Субстрат (S) - вещество, химические превращения которого в продукт (Р) катализирует фермент (Е).
S + E --> P, фермент снижает энергию активации; за счет этого реакция ускоряется.
Активный центр фермента - участок поверхности молекулы фермента, непосредственно взаимодействующий с молекулой субстрата. Образован из остатков аминокислот, находящихся в составе различных участков полипептидной цепи или различных полипептидных цепей, пространственно сближенных. Возникает на уровне третичной структуры белка-фермента.
В его пределах различают три области:
1) каталитический центр - область (зона) активного центра фермента, непосредственно участвующая в химических преобразованиях субстрата. Формируется за счет радикалов 2–3 аминокислот, расположенных в разных местах полипептидной цепи фермента, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи. Если фермент - сложный белок, то в формировании каталитического центра нередко участвует простетическая группа молекулы фермента - кофермент (например, все водорастворимые витамины и жирорастворимый витамин K);
2) адсорбционный центр - участок активного центра молекулы фермента, на котором происходит сорбция (связывание) молекулы субстрата. Формируется 1, 2, чаще 3 радикалами аминокислот, расположенными рядом с каталитическим центром. Главная функция - связывание молекулы субстрата и передача этой молекулы каталитическому центру в наиболее удобном положении (для каталитического центра). Сорбция происходит только за счет слабых типов связей и потому обратима. По мере формирования этих связей происходит конформационная перестройка адсорбционного центра, которая приводит к более тесному сближению субстрата и активного центра фермента, более точному соответствию между их пространственными конфигурациями. Именно структура адсорбционного центра определяет субстратную специфичность фермента;
3) аллостерические центры - такие участки молекулы фермента вне его активного центра, которые способны связываться слабыми типами связей (значит - обратимо) с тем или иным веществом (лигандом). Это связывание приводит к такой конформационной перестройке молекулы фермента, которая распространяется и на активный центр, облегчая либо затрудняя (замедляя) его работу. Соответственно такие вещества называются аллостерическими активаторами, или аллостерическими ингибиторами данного фермента. Аллостерические центры найдены не у всех ферментов.
-
Строение ферментов фермент (Е). -
Строение ферментов . Субстрат (S) - вещество, химические превращения которого в продукт (Р) катализирует фермент . (Ферменты как биологические катализаторы. -
Субстратная специфичность - способность фермента катализировать превращения только одного определенного субстрата или же группы сходных по строению субстратов. -
Разберем их строение на примере молекулы IgG.
Классификация белков-ферментов плазмы крови: 1) ферменты плазмы - выполняют специфичные метаболические функции в плазме. -
Строение молекулы белка. макромолекулы белка имеют вид шариков (глобул). каждому
Номенклатура и классификаия ферментов ,В настоящее время известно более 2400 ферментов . -
Строение ядра: В состав ядра входит ядерная оболочка(нуклеоплазма) содержащая хроматин и ядрышки.
Нуклеоплазма содержит белки, ферменты , нуклеотиды, ионы и т.д. Функции ядра... -
Используя знания о строении и функциях пищеварительной системы, раскройте роль ферментов в пищеварении, назовите профилактику пищевых отравлений, кишечных инфекций.
ФЕРМЕНТЫ
Функции ферментов сводятся к ускорению химических реакций, причем ферменты отличаются от других катализаторов тремя уникальными свойствами:
∙ высокой эффективностью действия;
∙ специфичностью действия;
∙ способностью к регуляции;
Тип катализируемой реакции |
||||||
Оксидоредуктазы |
Окислительно- |
|||||
восстановительные реакции. |
||||||
Перенос отдельных групп атомов |
||||||
Трансферазы |
донорной |
молекулы |
||||
акцепторной молекуле. |
||||||
Гидролазы |
Гидролитическое (с |
участием |
||||
воды) расщепление связей. |
||||||
Расщепление |
способом, |
|||||
отличным от |
гидролиза |
|||||
окисления. |
||||||
Изомеразы |
Взаимопревращение |
различных |
||||
изомеров. |
||||||
Образование |
в реакции |
|||||
Лигазы (синтетазы) |
конденсации |
различных |
||||
соединений |
(используется |
|||||
энергия АТР). |
||||||
В живой клетке множество разнообразных соединений, но реакции между ними не беспорядочны, а образуют строго определенные метаболические пути, характерные для данной клетки. Индивидуальность клетки в большой степени определяется уникальным набором ферментов, который она генетически запрограммирована производить. Отсутствие даже одного фермента или какой-нибудь его дефект могут иметь очень серьезные отрицательные последствия для организма.
