Ферменты, витамины. итог 1. Так же, как и неогранические катализаторы
 Скачать 98.35 Kb.
|
|
ФЕРМЕНТЫ, или энзимы это биокатализаторы белковой природы. ТАК ЖЕ, КАК И НЕОГРАНИЧЕСКИЕ КАТАЛИЗАТОРЫ: 1. Ускоряют только возможные реакции. В присутствии катализатора реакция с высокой энергией активации изменяется на реакцию с низкой энергией активации. В отсутствие ферментов реакции происходят, но очень медленно 2. Ферменты не изменяют направления реакции. 3. Ферменты не изменяют положение равновесия в обратимых реакциях. Если фермент ускоряет прямую реакцию в 10^8 раз, то и обратную реакцию он должен ускорять в 10^8 раз. 4. Ферменты не расходуются при реакциях. ОТЛИЧИЯ ОТ НЕОГРАНИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ 1. Огромная активность. По сравнению с неорганическими катализаторами они эффективнее и присутствуют в очень малых количествах. 2. Ускорение только в мягких условиях (37о , рН 7, 1 атм). 3. Специфичность – абсолютная или относительная. Это возможность катализировать только определённые реакции. Фермент с абсолютной специфичностью может связываться только с единственным субстратом (аргиназа с аргинином, лактаза с лактозой). 4. Широта действия ферментов в целом. В природе имеется огромное разнообразие химических реакций: реакции распада, синтеза, изомеризации, окисления, восстановления и т.д. 5. Регулируемость. Каталитическая эффективность одного и того же количества фермента может быть разной. Фермент может находиться в активной или неактивной форме, поэтому иногда меньшее количество фермента вызывает более высокую скорость реакции. СВ-ВА ФЕРМЕНТОВ КАК БЕЛКОВ 1. Ферменты имеют такую же молекулярную массу как все белки и такую же структурную организацию. 2. Скорость реакции зависит от температуры. У теплокровных оптимальная температура для большинства ферментов 37– 40 градусов. Скорость реакции снижается как при повышении, так и при снижении температуры. 3. Скорость реакции зависит от pH. Оптимум рН = 7,4. Это рН крови и межклеточной жидкости. Значение буферных систем организма в том, что они поддерживают рН для оптимальной активности ферментов. При изменении рН скорость реакций снижается. 4. Денатурируемость тяжёлыми металлами, растворителями, излучениями. Все факторы денатурации приводят к потере биологической активности. Как и любой белок, фермент может быть активным только в третичной или четвертичной структуре. 5. Обратимое высаливание. Этот процесс очень важен для выделения ферментов из гомогенатов тканей. 6. Узнавание лигандов (специфичность, регулируемость). Лигандами называются любые вещества, которые связываются с активными центрами белков. Лигандами для ферментов являются: субстраты, кофакторы, регуляторы активности. 7. Скорость ферментативной реакции зависит от концентрации субстрата. При низких концентрациях субстрата скорость реакции маленькая. С увеличением концентрации субстрата скорость реакции увеличивается. 8.Скорость реакции зависит от концентрации фермента. КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ Все ферменты делятся на 6 классов в зависимости от типа катализируемой химической реакции. В каждом классе есть многочисленные подклассы и подподклассы.
НОМЕНКУЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ РАБОЧЕЕ или рекомендуемое – название складывается из – название основного субстрата + тип катализируемой реакции + окончание «аза» СИСТЕМНОЕ или сложное – из названия субстрата + класс хим реакций + «аза». СТРОЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ Ферменты могут быть простыми белками (рибонуклеаза), они состоят только из белковой части. Большинство ферментов – это сложные белки, которые состоят из белковой части апофермента и небелковой кофактора. По химической природе кофакторы могут быть неорганическими (металлы) или органическими (коферменты). Коферменты – это органические вещества, в состав которых часто входят витамины или их производные. Комплекс апофермента с кофактором называется холофермент. Если кофактор с апоферментом связан прочной ковалентной связью, его называют простетической группой. Кофакторы в ходе реакций выполняют следующие функции: -участвуют в формировании третичной структуры белка и обеспечении комплементарности между ферментом и субстратом. -могут вовлекаться в реакции в качестве еще одного субстрата. Коферментами являются НАД, НАДФ, КоА. Простетические группы это, например, ФАД, ФМН, биотин, гем. Роль кофакторов в катализе очень разнообразна. В целом они, как правило, переносчики каких-либо химических групп. ИЗОФЕРМЕНТЫ Изоферменты – это ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию, но различающиеся по строению, физико-химическим св-м, локализации. Изоферменты отличаются сродством к субстрату, максимальной скоростью катализируемой реакции, чувствительностью к ингибиторам и активаторам, условиями работы (оптимум pH и температуры). Как правило, изоферменты имеют четвертичную структуру, т.