Строение и свойства ферментов

     Оглавление 

1. Ферменты  и их понятие………………………………………………………..3

2. Мощность  действия фермента, ее характеристика. Единицы измерения…9

3. Активаторы и ингибиторы действия ферментов. Специфические и неспецифические эффекторы………………………………………………….14

4. Список используемой литературы…………………………………….……29 

     Ферменты, понятие и их понятие 

     Ферменты  - это биологические катализаторы белковой природы, ускоряющие биохимические реакции в животных организмах.

     Сходства в действии ферментов и неорганических катализаторов:

     1) фермент и неорганический катализатор снижают энергию активации;

2. фермент и неорганический катализатор ускоряют только энергетически возможные реакции;
3. фермент и неорганический катализатор не изменяют направление реакции, не нарушают равновесия обратимой реакции, а только ускоряют наступление равновесия;
4. фермент и неорганический катализатор не расходуются в процессе реакции и не входят в состав конечных продуктов реакции.

     Механизм ферментативного катализа.

     В механизме ферментативного катализа различают 3 стадии:

     А. Образование фермент-субстратного комплекса

     Субстрат  присоединяется к участку молекулы фермента, который называется активным центром, в нем различают якорные  участки. Соединение идет за счет связей, характер которых зависит от химической природы субстрата. Например, если в  молекуле субстрата имеются заряженные группы, то образование комплекса  возможно за счет электростатического  взаимодействия (ионных связей). Если субстрат не имеет заряженных групп, то соединение субстрата с ферментом идет за счет возникновения водородных связей. Возможны и гидрофобные взаимодействия между субстратом и активным центром  фермента. Место, куда прикрепляется  субстрат, находится на поверхности  молекулы фермента. Таких участков может быть 2-3, они находятся на определенном расстоянии друг от друга. Пространственная структура активного  центра имеет сродство не только к своему субстрату, но от нее зависит каким превращениям подвергнется субстрат.

     Б. Образование комплекса  фермент-продукты реакции.

     Функционально активные группы активного центра фермента действуют на субстрат, дестабилизируя связи. При таком взаимодействии изменяется конфигурация субстрата, происходит его деформация, поляризация молекулы субстрата, растяжение связей между  отдельными участками субстрата, перераспределение  электронов, что приводит к изменению  расположения электрического заряда, к снижению энергии активации, и  субстрат распадается. Эта стадия кратковременна и лимитирует скорость всего процесса.

     В. Распад комплекса  фермент-продукты реакции с выделением свободного фермента. Третья стадия более медленная, от нее зависит скорость всей реакции. Таким образом, выявлено, что в механизме действия ферментов большое значение имеет изменение структуры субстрата, приводящее к снижению энергии активации. Величины энергии активации у различных субстратов разные. В частности, для разложения пероксида водорода необходима энергия в 75,3 кДж/мол. Использование катализатора платины снижает эту величину до 54,1 кДж/мол, а для разрушения перекиси водорода каталазой требуется всего 18 кДж/мол, т. е. более чем в 4 раза уменьшилась энергия активации.

     Общие свойства ферментов.

     Общие свойства ферментов одновременно являются и отличием ферментов от неорганических катализаторов:

• ферменты имеют белковую природу, поэтому обладают свойствами, характерными для белков;
• ферменты имеют сложное строение;
• ферменты обладают высокой специфичностью, как субстратной, так и специфичностью действия;
• ферменты имеют высокую биологическую активность, что обусловлено высоким сродством фермента к субстрату, и они гораздо сильнее снижают энергию активации. Единица измерения активности фермента - катал;
• ферменты действуют в мягких условиях ( при t° 37-45°, давлении 1 атм.);
• ферменты - это катализаторы с регулируемой активностью.

     Сложное строение ферментов. Простые и сложные ферменты.

     По  строению различают ферменты-протеины, однокомпонентные и ферменты - протеиды, двухкомпонентные.

     К группе ферментов-протеинов относят ферменты, построенные по типу простых белков, в отличие от которых фермент имеет активный центр. Наличие в их молекуле активного центра обеспечивает каталитическую активность фермента.

     Активный  центр - это уникальная для каждого  фермента совокупность функциональных групп аминокислотных остатков, расположенных  на поверхности ферментов и строго ориентированных в пространстве за счет третичной и иногда четвертичной структуры ферментов. Таким образом, в состав активного центра входят свободные аминогруппы ДАМК, карбоксильные  группы МАДК, гидроксильные группы серина и треонина, гуанидиновая группа аргинина, тиоэфирная группа метионина, тиогруппа цистеина, ароматическое  кольцо фенилаланина, кольцо индола триптофана, кольцо имидазола гистидина, неполярные группы валина, лейцина, изолейцина. Активный центр имеет два участка: а) субстратный (контактный или якорная площадка), обуславливающий субстратную специфичность  фермента и обеспечивающий его взаимодействие с субстратом; б) каталитический центр, ответственный за химические преобразования субстрата, который обуславливает  специфичность действия фермента.

