочно связан с апоферментом, он называется простетической группой, если непрочно – коферментом. Кофактор – это ионы металла или сложные органические соединения, которые выполняют функцию стабилизаторов молекулы субстрата, активного центра фермента и конформации белковой молекулы фермента (Пр.: в активном центре гексокиназы есть участки связывания для молекулы глюкозы и комплекса Мg2+-АТФ. В результате ферментативной реакции происходит перенос концевого гамма-фосфорного остатка молекулы АТФ на глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата). Особенности: 1. Используются неоднократно; 2. Работают в узком диапазоне t и pH; 3. Катализируют только те реакции, которые биохимически возможны; 4. Обладают каталитической эффективностью; 5. Характерна конформационная лабильность; 6. Способность к регуляции 7. Обладают специфичностью: а) субстратная (абсолютная - Активный центр ферментов, обладающих абсолютной субстратной специфичностью, комплементарен только одному субстрату: аргиназа в реакции расщепления аргинина до мочевины и орнитина; и групповая - Большинство ферментов катализирует однотипные реакции с небольшим количеством (группой) структурно похожих субстратов: Панкреатическая липаза гидролизует эфирную связь у α-атомов углерода глицерола, независимо от того, какие жирные кислоты входят в состав молекулы жира; Относительная групповая специфичность – превращение субстратов с некоторыми общими признаками. Например, цитохром Р450 окисляет только гидрофобные вещества, которых насчитывается около 7000; стереоспецифичность - При наличии у субстрата нескольких стерео-изомеров фермент проявляет абсолютную специфичность к одному из них: к D-сахарам (гексокиназа), к L-аминокислотам, к цистрансизомерам (фумараза), к α- и β-гликозидным связям(амилаза)) В общем виде все сводится к комплементарному взаимодействию фермента и субстрата. При этом функциональные группы субстрата взаимодействуют с соответствующими им функциональными группами фермента. Наличие субстратной специфичности объясняют две гипотезы: 1. Теория Фишера (модель "жесткой матрицы", "ключ-замок") – активный центр фермента строго соответствует конфигурации субстрата и не изменяется при его присоединении. Эта модель хорошо объясняет абсолютную специфичность, но не групповую. 2. Теория Кошланда (модель "индуцированного соответствия", "рука-перчатка") – подразумевает гибкость активного центра. Присоединение субстрата к якорному участку фермента вызывает изменение конфигурации каталитического центра таким образом, чтобы его форма соответствовала форме субстрата. б) каталитическая - Фермент катализирует превращение присоединённого субстрата по одному из возможных путей его превращения, Это свойство обеспечивается строением каталитического участка активного центра фермента и называется каталитической специфичностью, или специфичностью пути превращения субстрата. Скорость биохим. реакции определяется: а) изменением концентрации реагирующих веществ в единицу времени; б) не является постоянной в течении времени. 1. Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата При увеличении концентрации субстрата скорость реакции сначала возрастает соответственно подключению к реакции новых молекул фермента, затем наблюдается эффект насыщения, когда все молекулы фермента взаимодействуют с молекулами субстрата. При дальнейшем увеличении концентрации субстрата между его молекулами возникает конкуренция за активный центр фермента и скорость реакции снижается. 2. Зависимость от концентрации фермента При увеличении количества молекул фермента скорость реакции возрастает непрерывно и прямо пропорционально количеству фермента, т.к. большее количество молекул фермента производит большее число молекул продукта 3. Зависимость скорости реакции от температуры Зависимость активности ферментов (скорости реакции) от t описывается колоколообразной кривой с максимумом скорости при значениях оптимальной t для данного фермента. Закон о повышении скорости реакции в 2-4 раза при повышении t на 10°С справедлив и для ферментативных реакций, но только в пределах до 55-60°С, т.е. до t денатурации белков. Наряду с этим, как исключение, имеются ферменты некоторых м/о, существующих в воде горячих источников и гейзеров. При понижении t активность ферментов понижается, но не исчезает совсем. Иллюстрацией может служить зимняя спячка некоторых животных (суслики, ежи), t тела которых понижается до 3-5°С. 4. Зависимость скорости реакции от рН Зависимость также описывается колоколообразной кривой с максимумом скорости при оптимальном для данного фермента значении рН. Для каждого фермента существует определенный узкий интервал рН среды, который является оптимальным для проявления его высшей активности. Например, оптимальные значения рН для пепсина 1,5-2,5, трипсина 8,0-8,5, амилазы слюны 7,2, аргиназы 9,7, кислой фосфатазы 4,5-5,0, сукцинатдегидрогеназы 9,0. 