е. состоят из двух или более субъединиц. Например, фермент лактатдегидрогеназа (Пируват - Лактат). Лактатдегидрогеназа – фермент, участвующий в обмене глюкозы. Он имеет четвертичную структуру и эта четвертичная структура складывается из 4-х полипептидных цепей. Есть субъединицы 2-х типов: H и М. Они образуют 5 комбинаций (5 изоферментов). ЛДГ1, ЛДГ2, ЛДГ3, ЛДГ4, ЛДГ5 Лактатдегидрогеназы типов 1 и 2 присутствуют в тканях с аэробным обменом (миокард, мозг, корковый слой почек), обладают высоким сродством к молочной кислоте (лактату) и превращают его в пируват. Изоферменты ЛДГ-4 и ЛДГ находятся в тканях, склонных к анаэробному обмену (печень, скелетные мышцы, кожа, мозговой слой почек), катализируют превращение пирувата в лактат. В тканях с промежуточным типом обмена (селезенка, поджелудочная железа, надпочечники, лимфатические узлы) преобладает ЛДГ-3. Медицинское значение. Активность ЛДГ в плазме крови повышается при острых поражениях сердца, печени, почек и др. органов, а также при различных анемиях. Например, при инфаркте миокарда в крови резко возрастает ЛДГ1, при гепатитах – ЛДГ5, при опухолях, остром лейкозе ЛДГ2,3. МУЛЬТИФЕРМЕНТНЫЕ КОМПЛЕКСЫ В мультиферментном комплексе несколько ферментов прочно связаны между собой в единый комплекс и осуществляют ряд последовательных реакций, в которых продукт реакции непосредственно передается на следующий фермент и является только его субстратом. В результате промежуточные метаболиты избегают контакта с окружающей средой, снижается время их перехода к следующему активному центру и значительно ускоряется скорость реакции. Мультиферментные системы могут включать в себя до 20 различных ферментов, функционирующих в определенной последовательности Если образовавшегося продукта накопилось достаточное кол-во и организм больше в нем не нуждается, этот продукт может по принципу обратной отрицательной связи перейти к 1-му ферменту, включится в его аллостерический центр и затормозить действие 1-го фермента. Такая регуляция называется ретро-контроль. Примеры: пируватдегидрогеназный комплекс (пируватдегидрогеназа), превращающий пируват в ацетил-SКоА, α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс (в цикле трикарбоновых кислот) превращающий α-кетоглутарат в сукцинил-SКоА, комплекс под названием "синтаза жирных кислот" (или пальмитатсинтаза), синтезирующий пальмитиновую кислоту АКТИВНЫЙ ЦЕНТР Активный центр – это участок фермента, в котором происходит связывание субстрата и его превращение в продукт. У простых ферментов акт центр состоит из аминокислот. А у сложных ферментов там есть еще кофактор. В активном центре различают 2 участка: контактный и каталитический. В контактном происходит связывание и ориентация субстрата (образование фермент-субстратного комплекса), а в каталитическом происходит химическое превращение субстрата (образование продукта и высвобождение фермента). 1. E + S ES 2. ES E+ P АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЙ ЦЕНТР Это участок фермента, отдаленный от активного центра. Связывание низкомолекулярных веществ (эффектор) с аллостерическим центром вызывает изменение конфигуряции фермента и, как следствие, скорости ферментативной реакции. Эффекторы бывают 2-х типов: положительный (ускоряет) и отрицательный (замедляет (так же называют ингибиторы)). МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ Фермент взаимодействует с субстратом и образует короткоживущий фермент-субстратный комплекс. По завершении реакции, фермент-субстратный комплекс распадается на продукты и фермент. Фермент в итоге не изменяется: по окончании реакции он остается таким же, каким был до неё, и может теперь взаимодействовать с новой молекулой субстрата. Первоначальным событиям при действии фермента является его специфическое связывание с лигандом - субстратом. Это происходит в области активного центра, который формируется за счет специфического сближения радикалов аминокислот. У сложных белков в активном центре расположен кофактор. Одни R-группы активного центра принимают участие в связывание субстрата, другие - в катализе. Связывание субстрата с ферментом вызывает конформационные (изменение формы) изменения в ферменте и субстрате и увеличивает специфичность фермент-субстратного взаимодействия. Ферментативная реакция представляет собой многостадийный процесс, на первом этапе которого устанавливается комплементарное соответствие между ферментом и субстратом с образованием фермент-субстратного комплекса. Затем в области активного центра происходит химическое превращение субстрата и образование продуктов реакции. Максимальная активность фермента наблюдается при оптимальных условиях протекания реакции, поэтому даже небольшие изменения условий будут изменять скорость ферментативной реакции. Например, изменение температуры вызывает двоякий эффект: с одной стороны, при повышении температуры до 37-40 градусов скорость ферментативной реакции увеличивается в связи с повышением кинетической энергии реагирующих молекул, а с другой - при температуре выше 40 начинается денатурация фермента и скорость реакции снижается. СПЕЦИФИЧНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТРОВ. Отличительной