Кофакторы ферментов
Все ферменты относятся к глобулярным белкам, причем каждый фермент выполняет специфическую функцию, связанную с присущей ему глобулярной структурой. Однако активность многих ферментов зависит от небелковых соединений, называемых кофакторами. Молекулярный комплекс белковой части (апофермента) и кофактора называется холоферментом. Роль кофактора могут выполнять ионы металлов (Zn2+ , Mg2+ , Mn2+ , Fe2+ , Cu2+ , K+ , Na+ ) или сложные органические соединения. Органические кофакторы обычно называют коферментами, некоторые из них являются производными витаминов. Тип связи между ферментом и коферментом может быть различным. Иногда они существуют отдельно и связываются друг с другом во время протекания реакции. В других случаях кофактор и фермент связаны постоянно и иногда прочными ковалентными связями. В последнем случае небелковая часть фермента называется простетической группой.
Некоторые коферменты
Кофермент |
Общая роль |
||||||
предшественник |
|||||||
NAD+ , NADP+ |
водорода |
Никотиновая кислота - |
|||||
(электронов) |
витамин РР |
||||||
водорода |
Рибофлавин - витамин |
||||||
(электронов) |
|||||||
Кофермент А |
Активация и |
Пантотеновая кислота |
|||||
ацильных групп |
||||||
Связывание СО2 |
||||||
Пиридоксальфосфат |
Перенос аминогрупп |
Пиридоксин - витамин |
||||
Тетрагидрофолиевая |
||||||
одноуглеродных |
Фолиевая кислота |
|||||
фрагментов |
||||||
Роль кофактора в основном сводится к следующему:
∙ изменение третичной структуры белка и создание комплементарности между ферментом и субстратом;
∙ непосредственное участие в реакции в качестве еще одного субстрата.
В этой роли обычно выступают органические коферменты. Их участие в реакции иногда сводится к тому, что они выступают как доноры или акцепторы определенных химических групп.
Механизмы действия ферментов
Первоначальным событием при действии фермента является его специфическое связывание с лигандом - субстратом (S). Это происходит в области активного центра, который формируется из нескольких специфических R-групп аминокислот, определенным образом ориентированных в пространстве.
Важнейшие аминокислотные остатки в активном центре лизоцима
У некоторых ферментов в активном центре располагается и кофактор. Одни R- группы активного центра принимают участие в связывании субстрата, другие - в катализе. Некоторые группы могут делать и то, и другое. Детальный механизм действия каждого фермента уникален, но есть общие черты в «работе» ферментов, которые заключаются в следующем: высокая избирательность действия фермента обеспечивается тем, что субстрат связывается в активном центре фермента в нескольких точках и это исключает ошибки; активный центр располагается в углублении (нише) поверхности фермента и имеет комплементарную субстрату конфигурацию. В результате субстрат окружается функциональными группами активного центра фермента и изолируется от водной среды. Связывание субстрата с ферментом часто вызывает конформационные изменения, что ведет к правильному (оптимальному) расположению аминокислотных остатков, требуемому для протекания катализа, и тем самым увеличивает специфичность фермент-
субстратного взаимодействия (индуцированное соответствие). Так как максимальная активность фермента обусловлена оптимальной конформацией молекулы фермента в целом и активного центра в частности, то даже небольшие изменения окружающих условий, которые затрагивают связывание субстрата или конформацию третичной структуры белка, будут влиять на скорость ферментативной реакции. Например, изменение рН приводит к изменению степени ионизации ионогенных групп фермента и, следовательно, ведет к перераспределению межрадикальных связей в третичной структуре. Оптимальное рН для каждого фермента означает некоторое оптимальное состояние его ионизации, соответствующее наилучшей комплементарности. Изменение температуры вызывает противоречивый эффект: с одной стороны, при повышении температуры до 37 - 40о скорость ферментативной реакции увеличивается, что закономерно для катализа; с другой стороны, при температуре более 50о начинается денатурация фермента.
Кинетика ферментативных реакций определяется образованием ферментсубстратного комплекса:
Где Е - фермент, S - субстрат, ES - ферментсубстратный комплекс, реакция образования которого обратима и характеризуется константами К1 и К-1 соответственно.
Распад фермент-субстратного комплекса протекает по уравнению первого порядка, он практически необратим и характеризуется константой скорости К2. Эта стадия процесса является более медленной, т.е. лимитирующей. Начальная скорость (Vo). При обычных условиях, когда [S] >> [E], начальная скорость прямо пропорциональна концентрации фермента. Максимальная скорость (Vmax). При фиксированной концентрации фермента, скорость реакции стремится к конечному максимальному значению, в то время как концентрация субстрата растет. Насыщение фермента субстратом наступает, когда весь фермент включен в фермент-субстратный комплекс. Константа Михаэлиса (Km). В случае, когда все активные центры заняты, и свободные молекулы фермента отсутствуют, Vo=Vmax. При таком условии говорят о 100% насыщении. При 50% насыщении, когда Vo=1/2 Vmax из уравнения Михаэлиса - Ментен следует: Vmax / 2 = Vmax [S] / Km + [S], или в преобразованном виде: Km + [S] = 2 [S]; Km = [S]. Следовательно, Km имеет размерность концентрации. Таким образом, Кm – это такая концентрация субстрата, которая необходима для связывания половины имеющегося фермента и достижения половины максимальной скорости. Из этого определения следует, что Km можно использовать для оценки сродства фермента по отношению к данному субстрату. Оценить субстратную специфичность можно по такому правилу: чем ниже значение Km, тем лучше (предпочтительнее) субстрат для данного фермента. Km и Vmax - кинетические параметры, отражающие механизмы действия фермента.