     Взаимодействие  субстрата и фермента становится возможным благодаря соответствию активного центра и субстрата. Первоначальная модель активного центра, предложенная Э.Фишером, трактовала взаимодействие субстрата и фермента по аналогии с системой «ключ-замок», т.е. считалось, что между активным центром фермента и субстратом должно иметься полное соответствие. Эта модель, которую иногда называют моделью «жесткой матрицы», имеет недостаток, т.к. предполагает жесткое строение активного центра. В настоящее время считают, что полного соответствия между субстратом и ферментом нет, оно возникает в процессе взаимодействия субстрата и фермента (теория Кошленда или теория индуцированного соответствия).

     Активный  центр имеет форму узкого углубления или щели. В этом углублении присутствует несколько полярных аминокислотных остатков для связывания или катализа. Щелевидная форма активного центра создает, микроокружение, в котором  каталитические группы приобретают  особые свойства, важные для катализа. Сюда нет доступа молекулам воды, за исключением тех случаев, когда  вода является одним из реагирующих  веществ. Активные центры, занимают небольшую  часть молекулы фермента. Остальная  часть фермента сохраняет активный центр от разрушения, способствует необходимой ориентации активного  центра в пространстве и модификации  активного центра после взаимодействия фермента и субстрата.

     К однокомпонентным ферментам относятся  почти все ферменты желудочно-кишечного  тракта.

     Ферменты-протеиды - двухкомпонентные (холоферменты) - сложные белки. Состоят из белковой части (апофермент) и вещества небелковой, обычно низкомолекулярной природы (кофермента). У некоторых ферментов апофермент и кофермент соединены так прочно, что при разрыве этой связи фермент разрушается. Но есть ферменты, у которых связь между составными частями непрочная. Ферментативной активностью обладают только холоферменты, отдельные составные части каталитической активностью не обладают. Роль апофермента и кофермента различна. Белковая часть обуславливает субстратную специфичность фермента, а кофермент, входя в состав каталитического центра фермента, обеспечивает специфичность действия фермента, тип реакции, который ведет фермент. Роль коферментов выполняют производные различных витаминов, металлы (железо, медь).

     Роль  металлов в составе фермента:

1. Коферментная - металлы непосредственно участвуют в химической реакции, которую ускоряет данный фермент. Например, железо в составе цитохромов является составной частью кофермента и транспортирует электроны, т. е. выполняет коферментную роль.
2. Кофакторная роль металлов заключается в том, что металлы входят в структуру фермента, при этом являются связующим звеном между апоферментом и коферментом. Например, чтобы пиридинфермент был активным, нужен ион цинка, который соединяет между собой апофермент и НАД.

     Аллостерический центр фермента, его роль.

     У некоторых ферментов имеется  так называемый аллостерический  центр, участвующий в регуляции  активности активного центра. Единого  мнения о местонахождении этого  центра нет. По некоторым данным аллостерический  центр располагается неподалеку от активного центра. При действии аллостерических эффекторов на этот центр происходят комформационные  изменения молекулы фермента, в том  числе изменяется и топография активного  центра, в результате чего повышается или уменьшается структурное  сродство фермента к субстрату.

     Аллостерический центр характерен только для ферментов, имеющих несколько субъединиц.

     Специфичность ферментов.

     Ферменты  обладают специфичностью, т. е. способностью избирательно действовать на определенный субстрат (субстратная специфичность) и ускорять определенную химическую реакцию (специфичность действия), т.е. специфичность действия - это способность ферментов производить с субстратом лишь одно из возможных химических превращений. Ферменты могут воздействовать на несколько субстратов, но при этом катализировать только одну определенную реакцию.

     Виды субстратной  специфичности: относительная, абсолютная, стереохимическая.

