ферменты. Классификация и номенклатура ферментов. Характеристика классов. Шифр ферментов. Примеры
 Скачать 0.87 Mb.
|
2. Механизм действия ферментовАкт катализа складывается из трех последовательных этапов. 1. Образование фермент-субстратного комплекса при взаимодействии через активный центр. 2. Связывание субстрата происходит в нескольких точках активного центра, что приводит к изменению структуры субстрата, его деформации за счет изменения энергии связей в молекуле. Это вторая стадия и называется она активацией субстрата. При этом происходит определенная химическая модификация субстрата и превращение его в новый продукт или продукты. 3. В результате такого превращения новое вещество (продукт) утрачивает способность удерживаться в активном центре фермента и фермент-субстратный, вернее уже фермент-продуктный комплекс диссоциирует (распадается). Виды каталитических реакций: А+Е = АЕ = БЕ = Е + Б А+Б +Е = АЕ+Б = АБЕ = АБ + Е АБ+Е = АБЕ = А+Б+Е, где Е - энзим, А и Б - субстраты, либо продукты реакции. Ферментативные эффекторы - вещества, изменяющие скорость ферментативного катализа и регулирующие за счет этого метаболизм. Среди них различают ингибиторы - замедляющие скорость реакции и активаторы - ускоряющие ферментативную реакцию. В зависимости от механизма торможения реакции различают конкурентные и неконкурентные ингибиторы. Строение молекулы конкурентного ингибитора сходно со структурой субстрата и совпадает с поверхностью активного центра как ключ с замком (или почти совпадает). Степень этого сходства может даже быть выше чем с субстратом. Если А+Е = АЕ = БЕ = Е + Б , то И+Е = ИЕ ¹ Концентрация способного к катализу фермента при этом снижается и скорость образование продуктов реакции резко падает  В качестве конкурентных ингибиторов выступает большое число химических веществ эндогенного и экзогенного происхождения (т.е. образующихся в организме и поступающих извне – ксенобиотики, соответственно). Эндогенные вещества являются регуляторами метаболизма и называются антиметаболитами. Многие из них используют при лечении онкологических и микробных заболеваний, т.к. они ингибируют ключевые метаболические реакции микроорганизмов (сульфаниламиды) и опухолевых клеток. Но при избытке субстрата и малой концентрации конкурентного ингибитора его действие отменяется. Второй вид ингибиторов - неконкурентные. Они взаимодействую с ферментом вне активного центра и избыток субстрата не влияет на их ингибирующую способность, как в случае с конкурентными ингибиторами. Эти ингибиторы взаимодействуют или с определенными группами фермента (тяжелые металлы связываются с тиоловыми группами Цис) или чаще всего регуляторным центром, что снижает связывающую способность активного центра. Собственно процесс ингибирования - это полное или частичное подавление активности фермента при сохранении его первичной и пространственной структуры. Различают также обратимое и необратимое ингибирование. Необратимые ингибиторы инактивируют фермент, образуя с его АК или другими компонентами структуры химическую связь. Обычно это ковалентная связь с одним из участков активного центра. Такой комплекс практически недиссоциирует в физиологических условиях. В другом случае ингибитор нарушает конформационную структуру молекулы фермента - вызывает его денатурацию. Действие обратимых ингибиторов может быть снято при переизбытке субстрата или под действием веществ, изменяющих химическую структуру ингибитора. Конкурентные и неконкурентные ингибиторы относятся в большинстве случаев к обратимым. 3. Амилаза (другие названия – альфа-амилаза, диастаза, панкреатическая амилаза) это биологически активное вещество, участвующее в процессе метаболизма углеводов. В организме человека большая ее часть вырабатывается поджелудочной железой, меньшая – слюнными железами. Различают два основных типа (изофермента) амилазы: панкреатическую амилазу (вырабатывается в поджелудочной железе) и амилазу слюны. Альфа-амилаза слюнных желез (птиалин) и панкреатическая амилаза, выделяемая поджелудочной железой в просвет двенадцатиперстной кишки, поэтапно осуществляют расщепление высокомолекулярных углеводов до простых сахаров. Амилаза желудка имеет второстепенное значение по отношению к амилазам слюнных желез и поджелудочной железы. Значительно более низкой амилазной активностью обладают также такие органы как яичники, фаллопиевы трубы, тонкий и толстый кишечник, печень. У человека α-амилаза является основным пищеварительным ферментом. Амилаза обеспечивает переваривание углеводов пищи, расщепляя их и преобразуя в глюкозу. Благодаря этому же ферменту глюкоза усваивается организмом. Амилаза слюнных желез начинает этот процесс и может фактически совершить переваривание значительной части крахмала до поступления его в тонкую кишку и контакта с панкреатической амилазой. Основное переваривание углеводов происходит в тонком кишечнике, где для этого имеются все необходимые условия: слабощелочная среда и ферменты, катализирующие распад гликозидных связей в углеводах. Активность α-амилазы оптимальна при нейтральной pH = 6,7-7,0. Активность амилазы подавляется кислой средой, создаваемой желудочным соком. Большая часть панкреатической амилазы расщепляется в нижней части кишечного тракта трипсином, небольшое количество