Ферменты. 12
Введение:
Темы «Ферменты» и «Определение активности ферментов» мною выбрана не случайно, так как в последнее время в качестве лекарственных средств стали широко применять препараты, оказывающие направленное влияние на ферментные процессы организма. Как известно в нашем организме действует много ферментов, которые способствуют осуществлению обменных процессов (дыхание, пищеварение, мышечное сокращение, фотосинтез), которые и определяют сам процесс жизни. Поэтому препараты стали широко применяться при лечении заболеваний, сопровождающихся гнойно-некротическими процессами, при тромбозах и тромбоэмболиях, нарушениях процессов пищеварения. Ферментные препараты стали находить также применение при лечении онкологических заболеваний.Ферменты играют немаловажную роль и в проведении многих технологических процессов. Ферменты высокого качества позволяют улучшить технологию, сократить затраты и даже получить новые продукты.
В настоящее время ферменты применяются более чем в 25 отраслях промышленности: это и пищевая промышленность, и фармацевтическая, целлюлозно-бумажная, лёгкая, а так же в сельском хозяйстве.Целью моего реферата является: подробное исследование понятий фермента и ферментативного катализа (биокатализа).
В этой связи мне стало интересно узнать историю появления первых ферментов, особенности строения, их свойства, классификацию, принцип действия, методы выделения ферментов.
Основные свойства ферментов. Олигодинамичность и обратимость действия ферментов. Влияние концентрации фермента и субстрата, температуры и рН среды на скорость ферментативной реакции.
Ферменты — биологические катализаторы
белковой природы. Они ускоряют химические
реакции и сами при этом не расходуются. Вещества, превращения которых
катализируют ферменты, называются субстратами.
Фермент, соединяясь с субстратом, образует
фермент-субстратный комплекс. (рисунок 7.1).Образование этого
комплекса способствует снижению энергетического
барьера, который нужно преодолеть молекуле
субстрата для
3
вступления в реакцию (рисунок 7.2). По завершении реакции фермент-субстратный комплекс распадается на продукт (продукты) и фермент. Фермент по окончании реакции возвращается в своё исходное состояние и может взаимодействовать с новой молекулой субстрата. Для ферментов характерны свойства, присущие всем белкам. В частности, молекулы ферментов, как и других белков, построены из α-аминокислот, соединённых пептидными связями. Поэтому растворы ферментов дают положительную биуретовую реакцию, а их гидролизаты - положительную нингидриновую реакцию. Нативные свойства и функции ферментов определяются наличием определённой пространственной структуры (конформации) их полипептидной цепи. Изменение этой структуры в результате тепловой денатурации приводит к потере каталитических свойств. Наличие у ферментов высокой молекулярной массы обусловливает их неспособность к диализу, а присутствие в молекулах заряженных функциональных групп - подвижность в электрическом поле. Как и другие белки, ферменты образуют коллоидные растворы, из которых могут осаждаться ацетоном, спиртом, сульфатом аммония - веществами, способствующими разрушению гидратной оболочки и нейтрализации электрического заряда.
Белковая природа ферментов обусловливает появление у них ряда свойств, в целом нехарактерных для неорганических катализаторов: олигодинамичность, специфичность, зависимость скорости реакции от температуры, рН среды, концентрации фермента и субстрата, присутствия активаторов и ингибиторов.
Под олигодинамичностью ферментов понимают высокую эффективность
действия в очень малых количествах. Такая высокая эффективность объясняется тем, что молекулы ферментов в процессе своей каталитической деятельности непрерывно регенерируют. Типичная молекула фермента может регенерировать миллионы раз в минуту. Надо сказать, что и неорганические катализаторы также способны ускорять превращение такого количества веществ, которое во много раз превышает их собственную массу. Но ни один неорганический катализатор не может сравниться с ферментами по эффективности действия. Примером может служить фермент реннин, вырабатываемый слизистой оболочкой желудка жвачных животных. Одна молекула его за 10 минут при 37°С способна вызывать коагуляцию (створаживание) порядка миллиона молекул казеиногена молока.