     Если  фермент катализирует превращение  только одного субстрата, то специфичность  абсолютная (индивидуальная). Например, аргиназа расщепляет аргинин. Если фермент  катализирует превращение группы субстратов, объединенных одним типом связи, то такая специфичность называется относительной (групповой). Например, пепсин в одинаковой степени расщепляет белки животного и растительного  происхождения. Местом действия пепсина  является пептидная связь. Стереохимическая специфичность обусловлена существованием оптических изомеров L- и D-форм или геометрических (цис - и транс) изомеров химических веществ. Так фермент может действовать на один из изомеров. Например, фумараза катализирует превращение только фумаровой кислоты (трансизомер), но не действует на малеиновую кислоту (цис-изомер). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Мощность  действия фермента, ее характеристика. Единицы измерения 

     Большинство реакций, катализируемых ферментами, протекают  в 10-100 раз быстрее, чем некатализируемые реакции. Для характеристики мощности действия ферментов введено понятие  катал - число молекул субстрата, подвергающееся воздействию одной  молекулы фермента в течение 1 минуты.

     Мощность  большинства ферментов равна 1000 каталов, мощность действия каталазы - 1.000.000 каталов, амилазы - 240000, а ацетилхолинэстеразы - более 1.000.000. Высокая мощность действия ферментов обусловливает высокую скорость химических процессов в организме. Более высокая каталическая активность фермента обусловлена:

     а) сближением субстрата и связыванием его с активным центром в подходящей ориентации;

     б) ферменты содержат кислотные и основные группы, ориентированные так, что становится возможным перенос протонов в субстрате;

     в) определенные группы молекулы фермента могут образовывать ковалентные связи с субстратом, что приводит к формированию более реакционноспособных структур, чем субстрат;

     г) ферменты способны индуцировать напряжение или искажение молекулы субстрата.

     Проферменты, механизм активации.

     Некоторые ферменты вырабатываются в виде проферментов, которые являются неактивной формой фермента. Активация ферментов идет в процессе подготовки реакции, когда  формируется активный центр. Например, профермент пепсина - пепсиноген. В  желудке человека из пепсиногена  под влиянием соляной кислоты  образуется активный пепсин.

     Мультиферментные  комплексы. Виды, значение.

     Иногда  отдельные ферменты объединяются в  мультиферментные системы или комплексы, в которых метаболиты одного фермента являются конечными продуктами другого  фермента или они действуют на один субстрат в определенной последовательности, проводя с ним разные реакции. Примером таких комплексов могут  служить, в первом случае комплекс, который образуют дыхательные ферменты, во втором случае - пируватдегидрогеназа или б-кетоглутаратдегидрогеназа. Например, пируватдегидрогеназный мультиферментный комплекс объединяет несколько ферментов, которые действуют на один субстрат (пируват), но катализируют разные типы реакции, проводя последовательные превращения пировиноградной кислоты.

     Регуляция активности ферментов. Факторы, влияющие на активность ферментов.

     В основе регуляции каталитической активности ферментов лежит их конформационная  лабильность. Различают 5 основных путей  регуляции каталитической активности ферментов:

1. путь ковалентной модификации (регуляция достигается частичным протеолизом, ассоциацией или диссоциацией, фосфорилированием или дефосфорилированием ферментов);
2. путь нековалентной модификации (по типу обратной связи). Такой тип регуляции возможен для ферментов, имеющих аллостерический центр;
3. ингибирование ферментов;
4. репрессия или индукция генов, т.е. изменение биосинтеза фермента;
5. компартментализация.

     Кроме этого, активность ферментов можно  регулировать, изменяя условия протекания реакции. Вначале рассмотрим, какие  условия среды влияют на активность ферментов.

     На  активность ферментов влияют: температура, рН среды, концентрация фермента и концентрация субстрата, эффекторы

     Влияние температуры  на активность ферментов.

     Почти все ферменты термолабильны. Повышение  температуры на 10° увеличивает  скорость химических реакций в 2 раза, такое соотношение сохраняется  до определенной температуры (37-45 °С), дальнейшее повышение будет вызывать торможение скорости реакции. Это определено белковой природой ферментов, так как температура 60° и выше вызывает тепловую необратимую денатурацию белка.

     Температура, при которой ферменты обладают максимальной активностью, называется температурным  оптимумом. При снижении температуры  ниже оптимальной или повышение  температуры выше 45 °С у ферментов  наблюдается инактивация. Различают  обратимую инактивацию, когда фермент  способен восстановить свою активность, если он опять окажется в режиме оптимальной температуры. Это наблюдается  при понижении температуры.

     Знание  зависимости скорости реакций, катализируемых ферментами, от температуры, важно для  понимания процессов жизнедеятельности  и для использования этой зависимости  в практической деятельности будущего врача.

     Уменьшение  скорости ферментных реакций, при понижении  температуры используются в хирургической  и животноводческой практике (замораживание  спермы и зародышей на ранней стадии деления, органов для последующей  пересадки, искусственная гипотермия при операциях на сердце, мозге  и т. д.). Снижение скорости химической реакции приводит к снижению обмена и потребления кислорода и  более длительному сохранению жизнедеятельности  клеток организма при неблагоприятных  условиях.

