биохимия. Учебникрепетитор Издательские решения По лицензии Ridero 2019 удк 61 ббк 53 К82 Рецензенты
 Скачать 1.49 Mb.
|
ГЛАВА II ФЕРМЕНТЫЧто может быть важнее ферментов (энзимов)? Любой биохимик ответит — ни-че-го. Если белки — самый значимый класс биологических молекул, то энзимы — ключевая группа белков (аналогия: белки — дворянство химического мира, ферменты — королевский двор). Жизнь — это, прежде всего — процесс, совокупность сложнейших функций, каждая из которых — набор биохимических реакций, и все эти реакции катализируют ферменты. Таким образом, энзимы — первейшая основа жизни. I. ФЕРМЕНТЫ, ИХ СТРОЕНИЕ, ИЗОФЕРМЕНТЫ 1. Общая характеристикаФерменты — биологические катализаторы. Это доказывает сходство ферментов и катализаторов: повышают скорость химической реакции; действуют в мизерных концентрациях; не расходуются в ходе реакции; не смещают химическое равновесие реакций. Но, поскольку все ферменты являются белками, существует ряд их отличий от неорганических катализаторов: ферменты более активны; они регулируемы; работают только в узких рамках физиологических параметров (температура, рН и др., см. ниже); ферменты специфичны. Рассмотрим подробнее типы специфичности ферментов: а) абсолютная: один фермент реагирует только с одним видом субстрата1 (обозначается — S) в реакции только одного типа. Это самый распространенный тип специфичности, поэтому он не нуждается в примерах; б) относительная: 1 фермент — несколько субстратов — 1 реакция (пример: пищеварительные ферменты); в) стереоспецифичность: фермент работает только с одним из изомеров субстрата (пример: малатдегидрогеназа). 2. Строение сложных ферментовЗамечу, что энзимы (как и все белки) делят на простые и сложные. Простые — их молекула построена только из аминокислот. Сложные — в их состав входит также небольшая небелковая часть. Рассмотрим подробнее строение сложных ферментов. Белковая часть их молекулы (большая̀ по размеру) — апофермент; небелковая — кофактор. Кофакторы делят на: а) кофермент — связан с апоферментом легко, нековалент- но и поэтому может на время отходить от белковой части; б) простетическая группа — связана с апоферментом кова- лентно, жестко. 3. Строение активного центраАктивный центр — это рабочий орган фермента, с его помощью энзим и проводит реакцию катализа. В его состав входят аминокислотные последовательности и кофактор (у сложных энзимов). Активный центр построен из двух частей: а) контактная площадка — особая «выемка» в теле фермента, она выполняет две функции: во-первых, контакт с субстратом (S) и его удержание; во-вторых, она по форме и положению функциональных групп идеально сочетается с субстратом (и только с ним), следовательно, обеспечивает специфичность. б) каталитический участок — «сердце» энзима, именно он обеспечивает катализ, т. е. — ускорение реакции. Если фермент сложный, то его кофактор является тем самым каталитическим участком. 4. Аллостерический центрЕсли активный центр есть у каждого фермента, то аллостерический — лишь у избранных (о них я расскажу позднее), эту группу так и называют — аллостерические ферменты. Аллостерический центр не похож на активный и выполняет иную функцию — регуляторную. К нему могут специфически присоединяться только особые вещества — эффекторы (модификаторы), которые делятся на: активаторы (ускоряют работу энзима) и ингибиторы (замедляют). Таким образом, аллостерический центр можно сравнить с «выключателем», с помощью которого можно управлять ферментом (а, следовательно — и химической реакцией), т. е. подстегивать его работу или, наоборот, притормаживать. Повторю1, функция аллостерического центра — регуляция скорости химического процесса. 