чертой ферментов от небелковых катализаторов является специфичность их действия. Фермент из множества веществ выбирает и присоединяет только свой субстрат, так как только этот субстрат по структуре комплементарен строению активного центра фермента. Это называют субстратной специфичностью. Она бывает абсолютной и групповой. Абсолютная специфичность: фермент катализирует превращение только одного субстрата. Фермент с групповой специфичностью взаимодействует с похожими построением веществами (субстратами). Ещё есть специфичность путей превращения. Это когда один и тот же субстрат может подвергаться различного типа превращением с образованием различных продуктов. КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ Кинетика ферментативных реакций – наука о скоростях ферментативных реакций, их зависимости от различных факторов. Скорость ферментативной реакции измеряют по убыли субстрата или приросту продукта за единицу времени. Скорость ферментативной реакции зависит от - природы фермента (чем выше активность фермента, тем выше скорость реакции) - от концентрации субстрата и фермента (При низких концентрациях субстрата скорость прямо пропорциональна его концентрации, далее с ростом концентрации скорость реакции увеличивается медленнее, а при очень высоких концентрациях субстрата скорость практически не зависит от его концентрации и достигает своего максимального значения); - температуры (при низких температурах (приблизительно до 40 – 50 оС) повышение температуры на каждые 10 оС ,сопровождается увеличением скорости химической реакции в 2 – 4 раза. При высоких температурах более 55 – 60 оС активность фермента резко снижается из-за его тепловой денатурации, и наблюдается резкое снижение скорости ферментативной реакции. Максимальная активность ферментов наблюдается обычно в пределах 40 – 60 оС.) - рН среды - наличия различных регуляторных веществ, способных увеличивать или снижать активность ферментов. В процессе ферментативной реакции фермент (Е) взаимодействует с субстратом (S), в результате образуется фермент-субстратный комплекс, который затем распадается с высвобождением фермента и продукта (Р) реакции. РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ(АКТИВАТОРЫ, ИНГИБИТОРЫ) Активаторы и ингибиторы в физиологических условиях это регуляторы активности ферментов. АКТИВАТОРЫ − вещества, повышающие скорость ферментативной реакции. Примеры: • Соляная кислота активирует пепсин желудочного сока; • желчные кислоты повышают активность панкреатической липазы; • глутатион активирует оксидоредуктазы ИНГИБИТОРЫ – вещества, полностью или частично подавляющие действие ферментов. Ингибиторами могут быть эндогенные вещества – регуляторы активности и экзогенные вещества – лекарства, яды, токсины бактерий и т.д. Они могут быть обратимыми и не обратимыми. Необратимые ингибиторы образуют с ферментом прочную ковалентную связь и подавляют его активность на всё время жизни фермента. Обратимые ингибиторы присоединены к ферментам более слабыми не ковалентными связями и действуют кратковременно. В медицине используются лекарства, являющиеся необратимыми ингибиторами. Например, аспирин – необратимый ингибитор ферментов циклооксигеназ. Обратимые ингибиторы подразделяются на: неконкурентные и конкурентные. Неконкурентные ингибиторы связываются с ферментами не в активном субстратном центре, а в другом месте. Неконкурентные ингибиторы могут связываться либо с ферментом, либо с фермент-субстратным комплексом. Обратимые конкурентные ингибиторы связываются с субстратным центром. Они конкурируют с субстратом за связывание с этим центром, а еще отличительной чертой от неконкурентных является то, что активность ингибирования зависит от концентрации: чем ингибитора больше, тем сильнее он подавляет реакцию. А в неконкурентных активность ингибирования не зависит от концентрации, неконкурентные ингибиторы активны даже в мизерных дозах. РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ Основные способы: 1) Аллостерическая регуляция. Любой биохимический процесс состоит из нескольких последовательных реакций. Скорость всего процесса равна скорости лимитирующей (самой медленной) реакции. Эту реакцию (и только ее) катализирует аллостерический фермент. В каждом процессе исходные вещества являются активаторами аллостерического фермента, а продукты реакции – выключают (ингибируют) его. Стоит процессу слишком разогнаться, он образует избыток продуктов, которые тормозят аллостерический фермент, а если процесс течет вяло, накапливаются исходные вещества, которые «подстегивают» его. Таким образом, процесс сам управляет собой, без внешнего вмешательства. 2) Химическая модификация. Чтобы запустить или выключить фермент, к его молекуле присоединяются (или отщепляются) различные химические группы: фосфат, пептидные участки и др. Ну и в зависимости от природы фермента, реакция начинает протекать быстрее или медленнее. Пример: профермент пепсиноген превращается в активный пепсин путем отщепления от него крупного пептидного фрагмента. |