Кинетика ферментативных реакций
Vmax отражает эффективность действия фермента. Для сравнения каталитической активности различных ферментов необходимо выразить Vmax через количество каждого фермента. Такое преобразование приводит к величине, которую называют молярной активностью (или числом оборотов фермента). Она выражается числом моль субстрата, реагирующего с одним моль фермента за единицу времени. Активность фермента можно выразить также в единицах (ед. или Е) активности. Одна единица катализирует превращение субстрата со скоростью1 мкмоль /мин. Удельная активность - это активность в единицах, отнесённая к 1 мг белка.
Ингибиторы ферментов
Действие ферментов можно полностью или частично подавить (ингибировать) определенными химическими веществами (ингибиторами). По характеру действия ингибиторы могут быть обратимыми и необратимыми. В основе этого деления лежит прочность соединения ингибитора с ферментом. Другой способ деления ингибиторов основывается на характере места их связывания. Одни из них связываются с ферментом в активном центре, а другие - в удаленном от активного центра месте. Они могут связывать и блокировать функциональную группу молекулы фермента, необходимую для проявления его активности. При этом они необратимо, часто ковалентно, связываются с ферментом или фермент - субстратным комплексом и необратимо изменяют нативную конформацию. Это, в частности, объясняет действие Hg2+ , Pb2+ , соединений мышьяка. Ингибиторы такого рода могут быть полезны при изучении природы ферментативного катализа. Например, диизопропилфторфосфат ингибирует ферменты, имеющие серин в активном центре. Таким ферментом является ацетилхолинэстераза, катализирующая следующую реакцию:
Реакция происходит каждый раз после проведения нервного импульса, прежде чем второй импульс будет передан через синапс. Диизопропилфторфосфат - одно из отравляющих веществ нервно-паралитического действия, так как приводит к утрате способности нейронов проводить нервные импульсы.
Действие диизопропилфторфосфата на фермент
Терапевтическое действие аспирина как жаропонижающего и противовоспалительного средства объясняется тем, что аспирин ингибирует один из ферментов, катализирующий синтез простагландинов (ПГ). Простагландины - вещества, участвующие в развитии воспаления. Ингибирование обусловлено ковалентной модификацией одной из аминогрупп фермента - простагландинсинтетазы.
Взаимодействие аспирина с ферментом простагландинсинтетазой
Обратимые ингибиторы. Существует два типа подобных ингибиторов - конкурентные и неконкурентные. Конкурентный ингибитор конкурирует с субстратом за связывание с активным центром. Это происходит потому, что ингибитор и субстрат имеют сходные структуры:
Конкурентное ингибирование: S- субстрат, I- ингибитор (своей трехмерной структурой похож на субстрат).
В отличие от субстрата связанный с ферментом конкурентный ингибитор не подвергается ферментативному превращению. Более того, образование EI уменьшает число молекул свободного фермента, и скорость реакции снижается. Связывание S и I происходит взаимоисключающим образом. Образуется либо ES, либо EI, но не EIS. Так как конкурентный ингибитор обратимо связывается с ферментом, то можно сдвинуть
равновесие реакции E + I ↔ EI влево простым увеличением концентрации субстрата. Конкурентными ингибиторами являются многие химиотерапевтические средства. Например, сульфамидные препараты, используемые для лечения инфекционных болезней. Сульфаниламиды – это структурные аналоги парааминобензойной кислоты, из которой в клетке микроорганизма синтезируется кофермент (Н4 - фолат), участвующий в биосинтезе нуклеиновых оснований. Нарушение синтеза нуклеиновых кислот приводит к гибели микроорганизмов.
Неконкурентное обратимое ингибирование не может быть ослаблено или устранено повышением концентрации субстрата, так как эти ингибиторы присоединяются к ферменту не в активном центре, а в другом месте.
