Биохимия и ее задачи

• Название: Биохимия и ее задачи
• Дата: 24.09.2021
• Размер: 1.3 Mb.
• Имя файла: biokhimia_shpora.doc
• Тип: Документы; #236548
• страница: 6 из 28

Классификация и номенклатура ферментов

Согласно международной классификации, принятой в 1961 году, все ферменты делятся на 6 классов по типу катализируемой реакции. Каждый класс делится на несколько подклассов. Классы:

1. оксидоредуктазы;

2. трансферазы;

3. гидралазы;

4. лиазы;

5. изомеразы;

6. лигазы (синтетазы).
1. Оксидредуктазы – ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Известно 480 этих ферментов, которые делятся на 17 подклассов.

а) аэробные дегидрогеназы (оксидазы). Отщепляют водород от субстрата и переносят его на молекулу кислорода. Пр.: НАДФН₂+О₂= Н₂О₂+НАДФ.

Если кислород непосредственно внедряется в субстрат, то ферменты – оксигеназы. Наибольшее значение имеют оксидазы аминокислот.

б) анаэробные дегидрогеназы – катализируют перенос водорода от субстрата на любой другой акцептор, кроме кислорода.

CH₃CH₂OH → СН₃СН=О

[над стрелочкой алкоголь-ДГ; под стрелочкой НАД → НАДН₂ ; этанол превращается в этаналь]

в) цитохромы – это ферменты, переносящие электроны.

г) пероксидазы – гемсодержащие оксидоредуктазы. Они отщепляют водород от субстрата и переносят его на Н₂О₂.

Пр.: каталазная реакция

2Н₂О₂ → 2Н₂О+О₂ [над стрелочкой - каталаза].

2. Трансферазы – ферменты, переносящие группы атомов от одного субстрата к другому. При этом один субстрат донор, а другой – акцептор. В зависимости от природы переносимых групп трансферазы делят на 8 подклассов:

- аминотрансферазы, переносят NH₂;

- метилтрансферазы, переносят CH₃;

- фосфотрансферазы, переносят PO₃H₂;

- ацилтрнсферазы.

Пр. переаминирование. [рис. Аланин + альфакетоглутаровая кислота под действием АлАТ и перидоксальфосфата получается ПВК и глутаминовая к-та].



3. Гидролазы – ферменты, катализирующие разрыв одинарных связей с участием воды, присоединяемой по месту разрыва связи. Т.е. они принимают участие в реакциях гидролиза. Все ферменты пищеварительного тракта относятся к гидролазам. Всего выделяют 460 гидролаз. В зависимости от типа разрываемых связей выделяют 11 подклассов:

- эстеразы – разрывают сложно-эфирную связь. Пр.: триацилглицерид+ 3H₂O=(липаза) глицерин+ 3С₁₇H₃₅COOH [рис. этого. Стрелочкой показать сложноэфирные связи]

- пептидазы – разрывают пептидную связь. Пр.: АЛА-ГЛИ+ H₂O = (дипептидаза) АЛА+ГЛИ [рис. этого. Стрелочкой показать пептидную связь]

- гликозидазы – разрывают гликозидные связи. Пр.: мальтоза+ H₂O=(мальтаза) 2глюкозы [рис. этого. Стрелочкой показать гликозидную связь]

4) Лиазы. Эти ферменты осуществляют разрыв углеродных связей без участия воды. Выделяют:

- декарбоксилазы – катализируют отщепление CO₂. Пр.:



- альдолазы – катализируют расщепление связи между атомами углерода. Пр.: фруктозо-1,6-дифосфат (6 атомов С)= (альдолаза) фосфоглицериновый альдегид (3 атома С)+ дигидроксиацетонфосфат (3 атома С).



- гидратазы – разрыв двойной связи с присоединением воды по месту разрыва двойной связи.


- ферменты, отщепляющие воду – реакция дегидратации. При этом образуется двойная связь.

5) Изомеразы – ферменты, катализирующие реакции изомеризации и обеспечивающие внутримолекулярную перестройку.


6) Лигазы (синтетазы) – катализируют образование более сложных веществ из более простых. При этом требуется энергия из вне. Обязательно участие АТФ или других трифосфатов (УТФ, ЦТФ и т.д.). [Пр. Аспарагиновая к-та + аммиак + АТФ под действием аспарагинсинтетазы превращается в аспарагин + АМФ + неорганический фосфат +энергия].

Номенклатура ферментов

1) Существует тривиальная номенклатура – названия случайные, без системы и основания, например трипсин, пепсин, химотрипсин.

2) Рабочая номенклатура – название фермента составляется из названия субстрата или продукта реакции, типа катализируемой реакции и окончание –аза, например лактатдегирогеназа.

3) Систематическая, научная - L-лактат-НАД-оксидредуктаза.

4) Все ферменты имеют цифровой шифр, например ЛДГ - 1.1.1.27.

Первая цифра говорит о типе катализируемой реакции, указывая на номер класса.

Вторая уточняет действие фермента – номер подкласса.

Третья указывает природу разрываемой связи в молекуле субстрата - подподкласс.

Четвёртая – порядковый номер фермента.
Современные представления о ферментативном катализе

Первая теория ферментативного катализа была выдвинута в начале 20 века Варбургом и Бейлисом. Эта теория предлагала считать, что фермент адсорбирует на себе субстрат, и называлась адсорбционной, но развития она не получила.

