Введение в биохимию Лекция 1. Ферменты. Лекция 1
 Скачать 1.72 Mb.
|
ЛЕКЦИЯ № 1Введение в биохимию. Ферменты 1. ФГБОУ ВО УГМУ Минздрава России Кафедра биохимии Екатеринбург, 2018г Дисциплина: Биохимия Лектор: Гаврилов И.В. Факультет: лечебно-профилактический, Курс: 2 План лекцииБиохимия – как наука. Предмет, цели и задачи биохимии. Метаболизм. Основные понятия. Виды метаболических реакций. Энзимология. Ферменты. Определение, химическая природа, физико-химические свойства, биологическое значение. Сравнение ферментов и неорганических катализаторов Строение ферментов Биохимия – наука, изучающая вещества, входящие в состав живых организмов, их превращения, а также взаимосвязь этих превращений с деятельностью органов и тканейБиохимия – молодая наука, около ста лет назад она возникла на стыке физиологии и органической химии. Термин биохимия ввел в 1903г немецкий биохимик Карл Нейберг (1877-1956). I. БИОХИМИЯ Биохимия как наука делится на: Статическую (биоорганическая химия) анализирует структуру и химический состав организмов Динамическую изучает обмен веществ и энергии в организме Функциональную исследует взаимодействие химических процессов с биологическими и физиологическими функциями По объектам исследования, биохимия делится на:биохимию человека и животных; биохимию растений; биохимию микроорганизмов; биохимию грибов; биохимию вирусов. Мы с вами будем заниматься медицинской биохимией, одним из разделов биохимии человека и животных Объектом медицинской биохимии является человек Целью курса медицинской биохимии является изучение: молекулярных основ физиологических функций человека; молекулярных механизмов патогенеза болезней; биохимических основ предупреждения и лечения болезней; биохимических методов диагностики болезней и контроля эффективности лечения ( клиническая биохимия) Задачи курса медицинской биохимии: изучить теоретический материал; получить практический навык биохимических исследований; научиться интерпретировать результаты биохимических исследований II. МетаболизмВ основе жизнедеятельности любого организма лежат химические процессы. Метаболизм (обмен веществ) – совокупность всех реакций, протекающих в живом организме А F B C D Энергия Тепло Катаболизм Анаболизм Метаболиты – вещества, участвующие в метаболических процессах (субстраты, А, В, С, продукты) Субстрат – вещество, которое вступает в химическую реакцию Продукт – вещество, которое образуется в ходе химической реакции Субстрат Продукт Последовательность реакций, в результате которых субстрат превращается в продукт называется метаболический путь А В С Органические соединения имеют сложную структуру и синтезируются только в ходе нескольких последовательных реакций Пример метаболического пути: Гликолиз, цепь окислительного фосфорилирования Субстрат Продукт 2 Последовательность реакций, идущие в обход основного метаболического пути называется метаболическим шунтом А В D E Продукт 3 Продукт 1 Примеры метаболических шунтов: пентозофосфатный шунт, 2,3-дифосфоглицератный шунт S1 Последовательность реакций, в ходе которых образующийся продукт, является одновременно и субстратом данных реакций называется метаболическим циклом S2(P) A C B Продукт 1 Продукт 2 Примеры метаболических циклов: Цикл Кребса, Орнитиновый цикл Цикл β-окисления жирный кислот Глюкозо-лактатный цикл, Глюкозо-аланиновый цикл Энзимология – наука, раздел биохимии, о ферментах III. Энзимология строение и свойства ферментов; ферментативные реакции и механизмы их катализа; регуляцию активности ферментов. Предметом изучения энзимологии являются ферменты. Энзимология изучает: Медицинская энзимология - изучает применение ферментов в медицины. Практически все