     При повышении температуры наблюдается  необратимая инактивация, фермент  свою активность не может восстановить. Повышение температуры тела (лихорадочное состояние) ускоряет биохимические  реакции, катализируемые ферментами, при  этом наблюдается повышенный расход эндогенных субстратов в клетке, которые необходимо восполнять поступлением с пищей. Повышение температуры более 70° может привести к необратимой денатурации некоторых ферментов и к нарушению биохимических процессов.

     Влияние рН среды  на скорость ферментативной реакции.

     Ферменты, как белки, обладают амфотерными  свойствами, и заряд молекулы фермента зависит от среды, в которой фермент  находится. Меняя реакцию среды, можно добиться как активации, так  и угнетения активности ферментов. Для каждого фермента имеется  свой оптимум рН - узкий диапазон значений рН, в котором фермент  наиболее активен. Для большинства  ферментов оптимум рН лежит в  пределах от 4 до 7. Влияние рН на активность ферментов обусловлено несколькими  факторами:

• контакт фермента с субстратом зависит от степени ионизации функциональных групп аминокислотных остатков, входящих в субстратный участок активного центра фермента, т. к. кислые и основные группы аминокислот активного центра участвуют в связывании субстрата;
• превращение фермент-субстратного комплекса в комплекс фермент-продукты реакции может происходить только при определенной ионизации комплекса, т.к. функциональные группы, входящие в состав каталитического центра, работают тоже в зависимости от степени ионизации этих групп;

     - в некоторых ферментативных реакциях  водородные или гидроксильные  ионы аминокислот каталитического  участка активного центра могут  участвовать непосредственно в  реакциях, протекающих на активном  центре фермента;

     - большинство субстратов имеют кислотные и основные группы, на ионизацию которых влияет рН среды. Вероятно, при оптимальном значении рН субстрат и функциональные группы активного центра находятся в реакционно-способном состоянии;

     - ферменты наиболее активны при рН близкой их ИЭТ, когда заряд молекулы приближается к 0, так как при этом фермент имеет наименьшую степень диссоциации, и связь апофермента и кофермента более прочная.

     Знание  зависимости скорости ферментативной реакции от рН среды имеет практическое значение. Например, при исследовании активности какого-либо фермента в  лаборатории необходимо учитывать  оптимальное значение рН среды для  данного фермента. Также необходимо знать, что некоторые ферменты проявляют  максимальную свою активность в резко-кислой среде (пепсин) или же в щелочной среде (трипсин, химотрипсин).

     Влияние концентрации субстрата на скорость ферментативного  катализа.

     При увеличении концентрации субстрата  скорость реакции вначале пропорционально  возрастает, но при полном насыщении  дальнейшее повышение концентрации субстрата либо не меняет скорость реакции, либо реакция тормозится (напр. при гидролизе не будет в достаточном  количестве воды для реакции). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Активаторы  и ингибиторы действия ферментов. Специфические  и неспецифические  эффекторы 

     В клетке на активность ферментов оказывают влияние эффекторы - вещества, ускоряющие (активаторы) или тормозящие (ингибиторы) активность ферментов.

     Среди активаторов различают:

     1. Неспецифические - усиливающие активность  целой группы ферментов. Часто  такую роль выполняют ионы. Так,  ионы магния - активаторы всех  фосфатаз.

     2. Специфические активаторы - вещества, активирующие только определенный  фермент. Например, Мп активирует  только изоцитратдегидрогеназу, соли  желчных кислот - липазу сока поджелудочной  железы. Энтеропептидаза, образуемая  клетками эпителия кишечника,  является активатором трипсина: она отщепляет гексапептид и  превращает трипсиноген в трипсин.

     Ингибиторы  тоже бывают:

     1. Неспецифическими, т.е. угнетают активность определенной группы ферментов. Угарный газ (окись углерода - СО) и соли синильной кислоты - неспецифические ингибиторы ферментов, содержащих гем.

     Ингибиторы  могут угнетать ферментативную активность обратимо и необратимо. Ингибиторы, вызывающие необратимое угнетение, называются ферментными ядами. Например, фосфорорганические вещества (ФОБ) необратимо угнетают активность ряда липаз, протеаз  и особенно ацетилхолинэстеразы, фосфорилируя каталитическую группу ферментов, в  результате ацетилхолин накапливается  в синапсах и вызывает отравление организма. Некоторые необратимые  ингибиторы образуют ковалентные связи  с ферментом, например, нейротоксический эффект некоторых инсектицидов обусловлен необратимым связыванием каталитического участка фермента ацетилхолинэстеразы.