E + S ↔ ES → E + P; E + I ↔ EI; ES + I → ESI. Неконкурентное обратимое ингибирование
Связывание приводит к изменению конформации фермента и нарушению комплементарности к субстрату. Неконкурентные ингибиторы могут обратимо связываться как со свободным ферментом, так и с комплексом ES. Наиболее важными неконкурентными ингибиторами являются образующиеся в живой клетке промежуточные продукты метаболизма, способные обратимо связываться с определенными участками ферментов (аллостерические центры) и изменять их активность, что является одним из способов регуляции метаболизма. Исследование действия ингибиторов используется при изучении механизма действия фермента, кроме того, помогает в поисках более эффективных лекарственных средств, так как лечебное действие многих лекарств обусловлено тем, что они являются ингибиторами определенных ферментов. Структурные аналоги коферментов тоже могут быть ингибиторами. Кинетические тесты позволяют отличить конкурентное ингибирование от неконкурентного.
Зависимость I/V от I/S. 1 - без ингибитора, 2 - в присутствии ингибитора (а - конкурентное; б - неконкурентное ингибирование)
Регуляция действия ферментов
В живой клетке скорость ферментативных реакций находится под строгим контролем, что позволяет каждой метаболической цепочке реакций постоянно изменяться, приспосабливаясь к меняющимся потребностям клетки в продукте.
Метаболическая цепь: А, В, С, D - метаболиты, Е1, Е2, Е3, Е4 - ферменты
В каждой метаболической цепи есть фермент, который задает скорость всей цепочке реакций. Он называется регуляторным ферментом. Существует несколько способов регуляции действия ферментов:
∙ изменение активности фермента при его постоянной концентрации;
∙ изменение концентрации фермента, обычно в результате ускорения (индукции) или торможения (репрессии) синтеза фермента;
Основные способы регуляции активности ферментов
Аллостерическая регуляция . Фермент изменяет активность с помощью
нековалентно связанного с ним эффектора. Связывание происходит в участке, пространственно удаленном от активного (каталитического) центра. Это связывание вызывает конформационные изменения в молекуле белка, приводящие к изменению определенной геометрии каталитического центра. Активность может увеличиться - это активация фермента, или уменьшиться - это ингибирование.
Аллостерическая активация фермента
«Сообщение» о присоединении аллостерического активатора передается посредством конформационных изменений каталитической субъединице, которая становится комплементарной субстрату, и фермент «включается». При удалении активатора фермент вновь переходит в неактивную форму и «выключается». Аллостерическая регуляция является основным способом регуляции метаболических путей.
Регуляция активности ферментов путем фосфорилированиядефосфорилирования . Фермент изменяет активность в результате ковалентной модификации.
Регуляция активности липазы
В этом случае фосфатная группа - ОРО 3 2- присоединяется к гидроксильным группам
в остатках серина, треонина или тирозина. В зависимости от природы фермента фосфорилирование может его активировать или, наоборот, инактивировать. Реакция присоединения фосфатной группы и ее отщепление катализируют специальные ферменты - протеинкиназы и протеинфосфатазы.
Регуляция путем ассоциации-диссоциации субъединиц в олигомерном ферменте.
Этот процесс иногда начинается с ковалентной или нековалентной модификации одной из субъединиц. Например, фермент протеинкиназа в неактивной форме построена как тетрамер R2C2 (R и С - разные субъединицы). Активная протеинкиназа представляет собой субъединицу С, для освобождения которой необходима диссоциация комплекса. Активация фермента происходит при участии cAMP (циклоаденозинмонофосфорная кислота), которая способна присоединиться к субъединице R, после чего изменяется конформация, комплементарность субъединиц R и С и происходит диссоциация комплекса: R2C2 + 2cАМР 2С + 2(R -сАМР) Циклический АМР является продуктом АТР, превращение которой катализирует фермент аденилатциклаза: АТРс АМР + Н4 Р2 О7
Аденилатциклазная система . Аденилатциклаза и протеинкиназа катализируют взаимосвязанные реакции, которые составляют единую регуляторную систему.
Аденилатциклазная система
С помощью этой системы в клетку передаются сигналы из внеклеточной среды, и в нужном направлении изменяется метаболизм клетки. Внеклеточным вестником сигнала могут быть разные молекулы, в том числе и гормоны. Эти молекулы не проникают внутрь клетки, но «узнаются» мембранными рецепторами. При активации аденилатциклазы происходят следующие этапы:
∙ изменение конформации рецептора после присоединения к нему сигнальной молекулы и увеличение его сродства к регуляторному G-белку. В результате образуется комплекс рецептора и протомеров G-белка;
∙ образование этого комплекса приводит к изменению конформации a -протомера G- белка, который теряет сродство к GDP и происходит замена GDP на GTP. В результате комплекс протомеров G-белка распадается;
∙ a -протомер взаимодействует с аденилатциклазой, что ведет к изменению ее конформации и как следствие этого - активации;
∙ после этого аденилатциклаза катализирует синтез cAMP, который в свою очередь активирует cAMP-зависимую протеинкиназу. Активация последней связана с диссоциацией комплекса входящих в нее протомеров после присоединения cAMP. Протеинкиназа фосфорилирует соответствующие ферменты, изменяет их активность и, следовательно, скорость метаболизма в клетке.