5. Изоферменты — разные формы одного фермента, немного различающиеся по строению, свойствам, но катализирующие одну и ту же реакцию. Единственный пример изоферментов, который вы должны знать — ЛДГ (лактатдегидрогеназа). Молекула этого белка построена из 4 субъединиц, каждая из которых может быть Н- или М-типа. Таким образом, мы видим, что получается всего 5 комбинаций, которые приведены ниже: ЛДГ-1 — построена из 4-х Н-протомеров (НННН). Содержит- ся, в основном, в сердце; ЛДГ-2 — НННМ (в сердце); ЛДГ-3 — ННММ (в почках и легких); ЛДГ-4 — НМММ (в печени); ЛДГ-5 — ММММ (в печени и скелетных мышцах). Эти изоформы имеют большое значение в медицине, как маркеры разрушения (деструкции) клеток. В норме, уровень ЛДГ в крови очень низок, но при массивной гибели клеток (некроз, инфаркт, агрессивное вирусное воспаление) повышаются отдельные изоформы. Например, при вирусном гепатите (болезнь печени) подскакивает уровень ЛДГ 4-й и 5-й изоформ. При инфаркте миокарда резко увеличивается концентрация ЛДГ 1-й и 2-й изоформ, которые находятся в сердце. Замечу, что при ишемической болезни сердца (ИБС, стенокардия) ЛДГ будет в норме; этот тест прекрасно помогает отличить ИБС от инфаркта (это важно, поскольку лечение при этих заболеваниях отличается). 6. Мультиферментные системыНадо помнить, что в нашем организме нет отдельных химических реакций, есть процессы — несколько последовательных реакций, выполняющих какую-то функцию. Если, к примеру, в процессе 6 реакций, значит его обеспечивают 6 видов ферментов. Все просто. Обычно эта группа энзимов беспорядочно взвешена (растворена) в цитоплазме, или иной жидкости, в такой системе нет выраженной последовательности. Но бывают и другие типы расположения ферментов: мультиферментная система — группа ферментов, катализирующих реакции одного процесса и жестко фиксированных (на мембране или органелле) в порядке следования реакций. Такой подход выгоден, т. к. сокращает время процесса (увеличивает скорость). Представьте, стоит субстрату связаться с активным центром первого фермента и он «попал», S уже не вырвется, он обречен перескакивать с одного активного центра на другой, пока не пройдет все превращения до последнего. Примеры: мультиферментных систем: дыхательная цепь; пируватдегидрогеназный комплекс; альфа-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс. II. КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ 1. Кинетика ферментативных реакцийКак правило, к этой теме студенты подходят с опаской. Их пугает раздутая математическая часть. А зря. Ведь 90% этого «ужаса» можно спокойно пропустить. Из письменного материала вам необходимо запомнить лишь три легчайших графика и одно уравнение. Если разобраться, это довольно простая, логически стройная, интересная тема. Итак, приступим. Кинетика — раздел физикохимии, изучающий скорость химических реакций и факторы, влияющие на нее. Разберемся с терминами. Энергия активации — минимальная энергия, необходимая для запуска реакции. Она количественно равна барьеру отталкивания между молекулами. Понятно: чем больше барьер (чем выше энергия активации), тем ниже скорость реакции. Значит, чтобы ускорить реакцию, надо понизить энергию активации (что и делают ферменты). Молекулярность — число, равное количеству молекул, участвующих в акте реакции. Пример: если в одном акте реакции участвуют две молекулы (скажем: щелочь и кислота), молекулярность равна двум. Молекулярность может иметь только следующие значения: 1, 2 и 3. Порядок реакций. В учебниках определение порядка дано настолько отвратительно, что 99% студентов не понимают его суть. Даю свое определение. Порядок — числовая величина, показывающая, от концентрации скольких веществ зависит скорость химической реакции. Как видите, все просто. Если скорость реакции зависит от концентрации двух веществ, порядок равен 2, если от одного — единице. Если порядок равен нулю, это говорит о том, что скорость вообще не зависит от концентрации. Факторы, от которых зависит скорость реакции: Концентрация реагирующих веществ; Температура среды; Давление (на ферментативные реакции не влияет); рН; Катализ. В изучении ферментов два из пяти факторов отбрасываем сразу: катализ (ферменты и есть катализаторы, что уж тут говорить?) и давление. Почему убираем давление? Из школьного курса вы помните, что давление влияет только на реакции в газовых средах, а энзимы, как вы уже поняли, живут и работают в водной среде (все биохимические процессы протекают только в водной фазе). Значит, давление не влияет на ферментативные процессы. Теперь разберемся по порядку