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.

В клетке любого живого организма протекают миллионы химических реакций. Каждая из них имеет большое значение, поэтому важно поддерживать скорость биологических процессов на высоком уровне. Почти каждая реакция катализируется своим ферментом. Что такое ферменты? Какова их роль в клетке?

Ферменты. Определение

Термин "фермент" происходит от латинского fermentum - закваска. Также они могут называться энзимами от греческого en zyme - "в дрожжах".

Ферменты - биологически активные вещества, поэтому любая реакция, протекающая в клетке, не обходится без их участия. Эти вещества выполняют роль катализаторов. Соответственно, любой фермент обладает двумя основными свойствами:

1) Энзим ускоряет биохимическую реакцию, но при этом не расходуется.

2) Величина константы равновесия не меняется, а лишь ускоряется достижение этого значения.

Ферменты ускоряют биохимические реакции в тысячу, а в некоторых случаях в миллион раз. Это значит, что при отсутствии ферментативного аппарата все внутриклеточные процессы практически остановятся, а сама клетка погибнет. Поэтому роль ферментов как биологически активных веществ велика.

Разнообразие энзимов позволяет разносторонне регулировать метаболизм клетки. В любом каскаде реакций принимает участие множество ферментов различных классов. Биологические катализаторы обладают большой избирательностью благодаря определенной конформации молекулы. Т. к. энзимы в большинстве случаев имеют белковую природу, они находятся в третичной или четвертичной структуре. Объясняется это опять же специфичностью молекулы.

Функции энзимов в клетке

Главная задача фермента - ускорение соответствующей реакции. Любой каскад процессов, начиная с разложения пероксида водорода и заканчивая гликолизом, требует присутствия биологического катализатора.

Правильная работа ферментов достигается высокой специфичностью к определенному субстрату. Это значит, что катализатор может ускорять только определенную реакцию и никакую больше, даже очень похожую. По степени специфичности выделяют следующие группы энзимов:

1) Ферменты с абсолютной специфичностью, когда катализируется только одна-единственная реакция. Например, коллагеназа расщепляет коллаген, а мальтаза расщепляет мальтозу.

2) Ферменты с относительной специфичностью. Сюда входят такие вещества, которые могут катализировать определенный класс реакций, к примеру, гидролитическое расщепление.

Работа биокатализатора начинается с момента присоединения его активного центра к субстрату. При этом говорят о комплементарном взаимодействии наподобие замка и ключа. Здесь имеется в виду полное совпадение формы активного центра с субстратом, что дает возможность ускорять реакцию.

Следующий этап заключается в протекании самой реакции. Ее скорость возрастает благодаря действию ферментативного комплекса. В конечном итоге мы получаем энзим, который связан с продуктами реакции.

Заключительный этап - отсоединение продуктов реакции от фермента, после чего активный центр вновь становится свободным для очередной работы.

Схематично работу фермента на каждом этапе можно записать так:

1) S + E ——> SE

2) SE ——> SP

3) SP ——> S + P , где S - это субстрат, E - фермент, а P - продукт.

Классификация ферментов

В организме человека можно найти огромное количество ферментов. Все знания об их функциях и работе были систематизированы, и в итоге появилась единая классификация, благодаря которой можно легко определить, для чего предназначен тот или иной катализатор. Здесь представлены 6 основных классов энзимов, а также примеры некоторых подгрупп.

1. Оксидоредуктазы.

Ферменты этого класса катализируют окислительно-восстановительные реакции. Всего выделяют 17 подгрупп. Оксидоредуктазы обычно имеют небелковую часть, представленную витамином или гемом.