Активация ферментов путем частичного протеолиза. Некоторые ферменты
синтезируются первоначально неактивными и лишь после секреции из клетки переходят в активную форму. Неактивный предшественник называется проферментом. Активация профермента включает модификацию первичной структуры с одновременным изменением конформации. Например, трипсиноген, синтезированный в поджелудочной железе, затем в кишечнике превращается в трипсин путем удаления фрагмента с N-конца: энтеропептидаза трипсиногентрипсин + Val-(Acn) -Lys Расщепление определенных пептидных связей «запускает» новые взаимодействия R-групп по всей молекуле, приводя к новой конформации, в которой R-группы активного центра занимают оптимальное положение для катализа. Нарушения структуры какого-либо фермента, ведущие к снижению его активности, приводят к нарушению метаболических путей, в которых участвует этот фермент. Такие нарушения почти всегда проявляются как болезни. Повреждения ферментов бывают двух типов: наследственные дефекты строения фермента и повреждения, вызванные попадающими в организм токсическими веществами, ингибирующими фермент.
Ферменты (энзимы) — это высокоспецифичные белки, выполняющие функции биологических катализаторов. Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само в ходе этой реакции не расходуется. Условия необходимые для химического взаимодействия молекул, чтобы произошла химическая реакция: молекулы должны сблизиться (столкнуться). Но не всякое столкновение приводит к взаимодействию; необходимо, чтобы это столкновение стало эффективным — завершилось …
Катализаторы сами не вызывают химическую реакцию, а только ускоряют реакцию, которая протекает и без них. Не влияют на энергетический итог реакции. В обратимых реакциях катализаторы ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, причем в одинаковой степени, из чего следует, что катализаторы: не влияют на направленность обратимой реакции, которая определяется только соотношением концентраций исходных веществ (субстратов) …
Ферменты обладают всеми общими свойствами обычных катализаторов. Но, по сравнению с обычными катализаторами, все ферменты являются белками. Поэтому они обладают особенностями, отличающими их от обычных катализаторов. Эти особенности ферментов, как биологических катализаторов, иногда называют общими свойствами ферментов. К ним относится следующее. Высокая эффективность действия. Ферменты могут ускорять реакцию в 108-1012 раз. Высокая избирательность ферментов к …
Субстратом (S) называют вещество, химические превращения которого в продукт (Р) катализирует фермент (Е). Тот участок поверхности молекулы фермента, который непосредственно взаимодействует с молекулой субстрата, называется активным центром фермента. Активный центр фермента образован из остатков аминокислот, находящихся в составе различных участков полипептидной цепи или различных полипептидных цепей, пространственно сближенных. Образуется на уровне третичной структуры белка-фермента. В …
Различают два главных вида специфичности ферментов: субстратную специфичность и специфичность действия. Субстратная специфичность, это способность фермента катализировать превращения только одного определенного субстрата или же группы сходных по строению субстратов. Определяется структурой адсорбционного участка активного центра фермента. Различают 3 типа субстратной специфичности: абсолютная субстратная специфичность — это способность фермента катализировать превращение только одного, строго определенного субстрата; …
I класс — оксидоредуктазы К данному классу относятся ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. При окислении может происходить либо отнятие водорода от окисляемого вещества, либо присоединение кислорода к окисляемому веществу. В зависимости от способа окисления различают следующие подклассы оксидоредуктаз: дегидрогеназы. Катализируют реакции, при которых происходит отнятие водорода от окисляемого вещества; оксигеназы. Ферменты этого подкласса катализируют включение кислорода …
Любая ферментативная реакция протекает через ряд промежуточных стадий. Различают три основных этапа ферментативного катализа. 1 этап. Ориентировочная сорбция субстрата на активном центре фермента с образованием обратимого E-S комплекса (фермент-субстратного). На этом этапе происходит взаимодействие адсорбционного центра фермента с молекулой субстрата. При этом и субстрат подвергается конформационной перестройке. Все это происходит за счет возникновения слабых типов …
Любая химическая реакция характеризуется, кроме принципиальной возможности ее протекания (обусловленной законами термодинамики), скоростью процесса. Скорость ферментативной реакции — изменение [S] или [P] в единицу времени. Измерив ее скорость, т. е. скорость в присутствии фермента, мы должны измерить скорость реакции и в отсутствии фермента (спонтанно протекающая реакция). Именно эта разность и характеризует работу фермента. Измеряя скорость …
Ферменты.
Ферменты – органические вещества белковой природы являющиеся биологическими катализаторами.