4
Другой пример высокой эффективности ферментов даёт каталаза. Одна молекула этого фермента при 0°С расщепляет за секунду около 50 000 молекул пероксида водорода:
2 Н2О2 2 Н2О + О2
Действие каталазы на пероксид водорода заключается в изменении величины энергии активации этой реакции приблизительно от 75 кДж/моль без катализатора до 21 кДж/моль в присутствии фермента. Если же в качестве катализатора этой реакции используется коллоидная платина, то энергия активации составляет всего 50 кДж/моль. При изучении влияния какого-либо фактора на скорость ферментативной реакции все прочие факторы должны оставаться неизменными и по возможности иметь оптимальное значение. Мерой скорости ферментативных реакций служит количество субстрата, подвергшегося превращению в единицу времени, или количество образовавшегося продукта. Изменение скорости проводят на начальной стадии реакции, когда продукт ещё практически отсутствует, и обратная реакция не идёт. Кроме того, на начальной стадии реакции концентрация субстрата соответствует его исходному количеству.
1.Зависимость скорости ферментативной реакции (V) от концентрации фермента[Е](рисунок 7.3).При высокой концентрации субстрата (многократно превышающей концентрацию фермента) и при постоянстве других факторов скорость ферментативной реакции пропорциональна концентрации фермента. Поэтому зная скорость реакции, катализируемой ферментом, можно сделать вывод о его количестве в исследуемом материале.
2.Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата [S]. График зависимости имеет вид гиперболы (рисунок 7.4). При постоянной концентрации фермента скорость катализируемой реакции возрастает с увеличением концентрации субстрата до максимальной величины Vmax, после чего остаётся постоянной. Это следует объяснить тем, что при высоких концентрациях субстрата все активные центры молекул фермента оказываются связанными с молекулами субстрата. Любое избыточное количество субстрата может соединиться с ферментом лишь после того, как образуется продукт реакции и освободится активный центр.
3.Зависимость скорости реакции от t – температуры, при которой протекает реакция (рисунок 7.5), имеет сложный характер. Значение температуры, при котором скорость реакции максимальна, представляет
5
собой температурный оптимум
фермента.
Температурный оптимум большинства ферментов организма человека приблизительно равен 40°С. Для большинства ферментов оптимальная температура равна или выше той температуры, при которой находятся клетки. При более низких температурах (0° — 40°С) скорость реакции увеличивается с ростом температуры. При повышении температуры на 10°С скорость ферментативной реакции удваивается (температурный коэффициент Q10 равен 2). Повышение скорости реакции объясняется увеличением кинетической энергии молекул. При дальнейшем повышении температуры происходит разрыв связей, поддерживающих вторичную и третичную структуру фермента, то есть тепловая денатурация. Это сопровождается постепенной потерей каталитической активности.
4.Зависимость скорости реакции от рН среды (рисунок 7.6). При постоянной температуре фермент работает наиболее эффективно в узком интервале рН. Значение рН, при котором скорость реакции максимальна, представляет собой оптимум рН фермента. У большинства ферментов организма человека оптимум рН находится в пределах рН 6 – 8, но есть ферменты, которые активны при значениях рН, лежащих за пределами этого интервала (например, пепсин, наиболее активный при рН 1,5 - 2,5).Изменение рН как в кислую, так и в щелочную сторону от оптимума приводит к изменению степени ионизации кислых и основных групп аминокислот, входящих в состав фермента (например, СООН-группы аспартата и глутамата, NН2-группы лизина и т.д.). Это вызывает изменение конформации фермента, в результате чего изменяется пространственная структура активного центра и снижение его сродства к субстрату. Кроме того, при экстремальных значениях рН происходит денатурация фермента и его инактивация. Следует отметить, что свойственный ферменту оптимум рН не всегда совпадает с рН его непосредственного внутриклеточного окружения. Это позволяет предположить, что среда, в которой находится фермент, в какой-то мере регулирует его активность.