с ключевыми факторами: 1. Концентрация реагирующих веществ В ферментативных реакциях реагирующее вещество, как правило, одно — субстрат (фермент не считается реагентом, т. к. он — катализатор). В простых реакциях эта зависимость описывается законом действующих масс (вспомните школу) — чем больше концентрация, тем выше скорость. С ферментами сложнее. Посмотрите на график: «Зависимость между скоростью ферментативной реакции и концентрацией субстрата…» в вашем учебнике. Мы видим, что при повышении концентрации S, вначале скорость растет почти линейно (реакция 1-го порядка), но, если мы будем добавлять все больше S, темпы роста скорости падают и, в конце концов, ее рост останавливается, выходит на плато, т. е. скорость больше не зависит от концентрации субстрата (реакция 0-го порядка). Почему так? Ответ прост: наступил момент, когда все молекулы фермента насыщены субстратом (который в избытке), а вступает в реакцию только тот S, который связан с энзимом, остальные молекулы S пассивно висят в растворе и ждут своей очереди. Достигнута максимальная скорость. Бросьте в колбу хоть килограмм субстрата, скорость не изменится (повысить ее можно только одним способом — добавить еще фермента). Этот процесс описывает уравнение Михаэлиса-Ментен: v = vmax [S] / Km + [S], где vmax — максимальная скорость, [S] — концентрация субстрата, а Km — константа Михаэлиса (посмотрите, она есть на графике), это концентрация S, при которой скорость равна половине от максимальной. Все ферменты различаются по активности. Km — важнейшая характеристика, отражающая энергичность конкретного фермента. Чем она меньше, тем активнее фермент. Температура среды — единственный фактор, который влияет на скорость всех, без исключения химических реакций. В обычной реакции зависимость линейная: чем выше температура (t), тем быстрее протекает процесс. Но у ферментов все не так. Посмотрите на график: «Влияние температуры на скорость катализируемой ферментом реакции…» в вашем учебнике. Мы видим, что при повышении t, вначале скорость реакции растет, но в какой-то момент она достигает пика и начинает резко падать до нуля. Это легко объяснить. Любой фермент — белок, и, как белок, он денатурирует (теряет активность) при сильном нагревании. Разве это сложно? Теперь о цифрах. В разных учебниках по биохимии на этом графике приводятся различные цифры (иногда они вообще отсутствуют), поэтому даю максимально приближенные к истине. Их всего две: оптимум (самая высокая точка графика) — 36,6 0С; полное ингибирование (когда кривая падает до 0) — 45 0С. Некоторые энзимы «выключаются» уже при 42 0С, поэтому на медицинских термометрах 42 0С — крайняя точка, температура, которую человек, как правило, не переживает. Это в очередной раз доказывает, что ферменты — основа жизни, и угнетение даже одного из них чревато смертью. Кислотность среды (рН) Энзимы очень чувствительны к изменению кислотности раствора, и при сдвиге рН в ту или иную сторону, они прекращают работать. Идеальной рН для подавляющего большинства ферментов является значение 7,4, хотя они способны функционировать в диапазоне от 6,5 до 8,5. Это показано на графике: «Влияние рН на скорость катализируемой ферментов реакции» в вашем учебнике. Есть исключения. К примеру, пепсин желудка активен в сильнокислой среде (рН 1,5—2,5), а аргиназа — в щелочной (рН около 10,0). Обратите внимание: гомеостаз, постоянство внутренних параметров организма, направлено на оптимальную работу его величества фермента, он первичен, что доказывает сказанное выше. Почему нормальная температура тела человека — 36,6 0С? Да потому, что именно в этих условиях большинство наших энзимов чувствуют себя великолепно. По этой же причине норма рН биологических жидкостей человека равна 7,4. 