По химической природе – глобулярные белки ускоряют химические реакции в тысячи раз
Открыл Константин Кирхгоф, 1814г (превращал крахмал в сахар под действием амилазы) Некоторые ферменты состоят только из белков, но большинство кроме белковой части (апофермента) имеют и не белковый компонент (ко фактор). Ко фактором могут быть неорганические ионы или органические соединения. Если белковая часть фермента слабо связана с ко фактором и фермент активируется только при присоединении этой части, то ко фактор называют ко ферментом. Часто ко ферментом являются нуклеотиды и витамины, молекулы всех ферментов имеют 1 или несколько активных центров. Активным центром присоединяется к субстрату, остальная часть фермента служит для подержания структуры активного центра. В состав активного центра входят ко факторы и ко ферменты.
Действие фермента в клетке всегда строго согласовано происходит в определенной последовательности по принципу «ключа и замка».
1 Классификация ферментов.
1 Оксидоредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции (оксидазы, дегидрогеназы, пироксидазы)
2 Трансферазы – катализируют перенос атомных групп с одной молекулы на другую (аминотрансферазы – перенос NH2 группы при переаминировании аминокислот).
3 Гидролазы – ускоряют гидролиз (амилазы, липазы).
4 лиазы – ускоряют негидролитический распад по связям С-С, С-О (декарбоксилаза отщепляет СО2 от ПВК с образованием уксусного альдегида).
5 изомеразы – ускоряют превращение изомеров.
6 лигазы (синтетазы).
Классы подразделяются на подклассы и подподклассы. Каждый извлеченный фермент имеет свой шифр, содержащий 4 числа. Первая цифра указывает класс, вторая – подкласс, третья – подподкласс и четвертая указывает порядковый номер в подподклассе.
Пример: шифр 3.5.3.1.
3 подкласс гидролаз; 5 действующая на C-N связи; 3 расщепляющий эти связи в линейных, а не циклических соединениях.
2 механизмы катализа. Кинетика и регуляция ферментативных реакций.
Механизм действия ферментов:
Фермент + Субстрат---Субстрат комплекс---Фермент + Продукт реакции
В основе механизма лежит образование промежуточного фермент-субстратного комплекса, в котором вещество связано с активным центром фермента при образовании комплекса, молекула субстрата подвергается деформации, электрическое поле фермента меняет пространственную конфигурацию субстрата. Происходит перераспределение полярности, электронной плотности, связи субстрата разрыхляются, прочность снижается. Ферментный субстрат комплекс становится не стабильным превращаясь в комплекс ферментов - продукт, в котором продукт уже не соответствует активному центру и комплекс распадается на ферменты и продукты реакции.
3 Энергия активации.
Минимальное количество энергии которой должна обладать частица для того чтобы произошла химическая реакция называют Энергией активации. Чем больше эта энергия, тем меньше скорость реакции. Активация происходит при нагревании, поглощении лучистой энергии столкновения с возбужденными частицами, увеличение плотности в живых организмах, большие колебания температуры и плотности невозможны, поэтому энергетический барьер снижают ферменты, понижая энергию активации они увеличивают скорость реакции до 1012 раз.
4 Единицы измерения активности ферментов.
Ускорение реакции при участии ферментов очень велико, измеряется числом оборотов - числом молей субстрата, превращающих за 1 минуту 1 молем ферментов.. так число оборотов у альфа мелазы 40 тыс., изомеразы 500 тыс., каталазы 5млн.
Для оценки активности ферментативных препаратов используют понятие Молекула активации – число молекул субстрата превращаемых за 1 минуту 1 молекулой фермента. За стандартную единицу, для любого фермента, принимается такое количество ферментов, которое катализирует превращение1 микро моля субстрата за 1 минуту при оптимальных условиях(обычно 30 0С, оптимальная PH, оптимальная концентрация субстрата)
5 Зависимость скорости реакции от температуры и реакции среды.
1 от температуры.
Влияние температуры может быть выражено через температурный коэффициент Q10
Q10 =скорость реакции при (х+10)0С/скорость реакции при х ОС
В приделах интервала от 0-25-35 ОС Q10 = 2-3. при дальнейшем повышении температуры скорость увеличивается, и после достижения температурного порога, различного для каждого фермента, скорость начинает быстро падать. За пределами этого порога скорость снижается не смотря на увеличение частоты столкновения молекул. Причина – разрушение структуры белковой части ферментов (денатурация).
Чувствительность фермента к высокой температуре называют Термолабильность . Понижение температуры вызывает постепенную инактивацию фермента без его денатурации.
2 реакция среды.
При оптимальной температуре любой фермент наиболее эффективно работает в узких пределах PH. Большинство ферментов наиболее активны при PH=7, т. е. нейтральной среде. Даже незначительный сдвиг PH изменяет заряд ионизированных кислотных и основных групп, как самого фермента так и субстрата.
От резких сдвигов PH фермент может денатурировать.
Внутриклеточная PH всегда оптимальна для фермента, тем самым путем изменения клеткам удается регулировать активность ферментов.
6 Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента и субстрата.
1 концентрация фермента.