5. Зависимость скорости реакции от присутствия активаторов и ингибиторов. Активаторы повышают скорость ферментативной реакции. Ингибиторы понижают скорость ферментативной реакции.В качестве активаторов ферментов могут выступать неорганические ионы. Предполагают, что эти ионы заставляют молекулы фермента или субстрата принять конформацию, способствующую образованию фермент-
6
субстратного комплекса. Тем самым увеличивается вероятность взаимодействия фермента и субстрата, а следовательно и скорость реакции, катализируемой ферментом. Так, например, активность амилазы слюны повышается в присутствии хлорид-ионов.
Специфичность действия ферментов (абсолютная, относительная и стереохимическая). Важным свойством, отличающим ферменты от неорганических катализаторов, является специфичность действия. Как известно, структура активного центра фермента комплементарна структуре его субстрата. Поэтому фермент из всех имеющихся в клетке веществ выбирает и присоединяет только свой субстрат. Для ферментов характерна специфичность не только по отношению к субстрату, но и в отношении пути превращения субстрата. У ферментов различают абсолютную, относительную и стереохимическую специфичность.
Абсолютная специфичность – избирательная способность фермента катализировать только единственное из возможных превращений одного субстрата. Это можно объяснить конформационной и электростатической комплементарностью молекул субстрата и фермента.Например, фермент аргиназа катализирует только гидролиз аминокислоты аргинина, фермент уреаза – только расщепление мочевины и не действуют на другие субстраты.
Относительная специфичность – избирательная способность фермента катализировать однотипные превращения сходных по строению субстратов.Такие ферменты оказывают воздействие на одинаковые функциональные группы или на один и тот же тип связей в молекулах субстратов. Так, например, разные гидролитические ферменты действуют на определённый тип связей:
амилаза – на гликозидные связи;
пепсин и трипсин – на пептидные связи;
липаза и фосфолипаза – на сложноэфирные связи.
Действие этих ферментов распространяется на большое число субстратов, что позволяет организму обойтись малым количеством пищеварительных ферментов
7
Стереохимическая (оптическая) специфичность - избирательная способность фермента катализировать превращение только одного из возможных пространственных изомеров субстрата.Так, большинство ферментов млекопитающих катализирует превращение толькл L-изомеров аминокислот, но не D-изомеров. ферменты, участвующие в обмене моносахаридов, наоборот, катализируют превращение только D-, но не L-фосфосахаров. Гликозидазы специфичны не только к моносахаридному фрагменту, но и характеру гликозидной связи. Например, α-амилаза расщепляет α–1,4-гликозидные связи в молекуле крахмала, но не действует на α–1,2-гликозидные связи в молекуле сахарозы.тов - иначе их потребовалось бы намного больше.
Основные принципы, положенные в основу современной классификации и номенклатуры ферментов.
В настоящее время известно более двух тысяч химических реакций, катализируемых ферментами, и число это непрерывно возрастает. Чтобы ориентироваться в таком множестве превращений. возникла настоятельная необходимость в систематизированной классификации и номенклатуре, при помощи которой любой фермент можно было бы точно идентифицировать. Номенклатура, которой пользовались до середины XX века, была весьма далека от совершенства. Исследователи, открывая новый фермент, давали ему название по своему усмотрению, что неизбежно вело к путанице и всевозможным противоречиям. Некоторые названия оказались ошибочными, другие ничего не говорили о природе катализируемой реакции. Учёные разных школ часто употребляли разные названия для одного и того же фермента или, наоборот, одно и то же название для нескольких разных ферментов.Было решено разработать рациональную международную классификацию и номенклатуру ферментов, которой могли бы пользоваться биохимики всех стран. С этой целью при Международном союзе биохимии и молекулярной биологии (International Union of Biochemistry and Molecular Biology, IUВMB) была создана Комиссия по ферментам, предложившая в 1964 году основные принципы такой классификации и номенклатуры. Она постоянно совершенствуется и дополняется, в настоящее время действует уже шестая редакция этой номенклатуры (1992 год), к которой ежегодно выходят дополнения.В основу классификации положен важнейший признак, по которому один фермент отличается от другого — это катализируемая им
8
реакция. Число типов химических реакций сравнительно невелико, что позволило разделить все известные в настоящее время ферменты на 6 важнейших классов, в зависимости от типа катализируемой реакции. Такими классами являются:
оксидоредуктазы (окислительно-
трансферазы (перенос функциональных групп);
гидролазы (реакции расщепления с участием воды);
лиазы (разрыв связей без участия воды);
изомеразы (изомерные превращения);
лигазы (синтез с затратой молекул АТФ).