попадает в кровь. Из организма амилазу выводят почки вместе с мочой. Признаком дефицита амилазы в ЖКТ может быть ее повышен-ное содержание в крови при: - остром или хроническом панкреатите; - кисте поджелудочной железы; - камне, опухоли в протоке поджелудочной железы; - раке поджелудочной железы; - эпидемическом паротите; - остром перитоните; - сахарном диабете; - заболеваниях желчных путей (холецистит); - почечной недостаточности; - непроходимости кишечника; Признаком дефицита амилазы в ЖКТ может также быть ее пониженное содержание в крови при - недостаточности поджелудочной железы; - некрозе клеток поджелудочной железы; - муковисцидозе; - поражениях печени Альфа- амилаза является кальций-зависимым ферментом, так как ее деятельность активируется ионом кальция. Определение уровня амилазы в крови и моче применяется при диагностике заболеваний поджелудочной железы, слюнных желез, причин боли в животе. Билет 11 Структурная организация ферментов. Понятие об активном, аллостерическом центрах. Функциональные группы ферментов. Ферменты как белковые молекулы имеют 4 уровня организации: первичный, вторичный, третичиный, четвертичный. Ферменты с четвертичной структурой состоят из протомеров (субъединиц) – таких фементов большинство. Ферменты могут быть как простыми, так и сложными белками. Сложные ферменты состоят из белковой части - апофермента и небелковой – кофактора. Апоферменты и кофакторы порознь мало активны или вообще неактивны; объединение их вместе дает активную молекулу фермента. Функции и свойства апофермента и кофактора следующие. Апофермент термолабилен, определяет специфичность фермента, участвует в соединении фермента с субстратом, активирует кофактор. Кофактор термостабилен, стабилизирует апофермент, участвует в катализе. Классификация коферментов Коферменты представлены веществами органичской природы-нуклеопротеидами,витаминами и др. Их подразделяют следующим образом: Исходными веществами для образования коферментов первой групы являются витамины, поэтому недостаточное поступление их с пищей сразу сказывается на синтезе этих коферментов, а как следствие нарушается и функция соответствующих сложных ферментов. Коферменты второй группы образуются из промежуточных продуктов обмена, поэтому недостатка в этих коферментах в физиологических условиях не бывает, и функция ферментов, с которыми они связаны, не нарушаются. Активный и аллостерические центры В структуре фермента выделяют ряд участков, несущих определенные функции: Активный центр – место в пространственной структуре фермента, с которым связываются субстрат (вещество которое превращается под действием фермента); в состав активного центра фермента входят кофакторы; число активных центров в олигомарных ферментах может быть равно числу субъединиц – по одному центру на субъединицу; в активном центре различают контактный, или якорный участов, связывающий субстрат, и каталитический участок, где происходит превращение субстрата после его связывания; обычно активный центра фермента образует 12-16 аминокислотных остатков, они могут находиться в разных местах полипептидной цепи, нередко на противоположных концах – при пространственной раскладке они сближаются и образуют активный центр; в катализе наиболее часто принимают участие функциональные группы ферментов: Индольные триптофана Имидазольные гистидина ОН – группы серина и трионина SH – группы цистидина и дисульфидные цистина Тиоэфирные группы метионина Фенольные группы тирозина Годрофобные цепи алифатических аминокислот и ароматиеское коньцо фенилаланина Гуанадиновые группы аргинина NH2 – группы лизина и концевые NH2 – группы полипептидной цепи Кроме активного у ферментов имеется аллостерический центр, расположенный вне активного центра, но функционально связанный с ним. Молекулы, взаимодействующие с этим центром, структурно не похожи на субстрат, но влияют на связывание и превращение субстрата в активном центре, изменяя его конфигурацию; такие вещества называют аллостерическими эффекторами, через аллостерический центр они влияют на функцию активного центра: или вызывают положительный эффект(активаторы), или отрицательный(ингибиторы). Молекула фермента может иметь несколько аллостерических центров. 2. Принцип регуляции метаболических процессов: пространственная организация, роль количества молекул фермента, доступность субстрата и коферментов. Живая клетка - открытая система, постоянно обменивающаяся с внешней средой веществами и энергией: в неё поступают питательные вещества, которые подвергаются превращениям и используются в качестве строительного и энергетического материала, из клетки выводятся конечные продукты метаболизма. В многоклеточном организме клетка реагирует не только на изменение окружающей среды, но и на функциональную активность соседних клеток. При этом она стремится сохранить неизменным свой внутренний состав. Это состояние называют стационарным или клеточным гомеостазом. В клетке постоянно происходит большое количество разнообразных химических реакций, которые формируют метаболические пути - последовательное превращение одних соединений в другие. Метаболизм - совокупность всех метаболических путей, протекающих в клетках организма. Среди всех метаболических путей, протекающих в организме, выделяют противоположно направленные процессы: катаболизм и анаболизм. Катаболизм - распад сложных веществ до простых с высвобождением энергии. Анаболизм   Рис. 2-28. Ингибирование активности ферментов вследствие ковалентной модификации остатков цистеина. Анаболизм - синтез из простых более сложных веществ. Метаболические пути согласованы между собой по месту, времени и интенсивности протекания. Эта согласованность протекания всех процессов обеспечивается сложными и многообразными механизмами регуляции. Организация химических реакций в метаболические пути Оптимальная активность ферментов, катализирующих реакции одного метаболического пути, достигается благодаря определённой пространственной организации в клетке. 