При увеличении количества ферментов скорость реакции повышается до того предела, который характеризуется количеством субстрата доступным действию ферментов. Ф оптимальных условиях скорость реакции пропорциональна концентрации ферментов. Многие ферменты могут не проявлять своей максимальной активности в клетках только из-за нехватки соответствующего субстрата.
2 концентрация субстрата.
При постоянной концентрации фермента увеличивается количество субстрата, что приводит в начале к быстрому, а затем более медленному росту скорости реакции, пока не достигается максимальная скорость, которая почти не изменяется при дальнейшем увеличении концентрации субстрата.
Скорость не изменяется так как активные центры фермента оказываются насыщенными субстратом в любой момент времени. Данная зависимость описывается уравнением Михаэлиса-Ментен.
Е+S---ЕS---Е+Р
V – скорость реакции;
Vmax – максимальная скорость реакции при бесконечно большой концентрации субстрата;
S – концентрация субстрата, моль/л;
Km – константа Михаэлиса-Ментен соответствующая концентрации субстрата при которой скорость реакции равна половине максимума;
Km - константа диссоциации комплекса фермента + субстрата: чем меньше диссоциация ферментного субстратного комплекса, тем выше скорость реакции.
7 Ингибиторы ферментативных реакций.
Ингибиторы - Вещества подавляющие действие ферментов.
Делятся на 2 класса:
1 общие ингибиторы (соли тяжелых металлов, свинца, ртути, вольфрама и серебра; трихлоруксусная кислота) эти соединения вызывают денатурацию белка, подавляют действие всех ферментов.
2 специфические – действуют на одну группу ферментативных реакций или группу близких реакций. Действие основано на специальном связывании с определенными химическими группировками в активном центре фермента. Все их делят на конкурентные и не конкурентные ингибиторы.
Конкурентное ингибирование.
Происходит когда ингибитор близок по своей структуре к обычному субстрату данного фермента. Сам ингибитор не может прореагировать, однако занимая активный центр преграждает к нему доступ настоящего субстрата.
В цикле Кребса фермент сукцинамдегидрогеназы катализирует окисление янтарной кислоты до фумаровой кислоты. Однако если в среду попадает малоновая кислота, то скорость окисления резко падает. Причина – близость по структуре этих кислот окислять.
Малоновую кислоту фермент не может и данный комплекс какое то время существует, т. е. происходит конкуренция кислот за активный центр фермента, при введении в среду большого количества янтарной кислоты повышается вероятность попадания в активный центр настоящего субстрата, а не ингибитора.
Не конкурентное ингибирование.
Как правило такое ингибирование не обратимо. Ингибиторы данного рода неродственны по структуре субстрату и в образовании комплекса с ферментом они занимают не активный центр, а другую часть молекулы фермента. При этом глобулярная структура фермента изменяется, изменяется полярность, и хотя субстрат присоединяется к активному центру реакция не происходит. Пример: цианид действует на ферменты дыхания (цитохромоксидазу) связываясь с входящими в ее состав ионами меди, реакция подавляется, дыхание прекращается, клетки погибают очень быстро.
8Активаторы ферментативных реакций. Активация и ингибирование по принципу обратной связи.
Активаторами часто являются ионы и соединения (К+, Са2+ ,СО2+ и др). Для пероксидазы и каталазы – Fe, для липазы –Са, для амилазы - CL. Многие ферменты вырабатываются клетками в не активной форме – проферменты. Переход проферментов в активные формы происходит под действием активаторов, механизм действия различный, в одних случаях активатор освобождает активные центры ферментов от ингибитора, в других – присоединяясь к белку изменяет его структуру, чем активирует активный центр. В третьих облегчает образование фермент-субстратного комплекса, когда конечный продукт начинает накапливаться, он сам может оказывать каталитические действия. Так небольшое количество пепсинов может стать катализатором превращения пепсиногена в пепсин.
Данный вид активации называют активным по принципу обратной связи или автоактивации.
Продукты реакции могут не только активировать, но и ингибировать ферментативный процесс, такое явление называют Ингибированием по принципу отрицательной обратной связи.
Так фермент фосфофруктокеназа участвует в реакциях гликолиза, ингибируется если концентрация АТФ высокая. Если уровень метаболизма высокий и качество АТФ понижается, то активность фермента восстанавливается.
9 Регуляция метаболизма. Мульти ферментные комплексы.
В типичной клетке более 500 ферментов, их активность и концентрация все время изменяется. Регуляция и согласованность процесса метаболизма обусловлены специфическим действием метаболизма, их пространственной организации и функциональности взаимодействия с клеткой компонентами.
Перечисленные особенности четко прослеживают существующих в клетках 2 типах метаболических путей:
1 линейный – некоторые ферменты действуют организованно будучи объединенными друг с другом в мульти ферментные комплексы, обычно эти комплексы связаны с мембраной. линейные расположения создают возможность саморегуляции путем ингибирования по принципу отрицательной обратной связи, т. е. скорость реакции зависит от концентрации конечного продукта.