В основу современной теории положена теория Михаэлеса и Ментена. Ведущую роль в механизме ферментативного катализа играет образование фермент-субстратного комплекса. По этой теории весь процесс катализа можно разделить на 3 этапа:

[рис. E+SESES*ES**EPE+P]

1 этап: образование фермент-субстратного комплекса (на рис. до ES включительно). Происходит диффузия субстрата к ферменту и субстрат, в соответствии с принципом комплиментарности, связывается с активным центром фермента – образуется фермент-субстратный комплекс. Реагенты связаны слабыми связями, т.е. водородными, ионными, гидрофобными, в некоторых случаях и ковалентными. Эта стадия непродолжительна, зависит от концентрации субстрата и от скорости диффузии его к активному центру. Энергия активации исходных веществ при этом изменяется незначительно. На этой стадии проявляется эффект концентрирования субстрата на поверхности фермента – эффект ориентации.

2 этап: (на рис. от ES до EP включительно) происходит последовательное преобразование первичного фермент-субстратного комплекса в 1 или несколько активированных. Эта стадия наиболее медленна, ее длительность зависит от величины энергии активации данной реакции. В эту стадию происходит разрыв старых связей и образование новых, при этом энергия активации значительно снижается. По продолжительности эта стадия является лимитирующей для всего процесса.

На этой стадии проявляется эффект вынужденного соответствия – эффект «дыбы»: субстрат под действием фермента претерпевает изменения, делающие его более доступным для воздействия каталитического участка активного центра фермента. Одновременно с этим происходит изменение конформации фермента в большей степени в активном центре.

3 этап: отделение продуктов от активного центра фермента и диффузия их в окружающую среду. Эта стадия непродолжительна, ее скорость определяется скоростью диффузии продуктов в окружающую среду.

[график: по оси х – ход реакции, по у – энергия активации; рисуем горизонтальную прямую от середины оси у, затем горочку и окускаемся ниже прямой. пририсовываем меньшую горочку пунктиром]

Молекулярные эффекты действия ферментов

1) Эффект концентрирования – это адсорбирование на поверхности молекулы фермента молекул реагирующих веществ, т.е. субстрата, что приводит к их лучшему взаимодействию. Пр.: электростатическое притяжение – скорость реакции может возрасти в 10³ раз.

2) Эффект ориентации – это специфическое связывание субстрата с контактными участками активного центра фермента, которое обеспечивает взаимную ориентацию молекул субстрата и их сближение для более выгодного воздействия каталитических групп в активном центре. За счет эффекта ориентации скорость реакции возрастает в 10³-10⁴ раз. [рис. эффекта ориентации: поворот двух кругов вырезами друг к другу]

3) Эффект натяжения (теория «дыбы»). Субстрат до присоединения к ферменту находится в расслабленной конформации, а после связывания с ферментом деформируется или растягивается. Места деформации легче атакуются каталитическим центром фермента. [рис. эффекта дыбы: субстрат растягивается над ферментом]

4) Эффект вынужденного соответствия (прилегания). Не только субстрат претерпевает изменение конформации, но и фермент, особенно в активном центре, после связывания субстрата меняет свою конформацию, которая становится более комплементарной субстрату.

Теория Фишера: фермент подходит к субстрату как ключ к замку.

Теория Котланда: фермент и субстрат взаимодействуют между собой по принципу рука–перчатка. Истинная комплементарность фермента к субстрату достигается после изменения конформации и субстрата и фермента.

Теория кислотно-основного катализа

В составе активного центра фермента имеются как кислые, так и основные функциональные группы. В результате этого фермент проявляет в ходе катализа кислотно-основные свойства, т.е. играет как роль донора, так и роль акцептора протонов. Кислотно-основной катализ характерен для гидролаз, лиаз, изомераз.

При закреплении субстрата в активном центре на его молекулу влияют электрофильные и нуклеофильные группы каталитического участка, что вызывает перераспределение электронной плотности в субстрате. Такое перераспределение облегчает перестройку и разрыв связей в молекуле субстрата.

Пр.: Реакция превращения ацетилхолина в холин. На первом этапе между СОО^- глутамина и N^ ацетилхолина возникает ионная связь, и возникает фермент-субстратный комплекс. Начинается вторая стадия.

После образования фермент-субстратного комплекса в действие вступают остальные аминокислоты, остатки активного центра. Между углеродом С=О группы ацетилхолина и кислородом ОН-группы серина возникает взаимодействие, т.е. возникает водородная связь между кислородом ацетилхолина и ОН-группы тирозина – эффект «дыбы».

Затем гистидин оттягивает протоны от ОН-группы серина. Вследствие этого упрочняется сложноэфирная связь между серином и остатком уксусной кислоты. Одновременно происходит разрыв другой сложноэфирной связи в молекуле ацетилхолина и переход протона от тирозина к остатку холина.

На третьем этапе холин высвобождается из активного центра. Его место занимает вода. Эта вода располагается между карбонильным кислородом ацетильной группы и кислородом тирозина. Фермент освобождён от продуктов реакции и готов к следующему циклу. На первом и последнем этапе продолжительность этапа зависит от скорости диффузии субстрата к ферменту или от фермента соответственно. Вторая стадия очень часто является лимитирующей весь процесс. Именно на этой стадии происходит снижение энергии активации реагирующих веществ.
Также существует ковалентный катализ – когда субстрат ковалентно связывается в активном центре фермента перед его превращением.