Ферменты План лекции Общие свойства катализаторов
 Скачать 1.59 Mb.
|
ФерментыПлан лекции1.Общие свойства катализаторов2.Классификация и номенклатура ферментов.3.Строение ферментов. Механизм действия ферментов.4. Регуляция активности ферментов.5. Применение ферментов в медицине.Что такое катализаторы?
Скорость реакцииОбщие свойства катализаторов
Особенности ферментов как биологических катализаторов1. Высокая эффективность действия. Ферменты могут ускорять реакцию в 108-1012 раз.2. Высокая избирательность ферментов к субстратам и к типу катализируемой реакции.3. Высокая чувствительность ферментов к неспецифическим физико-химическим факторам среды :а) температура,б) рН,в) ионная сила раствора и т.д.Номенклатура ферментовПервоначально ферментам давали названия, образуемые путем добавления окончания – аза к названию субстрата, на который данный фермент действует.Пример: крахмал (амилон -греческого) – фермент амилазажиры (липос) - фермент липазабелки (протеины) – протеиназы.Тривиальные названия (исторически сложившиеся названия) – пепсин, трипсин, химотрипсинСовременная номенклатура, введённая Международным биохимическим союзом
Строение ферментаСтроение ферментов
(Субстрат – вещество вступающие в реакцию с ферментом)Активный центрАктивный центрАктивный центр образуется на уровне третичной структуры белка-фермента на активный центр приходится относительно малая часть объёма фермента (5-10 аминокислотных остатков). Роль остальных аминокислот, составляющих основную массу фермента, состоит в том, чтобы обеспечить молекуле фермента правильную конформацию для оптимального протекания химической реакции Радикалы аминокислот, образующих активный центр, оказываются вблизи друг от друга в результате формирования третичной структуры белка Активный центр – это сложная трёхмерная структура, в образовании которой принимают участие группы, принадлежащие разным частям линейной последовательности аминокислот. Активный центр имеет форму узкого углубления или щели, в которую ограничен доступ воде, за исключением тех случаев, когда вода является одним из реагирующих веществ. В этом углублении присутствует несколько полярных аминокислотных остатков, необходимых для связывания субстрата. Активный центр участок связывания каталитический участок обеспечивает комплементарное связывание субстрата химическое превращение субстрата Строение активного центра Строение ферментаферменты Простые или однокомпонентные Сложные или двухкомпонентные
холофермент апоферменет кофермент коферменты Органические молекулы Неорганические молекулы (кофакторы) Кофермент может быть связан с апоферментом ковалентными или нековалентными связями. Ковалентные связи Нековалентные связи Роль кофакторов (металлов)1. Присоединение субстрата в активном центре фермента2. Стабилизация третичной и четвертичной структуры фермента3. Ферментативный катализМеталлы, как кофакторы ферментов необходимы для проявления каталитических функций следующих ферментов:
Роль коферментов
Важнейшие коферменты и простетические группы ферментов К коферментам относят также такие соединения, как 1) гемы, являющиеся простетической группой ферментов (цитохромов, каталазы, пероксидазы, гуанилатциклазы, NO-синтазы) 2) нуклеотиды - доноры и акцепторы остатка фосфорной кислоты; 3) убихинон (кофермент Q) - это липофильная молекула с окислительно-восстановительными свойствамии, участвующая в переносе электронов и протонов в ЦПЭ; 4) фосфо-аденозил-фосфо-сульфат, участвующий в переносе сульфата; 5)S-аденозил-метионин (SAM) - донор метильной группы; 6) глутатион, участвующий в окислительно-восстановительных реакциях. Механизм действия ферментовI – этап:; сближения и ориентации субстрата в активном центре фермента II- этап : узнавание фермента своего субстрата; III – этап: образование активного фермент-субстратного комплекса в каталитическом центре; IV- образование продуктов и десорбция фермента в неизменном виде Теории соответствия фермента и субстрата
такое связывание приводит к конформационной перестройке молекулы фермента, которая распространяется и на активный центр, облегчая, либо затрудняя (замедляя) его работу. Такие вещества называются аллостерическими активаторами или аллостерическими ингибаторами данного фермента. 4. Регуляция активности фермента Аллостерическая регуляция1. ингибирование Аллостерическая регуляция В качестве отрицательного регулятора может выступать конечный метаболит биохимического процесса или продукт данной реакции, т.е включается механизм обратной отрицательной связи. В регуляции синтеза холестерола ингибитором ключевого фермента этого процесса гидроксиметилглутарил-КоА-редуктазы выступает сам холестерол, что быстро и точно регулирует его количество в клетке. Регуляция активности ферментовОграниченный (частичный) протеолиз проферментовПримером служит активация протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта (трипсиноген, пепсиноген, прокарбоксипептидазы), факторов свертывания крови, лизосомальных ферментов (катепсины). 3. Ковалентная (химическая) модификация Ферменты могут быть активны как в фосфорилированном, так и в дефосфорилированном состоянии 4. Белок-белковое взаимодействие 5.