2. Механизм ферментативных реакцийЕще в начале прошлого века Анри Михаэлис доказал, что в ферментативной реакции обязателен контакт фермента (E) и S, образование фермент-субстратного комплекса: E+S = ES = E+P (продукт), который играет ключевую роль в процессе. В ходе изучения этого вопроса, особого внимания заслуживают две теории механизма ферментативного катализа: а) Теория Фишера (теория «ключа» и «замка»; теория соот- ветствия). Согласно Фишеру, субстрат идеально соответствует активному центру фермента, как ключ соответствует «личинке» своего замка. S входит в активный центр (АЦ), заполняя его. При этом все функциональные группы субстрата вступают в связь с соответствующими группами АЦ. Таким образом, соответствие является как пространственным, так и химическим. б) Теория Кошленда (теория «руки» и «перчатки»; теория индуцированного катализа). По Кошленду, АЦ фермента не полностью соответствует субстрату (как лежащая перчатка не повторяет форму руки), но, как только S приближается к активному центру (рука к перчатке), тот «расправляется», приобретая нужную форму и вступая в связь с S. Мы видим, что в этом случае субстрат выступает как активный реагент, воздействующий на энзим. Какая же из этих теорий верна? Обе. Часть ферментов работают согласно версии Фишера, часть — по Кошленду. Современные представления о механизме ферментативного катализа Согласно современным данным, ферментативная реакция протекает в 4 стадии: 1) E+S = ES; 2) ES = EX; 3) EX = EP; 4) EP = E+P Как видно из схемы, субстрат не сразу становится продуктом реакции (Р), до этого он превращается в Х — переходную форму, где старые связи еще не разрушены, а новые уже начинают образовываться. Весь фокус в постепенности превращения. Нет резких переходов, есть плавное медленное «перетекание» от S к Р, через переходную форму Х. При этом нет нужды в трате больших количеств энергии (как, если бы вы, вместо того, чтобы надрываться, карабкаясь на 5-й этаж по стене, вы не торопясь поднялись бы по лестнице). Именно эта плавность и обеспечивает значительное снижение энергии активации и, следовательно — ускорение реакции. III. РЕГУЛЯЦИЯ ФЕРМЕНТОВ, КЛАССИФИКАЦИЯ 1. Виды регуляцииа) Изменение количества фермента. Т. к. все энзимы — белки, они синтезируются также, как белки — на рибосомах, при участии м-РНК, под управлением ядра. Если клетка «хочет» увеличить концентрацию фермента, в ядре включается ген этого белка, образуется его м-РНК, которая идет в цитоплазму и запускает образование фермента на рибосоме. Если необходимо уменьшить количество Е, его ген блокируется. Как понимаете, этот вид регуляции запускается довольно медленно, но действует долго. б) Изменение активности фермента: — Химическая модификация (в т.ч. проферменты). Модификация — это изменение. Чтобы запустить или выключить фермент, к его молекуле присоединяются (или отщепляются) различные химические группы: фосфат, пептидные участки и др. Пример: профермент пепсиноген превращается в активный пепсин путем отщепления от него крупного пептидного фрагмента. — Аллостерическая регуляция — самый красивый и распространенный тип регуляции. 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 (т. е. фермент с «выключателем»). Теперь вы понимаете, почему не все ферменты являются аллостерическими? Для каждого процесса достаточно одного такого энзима. Эволюционно так сложилось, что в каждом процессе исходные вещества являются активаторами аллостерического фермента, а продукты реакции — выключают (ингибируют) его. Это гармоничная система. 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. Замечу, что во втором семестре вам часто придется сталкиваться с аллостерической регуляцией того или иного процесса, так что обратите особое внимание на этот вопрос. Это поможет. Активаторы — вещества, стимулирующие работу ферментов. Вот и все, собственно. И сказать-то нечего. Поэтому по данному вопросу преподаватель будет требовать примеры. Приведем их: Пепсин + соляная кислота — активируют пепсиноген; Колипаза + желчные кислоты — активируют липазу; Энтерокиназа — активирует трипсиноген; Трипсин — активирует химотрипсиногены и проэластазу. Распространенными активаторами многих энзимов являются ионы двухвалентных металлов: Mg2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Fe2+ и др. Ингибиторы (обозначаются — I) — вещества, замедляющие работу ферментов. Ингибирование делят на необратимое, приводящее к денатурации (кипячение, радиация, кислоты, щелочи и др.) и обратимое, которое, в