Ферменты каждого класса
делят на подклассы, руководствуясь
строением субстратов. В подклассы
объединяют ферменты, действующие
на сходно построенные
3 — тип реакции (гидролиз);
2 — тип связи в субстрате (гликозидная);
1 — разновидность связи (О-гликозидная);
1 — номер фермента в подподклассе
Вышеописанный десятичный способ нумерации имеет одно важное преимущество: он позволяет обойти главное неудобство сквозной нумерации ферментов, а именно: необходимость при включении в список вновь открытого фермента изменять номера всех последующих. Новый фермент может быть помещён в конце соответствующего подподкласса без нарушения всей остальной нумерации.
9
Точно так же при выделении новых классов, подклассов и подподклассов их можно добавлять без нарушения порядка нумерации ранее установленных подразделений. Если после получения новой информации возникает необходимость изменить номера некоторым ферментам, прежние номера не присваивают новым ферментам, чтобы избежать недоразумений.Говоря о классификации ферментов, следует также отметить, что ферменты классифицируются не как индивидуальные вещества, а как катализаторы определённых химических превращений. Ферменты, выделенные из разных биологических источников и катализирующие идентичные реакции, могут существенно отличаться по своей первичной структуре. Тем не менее в классификационном списке все они фигурируют под одним и тем же кодовым номером.
Итак, знание кодового номера фермента позволяет:
устранить неоднозначности, если разные исследователи используют одно и то же название для различных ферментов;
сделать поиск информации в литературных базах данных более эффективным;
получить в других базах данных дополнительную информацию о последовательности аминокислот, пространственной структуре фермента, генах, кодирующих ферментные белки.
Понятие о систематическом и рабочем названии фермента, их использование .
Система классификации, разработанная Комиссией по ферментам, включает также и вновь созданную номенклатуру ферментов, которая строится по специальным принципам. Согласно рекомендациям IUBMB, ферменты получают два рода названий: систематическое и рабочее (рекомендуемое). Систематическое название составляется из двух частей. Первая часть содержит название субстрата или субстратов, часто — наименование кофермента, вторая часть указывает на природу катализируемой реакции и включает название класса, к которому относится данный фермент. При необходимости приводится дополнительная информация о реакции в скобках после второй части названия. Систематическое название присваивается только тем ферментам, каталитическое действие которых полностью изучено.
10
Например, систематическое
название α-амилазы — 1,4-α-D-глюкан-
Основные правила построения систематических и рабочих названий разных классов ферментов:
Оксидоредуктазы(перенос групп)- систематическое название ферментов этого класса строится по схеме донор: акцептор - оксидоредуктаза. Согласно тривиальной номенклатуре, оксидоредуктазы, отщепляющие атомы водорода или электроны и переносящие их на любой акцептор, кроме кислорода, называются дегидрогеназами. Оксидоредуктазы, использующие кислород в качестве акцептора атомов водорода или электронов, называются оксидазами. Некоторые ферменты, которым свойственно преимущественно восстанавливающее действие, носят названиередуктаз. Все перечисленные наименования могут быть использованы для построения рабочего названияоксидоредуктаз.
Трансферазы(перенос групп)- систематическое название ферментов, ускоряющих такие реакции, составляют по форме донор:акцептор (транспортируемая группа) трансфераза. В рабочем названии обычно указывается только один специфический субстрат или продукт наряду с названием транспортируемой группировки.
Гидролазы(расщепление с участием воды)- систематическое название составляется по форме субстрат-гидролаза. У гидролаз, специфически отщепляющих определённую группу, эта группа может быть указана в виде префикса.