ВИДЫ СПЕЦИФИЧНОСТИ
термолабильность
Каталитическая активность снижается t0С max 40 Зависимость активности фермента от рН среды
Каталитическая активность снижается рН max 7 Пепсин трипсин щелочная фосфатаза 2 10 Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.[S] Vmax 1/2Vmax Km Уравнение Михаэлиса-Ментена Медицинская энзимология – это раздел биохимии, изучающий применение ферментов в медицине. В области медицинской энзимологии выделяют три основных направления исследований: 1. энзимодиагностика, 2. энзимопатология 3. энзимотерапия. Принципы энзимодиагностики основаны на следующих позициях:
Определение в крови активности органо- органеллоспецифических ферментов и изоферментов широко используется в клинической диагностике: Инфаркт миокарда АСТ, АЛТ, КФК МВ, ЛДГ1,2 Панкреатит Панкреатическая амилаза, γ-глутамилтранспептидаза, липаза Гепатит АЛТ, АСТ, ЛДГ4,5, γ-глутамилтранспептидаза, глутаматдегидрогеназа Органоспецифические ферменты ИЗОФЕРМЕНТЫ Изоферменты – это молекулярные формы одного и того же фермента, возникшие в результате небольших генетических различий в первичной структуре фермента. Различные изоферменты определяют скорость и направление реакции благодаря разному сродству к субстрату. Например, димерный фермент креатинкиназа представлен тремя изоферментными формами, составленными из двух типов субъединиц: M (англ. muscle – мышца) и B (англ. brain – мозг). Креатинкиназа-1 состоит из субъединиц типа B, локализуется в головном мозге, креатинкиназа-2 – по одной М и В субъединице активна в миокарде, креатинкиназа-3 –две М-субъединицы, специфична для скелетной мышцы. Также существует пять изоферментов лактатдегидрогеназы (ЛДГ) – фермента, участвующего в обмене глюкозы. Отличия между ними заключаются в разном соотношении субъединиц Н (англ. heart – сердце) и М (англ. muscle – мышца). Лактатдегидрогеназы типов 1 (Н4) и 2 (H3M1) присутствуют в тканях с аэробным обменом (миокард, мозг, корковый слой почек), обладают высоким сродством к молочной кислоте (лактату) и превращают его в пируват. ЛДГ-4 (H1M3) и ЛДГ-5 (М4) находятся в тканях, склонных к анаэробному обмену (печень, скелетные мышцы, кожа, мозговой слой почек), обладают низким сродством к лактату и катализируют превращение пирувата в лактат. В тканях с промежуточным типом обмена (селезенка, поджелудочная железа, надпочечники, лимфатические узлы) преобладает ЛДГ-3 (H2M2) Благодаря этому различию, в скелетных мышцах, несущих ЛДГ-5, часть энергии (особенно в бескислородных условиях) образуется при превращении глюкозы через пируват в лактат. Миокард не образует лактат, зато может использовать для получения энергии молочную кислоту, захватываемую из крови, но только в аэробных условиях. Аналогично лактат ис- пользуется нервной системой. Энзимопатии
Энзимопатиипервичные вторичные(наследственные) (приобретённые)Наследственные энзимопатии по типу нарушений метаболизма делят на: 1. нарушения обмена аминокислот: фенилкетонурия, альбинизм, алкаптонурия и др.; 2. нарушения углеводного обмена: галактоземия, наследственная непереносимость фруктозы, гликогенозы; 3. нарушения липидного обмена: липидозы; 4. нарушения обмена нуклеиновых оснований: подагры, синдрома Леш-Нихана и др.; 5. нарушение обмена в соединительной ткани: мукополисахаридозы, хондродистрофия и др.; 6. дефекты ферментов в ЖКТ: муковисцидоз, целиакия, непереносимость лактозы и др. 7. нарушения обмена стероидов и т.д. Пример: фенилпировиноградная олигофрения – наследственное заболевание, приводящее в раннем детстве к гибели ребенка или к развитию тяжелой умственной отсталости. Молекулярный дефект заключается в блокировании превращения незаменимой аминокислоты Фен в Тир: Аллиментарные энзимопатии – это стойкие нарушения активности ферментов, связанные с характером питания: - отсутствием или снижением в пище количества белка; - дефицитом в пище витаминов, макро- и микроэлементов, некоторых -низкомолекулярных биологически активных веществ; -нарушением соотношения в пище белков, жиров и углеводов; Энзимотерапия– это использование ферментов в качестве лекарственных средств.Самыми распространенными ферментативными препаратами являются комплексы ферментов желудочно-кишечного тракта (Фестал, Панзинорм форте, Мезим форте, Энзистал и т.п.), используемые для заместительной терапии при нарушениях переваривания веществ в желудочно-кишечном тракте. Тканевой фермент гиалуронидаза используется организмом для обратимого изменения проницаемости межклеточного вещества. Лекарственную форму гиалуронидазы – лидазу – вводят для размягчения рубцов, появления подвижности в суставах, рассасывания гематом.Основные ферменты, которые используются в клинической диагностике