6. Используются неоднократно; 7. Работают в узком диапазоне t и pH; 8. Катализируют только те реакции, которые биохимически возможны; 9. Обладают каталитической эффективностью; 10. Характерна конформационная лабильность; 11. Способность к регуляции В повседневной биохимической практике практически не оценивается количество фермента, а только его активность. Активность – более широкое понятие, чем количество. Она подразумевает в первую очередь результат реакции, а именно убыль субстрата или накопление продукта. Естественно, при этом нельзя игнорировать время, которое проработал фермент и число молекул фермента. Но так как число молекул фермента подсчитать обычно нереально, то используют количество биологического материала, содержащего фермент (объем или массу). Таким образом при определении активности ферментов нужно одновременно учитывать три меняющихся фактора: 1) масса полученного продукта или исчезнувшего субстрата, 2) время, потраченное на реакцию, 3)количество биологического материала, содержащего фермент. Основы количественного определения активности ферментов 1  . Активность фермента выражается в скорости накопления продукта или скорости убыли субстрата в пересчете на количество материала, содержащего фермент.Активность фермента может выражаться, например, в ммоль/с×л, г/час×л, МЕ/л, кат/мл и т.д. 2. Создание стандартных условий, чтобы можно было сравнивать результаты, полученные в разных лабораториях – оптимальная рН и фиксированная температура, например, 25°С или 37°С, соблюдение времени инкубации субстрата с ферментом. 3. Необходимо наличие избытка субстрата, чтобы работали все имеющиеся в растворе молекулы фермента. За единицу активности любого фермента принимают такое его кол-во которое катализирует превращ-е 1мкм вещ-ва в 1 минуту. Активность ферментов опр-ют: пог скорости убыв субстрата; по скороти обр-я продукта. Удельная активность=мкм/мин.мг белка. 5. Понятие об активном центре фермента. Механизм действия ферментов. Ингибиторы ферментов: обратимые и необратимые, конкурентные. Применение ингибиторов в качестве лекарств. 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 располагаются АК, значительно удаленные друг от друга в линейной цепи, но сближенные в функциональной конформации. Наиболее часто в состав активного центра входят такие АК как серин, гистидин, трионин, цистеин. Активный центр: -каталитический центр, -субстрат-связывающий участок, -кофермент-связывающий участок, - низкомолекулярное соединение, которое способствует взаимодействию субстрата и фермента. Микросреда активного центра отличается от остального окружения фермента более низкой диэлектрической проницаемостью, приближающейся к таковой для некоторых органических растворителей. Также хар-ся повышенной микровязкостью, что ограничивает свободу вращательного движения группировок активного центра. Активный центр ограничивает влияние воды, что необходимо для эффективного катализа. При связывании субстрата и активного центра, субстрат претерпевает конформационные изменения (комплементарность увеличивается). – это явление индуцированного соответствия. В свою очередь в активном центре выделяют два участка: 1) якорный (контактный, связывающий) – отвечает за связывание и ориентацию субстрата в активном центре, 2) каталитический – непосредственно отвечает за осуществление реакции. 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. Энергия активации – это произведение энергии активации элементарного акта и постоянной Авогадро (Дж,/моль). -Это энергетический барьер, который должны преодолеть молекулярные вещества по пути превращения в продукты реакции. Основная задача фермента – снизить Е активации. Если фермент просто связывается с субстратом – этого не достаточно для катализа. Ф. не только распознает и связывает субстрат, но и индуцирует переходное состояние субстрата. 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: 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 (Доноры -СООН -NH3+ -SH, Акцепторы -СОО- -NH2 -S-) 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. 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. 3. Тип случайных взаимодействий – субстраты А и В присоединяются к ферменту в любом порядке, неупорядоченно, и после катализа так же отщепляются. Ингибитор - вещество, вызывающее специфичное снижение активности фермента. Т.о., неорганические к-ты и тяжелые Ме ингибиторами не являются, а являются инактиваторами, так как снижают активность любых ферментов, т.е. действуют неспецифично. Можно выделить два основных направления ингибирования: 1. по прочности связывания Ф. с ингибитором ингибирование бывает обратимым и необратимым. 