свою очередь, делят на: а) конкурентные I — имеют три особенности, причем, каждая из последующих является следствием предыдущей. Во-первых, молекула конкурентного ингибитора очень похожа на субстрат, во-вторых, он взаимодействует с активным центром энзима, втретьих, активность ингибирования зависит от концентрации: чем I больше, тем сильнее он подавляет реакцию. Поясню, бывает такое, что чужой ключ, волей случая, настолько сходен с вашим, что его можно вставить в замок, но провернуть не получится. Такие I, подобно S, связываются с АЦ фермента, временно выключая его из реакции. Предположим, что в растворе одинаковое количество I и S, тогда, примерно половина фермента будет связана с конкурентным ингибитором (т. е. — выключена из реакции). И только половина энзима будет работать с субстратом. Во сколько раз снизится скорость реакции в этом случае? Ответ очевиден — в два. Примером конкурентных I являются сульфаниламидные лекарства (норсульфазол, фталазол, бисептол и др.). Они конкурентно вытесняют субстрат — ПАБК1 бактерий из синтеза фолиевой кислоты, необходимой для их размножения. В результате колония микробов угасает, человек выздоравливает. Но следует помнить, что эти лекарства (будучи конкурентными) активны только в высоких концентрациях. Поэтому, при применении сульфаниламидов, в первый день пьют ударную дозу (чтобы достичь нужной концентрации), затем — поддерживающие. б) неконкурентные I имеют те же три особенности, только с противоположным знаком. Во-первых, их молекула не похожа на субстрат, во-вторых, она взаимодействует не с активным центром (чаще — с аллостерическим), в-третьих, активность ингибирования не зависит от концентрации, неконкурентные I активны даже в мизерных дозах. 4. Классификация ферментов по типу реакции: а) оксидоредуктазы — обеспечивают окислительно-восстановительные реакции. Примеры: дегидрогеназы, цитохромы, гидроксилазы; б) трансферазы — катализируют реакции переноса; в) гидролазы — самая распространенная группа, обеспечи- вает реакции гидролиза, распада. Примеры: пептидазы — расщепляют белок, гликозидазы — гидролизуют углеводы; г) лиазы — катализируют реакции отщепления с образовани- ем двойной связи; д) изомеразы — проводят реакции изомеризации, т. е. изме- нения внутри молекулы; е) синтетазы (лигазы) — катализируют реакции синтеза, т. е. образования крупных молекул из более мелких. Важно: они работают только при обеспечении энергией (АТФ и др.). 5. Медицинская энзимологияЭнзимология — наука о ферментах. Медицинская энзимология имеет три направления: а) Энзимопатология — изучает энзимопатии — заболевания, связанные с нарушением работы фермента. Энзимопатии делят на приобретенные (панкреатит) и врожденные, примеры которых приведены ниже: Фенилкетонурия — поломка фермента1, обеспечивающего превращение фенилаланина в тирозин. При этом токсические продукты поражают мозг ребенка, вызывая слабоумие. Единственный способ борьбы с осложнениями — ограничивать употребление продуктов, содержащих фенилаланин. Алкаптонурия — отсутствие фермента, расщепляющего гомогентизиновую кислоту. Это пигмент, придающий темный цвет моче, а в запущенных случаях — кончикам ушей и носа. Альбинизм — поломка одного из ферментов, участвующих в синтезе меланина — покровного пигмента человека, защищающего кожу от ультрафиолета. У альбиносов бледная кожа, белые волосы и розовая радужка (из-за просвечивания сквозь нее сетчатой оболочки глаза). б) Энзимодиагностика — постановка диагноза с помощью ферментов. Имеет два направления: — Определение фермента в крови. В качестве примера рассказываете все об ЛДГ (см. выше). Этого достаточно. — Определение в крови другого вещества с помощью фермента, имеющегося в лаборатории. Пример — иммуноферментный анализ (ИФА). в) Энзимотерапия — лечение с помощью ферментов. Примеры: пищевые ферментативные препараты (Панкреатин, Фестал, Энзистал, Мезим, Креон и др.) — эффективны не только при лечении заболеваний ЖКТ, но и при банальном переедании; гиалуронидаза («Лидаза») — применяется для предотвращения разрастания рубцов; раствор трипсина — для очисти гнойных ран и т. д. |