Энзимодиагностика заключается в постановке диагноза заболевания или синдрома на основе определения активности ферментов в биологических жидкостях человека. Принципы энзимодиагностики основаны на следующих позициях: 1. При повреждении клеток в биологических жидкостях увеличивается концентрация внутриклеточных ферментов поврежденных клеток; 2. Количество высвобождаемого фермента достаточно для его обнаружения; 3. При повреждении клеток активность ферментов в биологических жидкостях стабильна в течение длительного времени и отличается от нормальных значений; 4. Ряд ферментов являются органо- и органелоспецифичными Современные подходы к диагностике заболеваний При любых заболеваниях всегда имеет место нарушения различных звеньев обмена веществ, вызванные изменениями активности ферментов. В зависимости от того, какой фермент изменяет свою активность, нарушается соответствующее звено обмена, что приводит к формированию соответствующего патологического процесса. Такой подход к становлению болезни, к сожалению пока не имеет место в клинической практике. Чаще всего для диагностики используются данные об изменении активности органо-специфичных ферментов. Этот подход позволяет только указать место сформировавшегося патологического процесса, не вскрывая механизма его становления. Стратегия функциональной диагностики только что формирующегося патологического процесса, должна строиться из определения статуса конкретных звеньев метаболизма путем выбора соответствующей группы ферментов подлежащих изучению. В этой связи необходимо четко представлять все метаболические пути и ферменты этих путей и своевременно проводить их определение. Большинство ферментов, имея четыре уровня структурной организации, состоят из нескольких субъединиц (протомеров). Вследствие этого ферментам присуща множественность форм субъединичной их молекулярной организации. Один и тот же фермент может быть построен из разного набора субъединиц, формирующих изоэнзимный (изоферментный) ряд. Изоферменты - это генетически детерминированая физико-химическая разновидность молекулярных форм фермента, катализирующих одну и ту же реакцию. Например, лактатдегидрогеназа имеет пять изоформ (ЛДГ1-5) Наиболее изучены изоферменты лактатдегидрогеназы (ЛДГ). К ним относятся ЛДГ1, ЛДГ2, ЛДГ3, ЛДГ4, ЛДГ5 имеющих разную локализацию по тканям и органам, т.е. изоферменты органоспецифичны Каждый орган имеет характерный для него набор ферментов, которые при развитии в этом органе патологического процесса выходят в кровь. Например в сердце наибольшей активностью обладают изоферменты ЛДГ1 и ЛДГ2. В печени, скелетной мускулатуре преобладают ЛДГ5 и ЛДГ4. С целью диагностики в сыворотке крови определяют активность нескольких органоспецифических ферментов (так называемый ферментный спектр), характерных для данного органа, ткани. Так, при инфаркте миокарда определяют активность ЛДГ1, аспартатаминотрансферазы, креатинфосфокиназы, бэта-гидрокси-бутиратдегидрогеназы. При поражении печени (болезни Боткина) определяют активность ЛДГ4, ЛДГ5, аланинаминотрансферазы (АЛТ), сорбитдегидрогеназы. По увеличению активности в сыворотке крови клеточных, органоспецифических ферментов можно судить о локализации патологического процесса. Аминотрансферазы. Локализуются в митохондриях, обеспечивают взаимопревращения аминокислот и кетокислот. АСТ много в миокарде, по убыванию меньше в печени, скелетной мускулатуре, ЦНС, почках, семенниках. Активность в сыворотке крови 6-25 МЕ/л. АЛТ много в печени, поджелудочной железе, миокарде, скелетной мускулатуре. Активность в сыворотке крови 6-26МЕ/л. Активность обеих трансаминаз в сыворотке крови возрастает в десятки раз при инфаркте миокарда (АСТ>АЛТ), при остром инфекционном гепатите (АЛТ>АСТ), а также при циррозе печени, мышечной дистрофии. Ферменты как лекарственные средства
Энзимотерапия
Иммобилизованные ферментыЭто ферменты закрепленные на полимерной основе.– дополнительные ковалентные связи делают их более устойчивыми к действию повреждающих факторов (температуры, протеолитических ферментов)– можно обеспечить высокую локальную концентрацию в зоне применения– за счет подбора носителя можно добиться избирательности действия.-Тромболитические ферменты, предназначенные для борьбы с сердечнососудистыми заболеваниями. Так, в отечественную клиническую практику внедрен препарат «стрептодеказа», содержащий стрептокиназу -- активатор предшественника протеиназы плазмина, предотвращающий образование тромба в кровеносной системе. -Ферменты, разрушающие некоторые незаменимые аминокислоты (например, аспарагиназа), используют для борьбы со злокачественным ростом опухолей. -Протеолитические ферменты (трипсин, химотрипсин, субтилизин, коллагеназа), иммобилизованные на волокнистых материалах (целлюлоза, полиамидные волокна, декстран и др.), применяют для эффективного лечения ран, язв, ожогов, абсцессов, а их белковые ингибиторы -- в заместительной терапии для лечения эмфиземы и панкреатитов. Спасибо за внимание |