2. по отношению ингибитора к активному центру фермента ингибирование делят на конкурентное и неконкурентное. При необратимом ингибировании происходит связывание или разрушение функциональных групп Ф., необходимых для проявления его каталитической активности (модификации подвергается активный центр). Бывают: а)Специфические (блокируют определенные группы активного центра: диизопропилфторфосфат прочно и необратимо связывается с гидроксигруппой серина в активном центре фермента ацетилхолинэстеразы, гидролизующей ацетилхолин в нервных синапсах. Ингибирование этого фермента предотвращает распад ацетилхолина в синаптической щели, в результате чего медиатор продолжает оказывать воздействие на свои рецепторы, что бесконтрольно усиливает холинергическую регуляцию); б) Неспецифические (реагирует с любыми свободными SН-группами белков. Не имеют физиологического значения и являются ферментными ядами: Присоединение ацетильной группы аспирина (ацетилсалициловой к-ты) к аминогруппе в активном центре фермента циклооксигеназы вызывает инактивацию последнего и прекращение синтеза простагландинов). При обратимом ингибировании происходит непрочное связывание ингибитора с функциональными группами фермента слабыми нековалентными связями, вследствие чего активность фермента постепенно восстанавливается. Действует не долго. Пр.: прозерин, связывающийся с ферментом ацетилхолинэстеразой в ее активном центре. Группа ингибиторов холинэстеразы (прозерин, дистигмин, галантамин) используется при миастении, после энцефалита, менингита, травм ЦНС. Конкурентный ингибитор по своей структуре похож на субстрат фермента. Поэтому он соперничает с субстратом за активный центр, 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. Пр.: Конкурентное взаимодействие этанола и метанола за активный центр алкогольдегидрогеназы. Лекарства: ингибиторы холинэстеразы используют при лечении мышечных дистрофий. Увеличивают активность ацетилхолинэстеразы, конц-я ацетилхолина повышается, усиливается проведение нервного импульса (прозерин, эндрофомит). Антибактериальные средства сульфаниламиды, схожие по структуре с п-аминобензойной кислотой, компонентом фолиевой кислоты. При лечении сульфаниламидами в бактериальной клетке конкурентно нарушается использование п-аминобензойной кислоты для синтеза фолиевой кислоты, что и вызывает лечебный эффект. Неконкурентное ингибирование связано с присоединением ингибитора не в активном центре, а в другом месте молекулы с образованием неактивного комплекса, что приводит к инактивации активного центра и снижению скорости реакции. Это может быть аллостерическое ингибирование, когда активность фермента снижается естественными модуляторами, или связывание с ферментом каких-либо токсинов. Обратимо, но не может быть ослаблено или устранено повышением конц-ии субстрата. Пр.: синильная кислота (цианиды) связывается с гемовым железом ферментов дыхательной цепи и блокирует клеточное дыхание. Использование ингибиторов ферментов Весьма широко применяются в настоящее время ингибиторы протеаз (контрикал, гордокс) при панкреатитах – состояниях, когда происходит активирование пищеварительных ферментов в протоках и клетках поджелудочной железы. Ингибиторы холинэстеразы (физостигмин, прозерин) приводят к накоплению нейромедиатора ацетилхолина в синапсах и показаны при миастении, двигательных и чувствительных нарушениях при невритах, радикулитах, психогенной импотенции. Препараты, содержащие ингибиторы моноаминоксидазы (наком, мадопар), повышают выработку нейромедиаторов катехоламинов в ЦНС при лечении паркинсонизма. Подавление активности моноаминооксидазы (разрушающей катехоламины) сохраняет нормальную передачу сигналов в нервной системе. Ингибиторы ангиотензинпревращающего фермента (каптоприл, эналаприл и т.п.) используются как антигипертензивное средство и вызывают расширение периферических сосудов, уменьшение нагрузки на миокард, снижение артериального давления. Аллопуринол – ингибитор ксантиноксидазы, фермента катаболизма пуринов, требуется для снижения образования мочевой кислоты и подавления развития гиперурикемии и подагры. Ингибиторы гидроксиметилглутарил-SКоА-редуктазы (ловастатин, флувастатин, аторвастатин) применяются для снижения синтеза холестерола при атеросклерозе, заболеваниях сердечно-сосудистой системы, дислипопротеинемиях. Ингибитор карбоангидразы (ацетазоламид) используется как мочегонное средство при лечении глаукомы, отеков, эпилепсии, алкалозах и горной болезни. 6. Регуляция действия ферментов: аллостерические механизмы, химическая (ковалентная) модификация. Белок-белковые взаимодействия. Примеры метаболических путей, регулируемых этими механизмами. Физиологическое значение регуляции действия ферментов. В клетке постоянно происходит большое количество разнообразных химических реакций, которые формируют метаболические пути - последовательное превращение одних соединений в другие. Чтобы воздействовать на скорость протекания метаболического пути, достаточно регулировать количество или активность ферментов. Обычно в метаболических путях есть ключевые ферменты, благодаря которым происходит регуляция скорости всего пути. Эти ферменты называются регуляторными ферментами; они катализируют, как правило, начальные реакции метаболического пути, необратимые реакции, скорость-лимитирующие реакции (самые медленные) или реакции в месте переключения метаболического пути (точки ветвления). Регуляция скорости ферментативных реакций осуществляется на 3 независимых уровнях: 1. изменением количества молекул фермента; 2.доступностью молекул субстрата и кофермента; 3.изменением каталитической активности молекулы фермента. Важнейшее значение в изменении скорости метаболических путей играет регуляция каталитической активности одного или нескольких ключевых ферментов данного метаболического пути. Это высокоэффективный и быстрый способ регуляции метаболизма. Основные способы регуляции активности ферментов: |