11
Рабочее название чаще всего составляется из названия гидролизуемого субстрата с добавлением окончания -аза. Следует, однако, отметить, что вследствие достаточно сложного и зачастую до конца не выявленного характера специфичности многих гидролаз не всегда удаётся дать им систематическое название. В этих случаях рекомендовано использовать эмпирические названия, присвоенные им при первом описании. Так, не имеют систематического названия такие ферменты, как пепсин, папаин, тромбин.
Лиазы(расщепление или образование двойных связей)- систематическое название ферментов строится по схеме: субстрат-отщепляемая группа-лиаза. Чтобы уточнить, какая группа отщепляется, используются префиксы "карбокси-", "аммиак", "гидро-" и т.д. В качестве рабочих названий ферментов сохраняются тривиальные названия типа "декарбоксилаза", "альдолаза", "дегидратаза", "десульфгидраза". Лиазы делятся на подклассы в зависимости от характера разрываемых связей
Изомеразы(преобразование в пределах одной молекулы)- систематическое название ферментов включает название субстрата и слово изомераза, которому предшествует указание типа реакции изомеризации. Рабочие названия подобны (с некоторыми упрощениями) систематическим названиям.
Лигазы(соединение с расходом АТФ)- систематическое название образуется из названий соединяемых субстратов в сочетании со словом лигаза. В скобках указывается продукт, образующийся в результате гидролиза нуклеозидтрифосфата (например, АДФ или АМФ). Рабочее название ферментов этого класса составляется, как правило, из названия продукта реакции в сочетании со словом синтетаза.
Определение активности ферментов в биологическом материале.
Правила работы с ферментами. Ферменты, как все белки, являются относительно неустойчивыми веществами. Они легко подвергаются денатурации и инактивации. Поэтому при работе с ними необходимо выполнять определенные условия.При хранении объекта изучения свыше нескольких часов при комнатной температуре фермент почти полностью
12
инактивируется. Поэтому анализ определения активности фермента следует проводить в возможно короткие сроки. При необходимости длительное хранение возможно, если раствор фермента высушивают из замороженного состояния в высоком вакууме (лиофильная сушка). В этом случае фермент почти полностью сохраняет активность при дальнейшем его хранении при комнатной температуре. Некоторые ферменты хорошо сохраняются в концентрированных растворах солей, например, в насыщенном сульфате аммония (процесс высаливания). При надобности осадок фермента можно отцентрифугировать и растворить в физиологическом растворе или соответствующем буфере. Если необходимо, от избытка соли можно избавиться диализом. Необходимо помнить о чувствительности ферментов к колебаниям рН среды. За небольшим исключением большинство ферментов инактивируется в растворах с рН ниже 5 или выше 9, а оптимум действия ферментов появляется в зоне нескольких единиц или десятых долей единицы значения рН. Определение рН буферных растворов, используемых при работе с ферментами, рекомендуется проводить очень точно с помощью рН-метра. Ферменты легко разрушаются сильнодействующими реагентами: кислотами, щелочами, окислителями, солями тяжелых металлов. Необходимо работать с химически чистыми реактивами и бидистиллированной водой, т. к. даже небольшое загрязнение реактивов, особенно примесью металлов, которые могут действовать как модуляторы, приводит к изменению активности фермента. При работе с ферментами как нигде обязательно строгое соблюдение стандартизации условий исследования: точное выдерживание температурного и временного режимов, использование реактивов из одной партии, а при смене реактивов надо снова откалибровать получаемые данные. Если развивающаяся окраска в цветной реакции неустойчива во времени, необходимо строго соблюдать сроки фотометрирования. Рекомендуется работать в условиях достаточной степени насыщения фермента субстратом, так как это обстоятельство существенно сказывается на конечном результате, недостаток субстрата нивелирует различия между вариантами. При работе с ферментами необходимо учитывать органоспецифичный изоферментный спектр. Часто такая специфичность затрагивает условия действия энзима. На ход реакции может повлиять различное сродство к субстрату, иная чувствительность к рН, свойственные изоэнзимам того или иного органа или ткани. Переносить метод исследования активности фермента с одного объекта на другой