1. Пространственная локализация ферментов Большинство ферментов имеет внутриклеточную локализацию и распределены в организме неравномерно. Все ферменты одного метаболического пути, как правило, находятся в одном отделе клетки. Особенно разделение метаболических путей важно для противоположно направленных катаболических и анаболических процессов. Например, синтез жирных кислот происходит в цитоплазме, а их распад в митохондриях. Если бы такого разделения не существовало, образовывались бы бесполезные с функциональной и энергетической точки зрения пути. В метаболических путях продукт первой ферментативной реакции служит субстратом второй и так далее до формирования конечного продукта. Промежуточные продукты метаболического пути могут высвобождаться из последовательности реакций и использоваться в других метаболических путях, т.е. метаболические пути связаны между собой промежуточными продуктами. В ряде случаев пространственная организация ферментов настолько сильно выражена, что продукт реакции ни при каких условиях не может быть вычленен из метаболического пути и обязательно служит субстратом следующей реакции. Такая организация метаболического пути носит название мультиферментного комплекса и возникает в результате структурно-функциональной организации ферментов. Обычно такие комплексы связаны с мембранами. В качестве примеров мультиферментных комплексов можно привести пируватдегидрогеназный комплекс, под действием которого происходит окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты (пирувата) (см. раздел 6), синтазу жирных кислот, катализирующую синтез пальмитиновой кислоты (см. раздел 8). 2. Структура метаболических путей Структура метаболических путей в клетке крайне разнообразна (см. табл. 2-3). В случае, когда субстрат в результате ряда ферментативных процессов превращается в один продукт, такой путь носит название линейного метаболического пути. Часто встречаются разветвлённые метаболические пути, приводящие к синтезу различных конечных продуктов в зависимости от потребности клетки. В процессе изучения курса биологической химии вы также познакомитесь с циклическими и спиральными метаболическими путями. Органоспецифичность Ферментный состав различных клеток неодинаков. Ферменты, выполняющие функцию жизнеобеспечения клетки, находятся во всех клетках организма. В процессе дифференцировки клеток происходит изменение ферментного состава клеток. Так, фермент аргиназа, участвующий в синтезе мочевины, находится только в клетках печени, а кислая фосфатаза, участвующая в гидролизе моноэфиров ортофосфорной кислоты, - в клетках простаты. Это так называемые органоспецифичные ферменты. Если говорить об узко специализированных клетках, то ферментов, выполняющих функции в этих клетках, находится больше, чем в других клетках. Например, в клетках сердечной мышцы имеется повышенное количество ферментов креатинкиназы и аспартатаминотрансферазы, в клетках печени - аланинаминотрансферазы и аспартатаминотрансферазы, в остеобластах - щелочной фосфатазы и т.д. Компартментализация Клетка - сложнофункциональная система, регулирующая своё жизнеобеспечение. Многообразие функций клетки обеспечивается пространственной и временной (в первую очередь, в зависимости от ритма питания) регуляцией определённых метаболических путей. Пространственная регуляция связана со строгой локализацией определённых ферментов в различных органеллах. Так, в ядре находятся ферменты, связанные с синтезом молекул ДНК и РНК, в цитоплазме - ферменты гликолиза, в лизосомах - гидролитические ферменты, в матриксе митохондрий - ферменты ЦТК, во внутренней мембране митохондрий - ферменты цепи переноса электронов и т.д. (рис. 2-29). Такая субклеточная локализация ферментов способствует упорядоченности биохимических процессов и увеличивает скорость обмена веществ. Таблица 2-3. Типы метаболических путей
Б. Принципы регуляции метаболических путей Все химические реакции в клетке протекают при участии ферментов. Поэтому, 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 (один или несколько в метаболическом пути) называются регуляторными ферментами; они катализируют, как правило, начальные реакции метаболического пути, необратимые реакции, скорость-ли-митирующие реакции (самые медленные) или реакции в месте переключения метаболического пути (точки ветвления). Регуляция скорости ферментативных реакций осуществляется на 3 независимых уровнях: изменением количества молекул фермента; доступностью молекул субстрата и кофер-мента; изменением каталитической активности молекулы фермента.  |