Такая тесная связь понижает до минимума воздействие других реакций. Каждый фермент связан с соседними и продукт одного из них становится субстратом для следующего.
2 разветвленный метаболический путь.
Такой путь может привести к разным конечным продуктам и какой из них образуется зависит от условий существующих в клетке на данный момент. Регуляция образования конечного продукта осуществляется ингибированием по принципу обратной связи. Здесь также действуют мульти-ферментные системы, но ферменты находятся в растворе и тесно друг с другом не связаны.
Такую систему можно встретить в матриксе митохондрий, где происходят реакции цикла Кребса. Продукты некоторых реакций могут изыматься из ц. Кребса.
Свойства ферментов
1. Зависимость скорости реакции от температуры
Зависимость активности ферментов (скорости реакции) от температуры описывается колоколообразной кривой с максимумом скорости при значениях оптимальной температуры для данного фермента . Повышение скорости реакции при приближении к оптимальной температуре объясняется увеличением кинетической энергии реагирующих молекул.
Зависимость скорости реакции от температуры
Закон о повышении скорости реакции в 2-4 раза при повышении температуры на 10°С справедлив и для ферментативных реакций, но только в пределах до 55-60°С, т.е. до температур денатурации белков. При понижении температуры активность ферментов понижается, но не исчезает совсем.
Как исключение, имеются ферменты некоторых микроорганизмов, существующих в воде горячих источников и гейзеров, у них оптимум температуры приближается к точке кипения воды. Примером слабой активности при низкой температуре может служить зимняя спячка некоторых животных (суслики, ежи), температура тела которых понижается до 3-5°С. Это свойство ферментов также используется в хирургической практике при проведении операций на грудной полости, когда больного подвергают охлаждению до 22°С.
Ферменты могут быть очень чувствительны к изменению температуры:
- у сиамских кошек мордочка, кончики ушей, хвоста, лапок черного цвета. В этих областях температура всего на 0,5°С ниже, чем в центральных областях тела. Но это позволяет работать ферменту, образующему пигмент в волосяных луковицах, при малейшем повышении температуры фермент инактивируется,
- обратный случай - при понижении температуры окружающего воздуха у зайца-беляка пигментообразующий фермент инактивируется и заяц получает белую шубку,
- противовирусный белок интерферон начинает синтезироваться в клетках только при достижении температуры тела 38°С,
Бывают и уникальные ситуации:
- для большинства людей повышение температуры тела на 5°С (до 42°С) несовместимо с жизнью из-за дисбаланса скорости ферментативных реакций. В то же время у некоторых спортсменов обнаружено, что при марафонском беге их температура тела составила около 40°С, максимальная зарегистрированная температура тела была 44°С.
2. Зависимость скорости реакции от рН
Зависимость также описывается колоколообразной кривой с максимумом скорости при оптимальном для данного фермента значении рН.
Данная особенность ферментов имеет существенное значение для организма в его адаптации к изменяющимся внешним и внутренним условиям. Сдвиги величины рН вне- и внутри клетки играет роль в патогенезе заболеваний, изменяя активность ферментов разных метаболических путей.
Для каждого фермента существует определенный узкий интервал рН среды, который является оптимальным для проявления его высшей активности. Например, оптимальные значения рН для пепсина 1,5-2,5, трипсина 8,0-8,5, амилазы слюны 7,2, аргиназы 9,7, кислой фосфатазы 4,5-5,0, сукцинатдегидрогеназы 9,0.
Зависимость скорости реакции от величины pH
Зависимость активности от кислотности среды объясняется наличием аминокислот в структуре фермента, заряд которых изменяется при сдвиге рН (глутамат, аспартат, лизин, аргинин, гистидин). Изменение заряда аминокислот приводит к изменению их взаимодействия друг с другом при формировании третичной структуры белковой молекулы, изменению заряда белка и появлению другой конфигурации активного центра и, следовательно, субстрат связывается или не связывается с активным центром.
Изменение активности ферментов при сдвиге рН может нести и адаптивные функции. Так, например, в печени ферменты глюконеогенеза требуют меньшей рН, чем ферменты гликолиза , что удачно сочетается с закислением жидкостей организма при голодании или физической нагрузке.
Для большинства людей сдвиги величины рН крови за пределы 6,8-7,8 (при норме 7,35-7,45) несовместимы с жизнью из-за дисбаланса скорости ферментативных реакций. В то же время у некоторых марафонцев обнаружено снижение рН крови в конце дистанции до 6,8-7,0. И ведь при этом они сохраняли работоспособность!
3. Зависимость от количества фермента
При увеличении количества молекул фермента скорость реакции возрастает непрерывно и прямо пропорционально количеству фермента, т.к. большее количество молекул фермента производит большее число молекул продукта.