реакции в живом организме протекают с участием ферментовФерменты Ферменты (энзимы) – биологические катализаторы белковой природы. Биологическая роль Биологическая роль ферментов заключается в том, что они катализируют контролируемое протекание всех метаболических процессов в организме Физико-химические свойства Являясь веществами белкой природы, ферменты обладают всеми свойствами белков Определение и химическая природа К 2013 году было описано более 5000 разных ферментов Особенности действия ферментовУскоряют только термодинамически возможные реакции Не изменяют состояние равновесия реакций, а только ускоряют его достижение реакции ускоряют значительно, в 108-1014 раз Действуют в малых количествах В реакциях не расходуются Чувствительны к активаторам и ингибиторам. Активность ферментов регулируется специфическими и неспецифическими факторами Ферменты действуют только в мягких условиях (t = 36-37ºС, рН 7,4, атмосферное давление) Обладают широким диапазоном действия, катализируют большинство реакций в организме Для ферментов характерна высокая специфичность субстратная специфичность:
▪ групповая (1 фермент – несколько похожих субстратов), ▪ стереоспецифичность (ферменты работают с субстратами L или D). • каталитическая специфичность (ферменты катализируют реакции одного из типов химических реакций) Общее с неорганическими катализаторами 1. Активный центр – это часть молекулы фермента, которая специфически взаимодействует с субстратом и принимает непосредственное участие в катализеб). Каталитический центр Активный центр, как правило, находиться в нише (кармане) Содержит, не менее трех точек для связывания субстрата, благодаря чему молекула субстрата присоединяется к активному центру единственно возможным способом, что обеспечивает субстратную специфичность фермента 1. Активный центр а). Субстратный участок (контактная площадка) Особенность строения каталитического центра дает возможность ферменту катализировать реакцию с помощью определенного механизма катализа: кислотно-основного, электрофильного, нуклеофильного и т.д. Т.о. каталитический центр обеспечивает выбор пути химического превращения и каталитическую специфичность фермента Строение ферментов Ферменты – глобулярные белки, содержащие активный центр Фермент + - 0 Субстрат Ферменты характеризуются наличием специфических центров катализа Субстратный участок Каталит. центр Активный центр + 0 - Продукт + - 0 2. Алостерический центр У группы регуляторных ферментов есть алостерические центры, которые находятся за пределами активного центра К алостерическому центру могут присоединяться “+” модуляторы (активаторы), увеличивающие активность ферментов. Алостерический центр и контактная площадка устроены аналогично + - 0 + Активатор + - 0 2. Аллостерический центр Также к аллостерическому центру могут присоединяться “-” модуляторы (ингибиторы), угнетающие активность ферментов. - 0 + Ингибитор - По составу ферменты делятся на:Простые Состоят только из аминокислот - Сложные Состоят из: Аминокислот; Ионы металлов Органических веществ небелковой природы 0 + Апофермент Простетическая группа + - 0 Белковая часть (из аминокислот) сложного фермента называют Апофермент Небелковую часть сложного фермента называют Простетическая группа Ионы металлов (кофакторы) Органических веществ небелковой природы (коферменты) Коферменты - органические вещества небелковой природы, которые участвуют в катализе в составе каталитического участка активного центра фермента называют. Каталитически активную форму сложного белка называют холоферментом Холофермент = Апофермент + Кофермент Кофакторы - ионы металлов, необходимые для проявления каталитической активности ферментов называют В качестве коферментов функционируют:
Гемы (коферменты цитохромов); Нуклеотиды (коферменты рибосом); коэнзим Q; ФАФС (коферменты трансфераз); SAM; Глутатион (кофермент глутатионпероксидазы); Производные водорастворимых витаминов: - 0 + + - 0 + + - 0 + + - 0 Косубстрат – простетическая группа, которая присоединена к белковой части слабыми нековалентными связями. Косубстрат присоединяется к ферменту в момент реакции: Например, НАД+, НАДФ+. + - 0 + Продукт Фермент + Субстрат Фермент Косубстрат Фермент-субстратный комплекс Косубстрат - 0 + Простетическая группа обычно прочно связана с апоферментом. Кофакторы В качестве кофакторов выступают ионы калия, магния, кальция, цинка, меди, железа и т.д. стабилизируют молекулы субстрата и обеспечивают его связывание; стабилизируют активный центр фермента, стабилизируют третичную и четвертичную структуру фермента; обеспечивают катализ. Роль кофакторов разнообразна, они: Например, АТФ присоединяется к киназам только вместе с Mg2+ + Субстрат (АТФ) Кофактор (Mg2+) + - 0 Фермент Активный субстрат (АТФ-Mg2+) - 0 + + - 0 - 0 + Фермент-субстратный комплекс Продукт (АДФ) - 0 + Фермент Кофактор (Mg2+) Локализация и компартментализация ферментов в клетке и тканях По локализации в организме ферменты делятся: Общие ферменты (универсальные) Органоспецифические ферменты Органеллоспецифические ферменты Органеллонеспецифические ферменты По локализации в клетке ферменты делятся: Креатинкиназы, аминотрансферазы и тд. Ферменты гликолиза, рибосомы и т.д. Обнаруживаются практически во всех клетках, обеспечивают основные процессы жизнедеятельности клетки: 1. Общие ферменты (универсальные) Ферменты: гликолиза, цикла Кребса, окислительного фосфорилирования, ПФШ и т.д. Синтез и использование АТФ; метаболизм белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов и других органических веществ; создание электрохимического потенциала; движение и т.д. 2. Органоспецифические ферментыКостная ткань Щелочная фосфатаза Миокард АСТ, АЛТ, КФК МВ, ЛДГ1,2 Почки Трансамидиназа, щелочная фосфатаза Печень Аргиназа, АЛТ, АСТ, ЛДГ4,5, щелочная фосфатаза, γ-глутамилтранспептидаза, глутаматдегидрогеназа холинэстераза Свойственны определенным органам или тканям (или группе органов и тканей). Обеспечивают выполнение ими специфических функций Простата Кислая фосфотаза Поджелудочная железа α-амилаза, липаза, γ-глутамилтранспептидаза Распределение ферментов в органах
0-10% 10-50% 50-75% 75-100% 3. Органеллоспецифические ферментыКлеточная мембрана Щелочная фосфатаза, Аденилатциклаза, К-Nа-АТФаза Цитоплазма Ферменты гликолиза, ПФШ Гладкий ЭПР Ферменты микросомального окисления Рибосомы Ферменты биосинтеза белка Лизосомы Кислая фосфатаза Митохондрии Ферменты окислительного фосфорилирования, ЦТК, β-окисления жирных кислот Ядро РНК-полимераза, НАД-синтетаза Изоферменты – это множественные формы одного фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, и отличающие химическим составом Изоферменты отличаются: сродством к субстрату (разные Км), максимальной скорости катализируемой реакции, электрофоретической подвижности, разной чувствительности к ингибиторам и активаторам, оптимуму рН термостабильности Изоферменты имеют четвертичную структуру, которая образована четным количеством субъединиц (2, 4, 6 и т.д.): Изоферменты У белков с четвертичной структурой и разными субъединицами за счет меньшего количества генов создается большее разнообразие форм. Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) ЛДГ состоит из 4-х субъединиц 2 типов М (muscle) и Н (heart), которые в разных комбинациях образуют 5 изоформ М (muscle) Н (heart) В составе преобладают дикарбоновые АК В составе преобладают диаминомонокарбоновые АК фермент гликолиза и глюконеогенеза ЛДГ1 НННН ЛДГ2 НННМ ЛДГ3 ННММ ЛДГ4 НМММ ЛДГ5 ММММ О2 О2 Н (heart) М (muscle) эпителий лёгочных альвеол миокард, эритроциты, корковое вещество почек поперечно-полосатая скелетная мускулатура, гепатоциты рН нейтральная рН кислая Креатинкиназа (креатинфосфокиназа) КФК состоит из 2-х субъединиц 2 типов М (от англ, muscle - мышца) и В (от англ, brain - мозг) , которые в разных комбинациях образуют 3 изоформы: КФК ВВ КФК МВ КФК ММ КФК играет важную роль в энергетическом обмене мышечной и нервной тканей 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 Номенклатура – названия индивидуальных соединений, их групп, классов, а также правила составления этих названий Классификация – разделение чего-либо по выбранным признакам Номенклатура и классификация ферментов Современная номенклатура ферментов – международная, переведена на разные языки Исторически сложившиеся названия: (пепсин, трипсин) рабочие названия: субстрат + окончание аза (сахараза) субстрат + его хим. превращение + аза (пируваткарбоксилаза) Тривиальная Систематическая По названию можно точно идентифицировать фермент и его катализируемую реакцию. В каждом классе строится по определённой схеме Принята в 1961г Международным союзом биохимиков Классификация ферментов На основании 6 известных типов химических реакций ферменты, которые их катализируют, подразделяют на 6 классов. На основании субстратов, переносимых групп и т.д. в каждом классе выделяют несколько подклассов и поподклассов (от 5 до 23); Каждый фермент имеет свой шифр КФ 1.1.1.1. Первая цифра обозначает класс, вторая - подкласс, третья - подподкласс, четвертая - порядковый номер фермента в его подподклассе (в порядке открытия). http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/
Номенклатура ферментов В правилах названия ферментов нет единого подхода – в каждом классе свои правила Название фермента состоит из 2 частей: 1 часть – название субстрата (субстратов), 2 часть – тип катализируемой реакции. Окончание – АЗА; Дополнительная информация, если необходима, пишется в конце и заключается в скобки: L-малат + НАДФ+ ↔ ПВК + СО2 + НАДН2 L-малат: НАДФ+ - оксидоредуктаза (декарбоксилирующая); + + 1. Оксидоредуктазы Название класса: донор: акцептор ( косубстрат) оксидоредуктаза R-CH2-OH + НАД+ R-CH=О + НАДН2 Систематическое название: Алкоголь: НАД+ оксидоредуктаза Тривиальное название: алкогольдегидрогеназа Шифр: КФ 1.1.1.1 ℮- и Н+ + + 2. Трансферазы Название класса: откуда: куда в какое положение – что – трансфераза донор: акцептор – транспортируемая группа – трансфераза АТФ + D-гексоза АДФ + D-гексоза-6ф Систематическое название: АТФ: D-гексоза-6-фосфотрансфераза Тривиальное название: гексокиназа Шифр: КФ 2.7.1.1 Атомы и молекулярные остатки + + 3. Гидролазы Название класса: Субстрат–что отщепляется–гидролаза Субстрат–гидролаза
Систематическое название: Ацетилхолин-ацилгидролаза Тривиальное название: Ацетилхолинэстераза Шифр: КФ 3.1.1.7 + 4. Лиазы Название класса: субстрат: что отщепляется–лиаза L-малат Н2О + фумарат Систематическое название: L-малат: гидро–лиаза Тривиальное название: фумараза Шифр: КФ 4.2.1.2 5. Изомеразы Название класса: Субстрат – вид изомеризации – изомераза Субстрат – продукт – изомераза Фумаровая к-та Малеиновая к-та Систематическое название: Фумарат–цис, транс–изомераза + + + + 6. Лигазы (синтетазы) Название класса: субстрат: субстрат – лигаза (источник энергии) L-глутамат + NH4+ + АТФ L-глутамин + АДФ + Фн Систематическое название: L-глутамат: аммиак – лигаза (АТФ → АДФ + Фн) Тривиальное название: глутаминсинтетаза Шифр: КФ 6.3.1.2 Спасибо за внимание! |