     2. Специфические ингибиторы - антиферментные  вещества, подавляющие активность  одного фермента. К ним относятся  полипептиды, которые, присоединяясь  к цепи фермента, прикрывают его  активный центр или не дают  сформироваться активному центру. Примером может служить ингибитор  трипсина, при отщеплении которого  энтеропептидазой формируется активный  центр фермента. К названию фермента, имеющего специфический ингибитор, добавляется суффикс «оген» или приставка «про». Например, трипсиноген и прокарбоксипептидаза - это неактивные формы соответствующих ферментов.

     По  характеру различают конкурентное, неконкурентное и аллостерическое  ингибирование.

     Конкурентное  ингибирование наблюдается в  том случае, когда ингибитор имеет  структурное сходство с субстратом, поэтому может связаться с  активным центром фермента, образуя  фермент-ингибиторный комплекс. При  этом ингибитор может занимать не весь активный центр фермента. 

     Если  увеличить концентрацию субстрата, то действие ингибитора снимается. Все  конкурентные ингибиторы характеризуются  выраженным структурным сходством  с соответствующим субстратом, т.е. специфичность фермента недостаточна, чтобы отличить субстрат от ингибитора. Например, янтарная кислота субстрат СДГ, малоновая и щавелевоуксусная являются ингибиторами СДГ, т. к. могут связываться с ее активным центром и прекращать реакцию окисления янтарной кислоты этим ферментом. К конкурентным ингибиторам относятся также антиметаболиты, которые при введении в организм вызывают аномальные явления и тормозят метаболизм. Например, сульфаниламид очень схож по строению с парааминобензойной кислотой, входящей в структуру фолиевой кислоты - кофермента метилтрансфераз. Встраивание его в кофермент ТГФК приводит к потере ферментом активности. На этом основано применение сульфаниламидных препаратов в медицине. 

     К конкурентному ингибированию относят  и ингибирование продуктами реакции. Продукты реакции по структуре часто  похожи на субстрат, поэтому, накапливаясь, они ингибируют фермент. Данный вид  конкурентного ингибирования имеет  значение в регуляции метаболизма. 

     Глюкоза в данном случае служит ингибитором  глюкозо-6-фосфатазы.

     При неконкурентном ингибировании конкуренция  между субстратом и ингибитором  отсутствует, т. к. ингибитор не имеет  структурного сходства с субстратом. Поэтому ингибитор не влияет на связывание субстрата с ферментом в его  активном центре. Действие ингибитора проявляется в том, что он связывается  с каталитическими группами в  активном центре или, связываясь вне его, изменяет конформацию активного центра, мешая взаимодействию с ним субстрата. При этом вместо фермент-субстратного комплекса образуется комплекс фермент-субстрат-ингибитор, который не подвергается превращениям. Такими ингибиторами являются цианиды, которые, связавшись с железом, входящим в каталитический центр цитохромов, ингибируют их. Ионы тяжелых металлов оказывают ингибирующее действие, блокируя тиогруппы каталитических центров ферментов.

     Аллостерическое активирование  и ингибирование ферментов является примером нековалентной регуляции активности ферментов.

     Такой вид регуляции активности фермента характерен для ферментов, имеющих  четвертичную структуру и аллостерические  центры - центры регуляции, располагающиеся  недалеко от активного центра. Изменения  в этом центре при воздействии  на них эффекторов (активаторов или  ингибиторов) отражаются на конформации  активного центра. Активный центр  становится или более соответствующим  по форме субстрату (под влиянием активаторов), тогда активность фермента резко повышается, или теряет сродство к субстрату, и наблюдается торможение действия фермента.

     Некоторые ферменты имеют несколько аллостерических  центров. Одни из них специфичны к  ингибиторам, другие - к активаторам. Такие ферменты называются аллостерическими и занимают ключевое положение в  метаболизме.

     Регуляция путем  изменения биосинтеза ферментов.

     Рассмотренные ранее способы изменения скорости протекания реакций направлены на изменение  активности уже имеющихся ферментов. Существует другой способ регуляции - изменение концентрации ферментов. В организме имеются вещества, которые способны вызвать ускорение  синтеза ферментов, воздействуя  на молекулу ДНК, т.е. они могут вызвать  индукцию генов или же, наоборот, замедление (репрессию генов). Зависимость скорости реакции от концентрации фермента линейная. К таким веществам относятся гормоны.