13
(например, с сыворотки
на ткань или с одного органа
на другой) нужно крайне осторожно,
с учетом всех известных
Принципы определения активности ферментов в биологическом материале. Уникальное свойство ферментов ускорять химические реакции может быть использовано для количественного определения содержания этих биокатализаторов в биологическом материале (тканевом экстракте, сыворотке крови и т.д.). При правильно подобранных экспериментальных условиях почти всегда существует пропорциональность между количеством фермента и скоростью катализируемой реакции, поэтому по активности фермента можно судить о количественном содержании его в исследуемой пробе.Измерение ферментативной активности основывается на сравнении скорости химической реакции в присутствии активного биокатализатора со скоростью реакции в контрольном растворе, в котором фермент отсутствует или инактивирован.Исследуемый материал помещают в инкубационную среду, где созданы оптимальные температура, рН среды, концентрации активаторов и субстратов. Одновременно осуществляют постановку контрольной пробы, в которую фермент не добавляют. Спустя некоторое время реакцию останавливают путём добавления различных реагентов (изменяющих рН среды, вызывающих денатурацию белков и т.д.) и проводят анализ проб.Для того чтобы определить скорость ферментативной реакции, необходимо знать: разность концентраций субстрата или продукта реакции до и после инкубации; время инкубации;количество материала, взятое для анализа.Наиболее часто активность фермента оценивают по количеству
14
образовавшегося продукта реакции. Так поступают, например, при определении активности аланинаминотрансферазы, катализирующей следующую реакцию:
Определяя содержание одного из продуктов реакции – пировиноградной кислоты – в пробе после инкубации и вычитая из этого значения количество пировиноградной кислоты в контрольной пробе (в неё исследуемый материал добавляется после инкубации), находят количество продукта реакции, образовавшегося за время инкубации. Активность фермента можно рассчитывать также исходя из количества израсходованного субстрата. В качестве примера можно привести способ определения активности α-амилазы – фермента, расщепляющего крахмал. Измерив содержание крахмала в пробе до и после инкубации и вычислив разность, находят количество субстрата, расщеплённого за время инкубации.
Методы измерения активности ферментов. Существует большое количество методов измерения активности ферментов, различающихся по технике исполнения, специфичности, чувствительности.
Чаще всего для определения применяются фотоэлектроколориметрические методы. В основе этих методов лежат цветные реакции с одним из продуктов действия ферментов. При этом интенсивность окраски получаемых растворов (измеренная на фотоэлектроколориметре) пропорциональна количеству образовавшегося продукта. Например, в процессе реакций, катализируемых аминотрансферазами, накапливаются α-кетокислоты, которые дают с 2,4-динитрофенилгидразином соединения красно-бурого цвета:
15
Если исследуемый биокатализатор обладает низкой специфичностью действия, то можно подобрать такой субстрат, в результате реакции с которым образуется окрашенный продукт. Примером может служить определение щелочной фосфатазы – фермента, широко распространённого в тканях человека, его активность в плазме крови существенно меняется при заболеваниях печени и костной системы. Этот фермент в щелочной среде гидролизует большую группу фосфорнокислых эфиров, как природных, так и синтетических. Одним из синтетических субстратов является паранитрофенилфосфат (бесцветный), который в щелочной среде расщепляется на ортофосфат и паранитрофенол (жёлтого цвета).За ходом реакции можно наблюдать, измеряя постепенно нарастающую интенсивность окраски раствора:
Для ферментов, обладающих высокой специфичностью действия, такой подбор субстратов, как правило, невозможен.
Спектрофотометрические методы основаны на изменении ультрафиолетового спектра химических веществ, принимающих участие в реакции. Большинство соединений поглощает ультрафиолетовые лучи, причём поглощаемые длины волн характерны для присутствующих в
16
молекулах этих веществ определённых групп атомов. Ферментативные реакции вызывают внутримолекулярные перегруппировки, в результате которых меняется ультрафиолетовый спектр. Эти изменения можно зарегистрировать на спектрофотометре.