Среди оксидоредуктаз часто встречаются следующие подгруппы:

а) Дегидрогеназы. Биохимия ферментов-дегидрогеназ заключается в отщеплении атомов водорода и переносе их на другой субстрат. Эта подгруппа чаще всего встречается в реакциях дыхания, фотосинтеза. В составе дегидрогеназ обязательно присутствует кофермент в виде НАД/НАДФ или флавопротеидов ФАД/ФМН. Нередко встречаются ионы металлов. Примерами могут служить такие энзимы, как цитохромредуктазы, пируватдегидрогеназа, изоцитратдегидрогеназа, а также многие ферменты печени (лактатдегидрогеназа, глутаматдегидрогеназа и т. д.).

б) Оксидазы. Ряд ферментов катализирует присоединение кислорода к водороду, в результате чего продуктами реакции могут быть вода или пероксид водорода (H 2 0, H 2 0 2). Примеры ферментов: цитохромоксидаза, тирозиназа.

в) Пероксидазы и каталазы - энзимы, катализирующие распад H 2 O 2 на кислород и воду.

г) Оксигеназы. Эти биокатализаторы ускоряют присоединение кислорода к субстрату. Дофамингидроксилаза - один из примеров таких энзимов.

2. Трансферазы.

Задача ферментов этой группы состоит в переносе радикалов от вещества-донора к веществу-реципиенту.

а) Метилтрансферазы. ДНК-метилтрансферазы - основные ферменты, контролирующие процесс репликации нуклеотидов играет большую роль в регуляции работы нуклеиновой кислоты.

б) Ацилтрансферазы. Энзимы этой подгруппы транспортируют ацильную группу с одной молекулы на другую. Примеры ацилтрансфераз: лецитинхолестеринацилтрансфераза (переносит функциональную группу с жирной кислоты на холестерин), лизофосфатидилхолинацилтрансфераза (ацильная группа переносится на лизофосфатидилхолин).

в) Аминотрансферазы - ферменты, которые участвуют в превращении аминокислот. Примеры ферментов: аланинаминотрансфераза, которая катализирует синтез аланина из пирувата и глутамата путем переноса аминогруппы.

г) Фосфотрансферазы. Ферменты этой подгруппы катализируют присоединение фосфатной группы. Другое название фосфотрансфераз, киназы, встречается намного чаще. Примерами могут служить такие энзимы, как гексокиназы и аспартаткиназы, которые присоединяют фосфорные остатки к гексозам (чаще всего к глюкозе) и к аспарагиновой кислоте соответственно.

3. Гидролазы - класс энзимов, которые катализируют расщепление связей в молекуле с последующим присоединением воды. Вещества, которые относятся к этой группе, - основные ферменты пищеварения.

а) Эстеразы - разрывают эфирные связи. Пример - липазы, которые расщепляют жиры.

б) Гликозидазы. Биохимия ферментов этого ряда заключается в разрушении гликозидных связей полимеров (полисахаридов и олигосахаридов). Примеры: амилаза, сахараза, мальтаза.

в) Пептидазы - энзимы, катализирующие разрушение белков до аминокислот. К пептидазам относятся такие ферменты, как пепсины, трипсин, химотрипсин, карбоиксипептидаза.

г) Амидазы - расщепляют амидные связи. Примеры: аргиназа, уреаза, глутаминаза и т. д. Многие ферменты-амидазы встречаются в

4. Лиазы - ферменты, по функции схожие с гидролазами, однако при расщеплении связей в молекулах не затрачивается вода. Энзимы этого класса всегда имеют в составе небелковую часть, например, в виде витаминов В1 или В6.

а) Декарбоксилазы. Эти ферменты действуют на С-С связь. Примерами могут служить глутаматдекарбоксилаза или пируватдекарбоксилаза.

б) Гидратазы и дегидратазы - ферменты, которые катализируют реакцию расщепления связей С-О.

в) Амидин-лиазы - разрушают С-N связи. Пример: аргининсукцинатлиаза.

г) Р-О лиазы. Такие ферменты, как правило, отщепляют фосфатную группу от вещества-субстрата. Пример: аденилатциклаза.

Биохимия ферментов основана на их строении

Способности каждого энзима определяются индивидуальным, только ему свойственным строением. Любой фермент - это, прежде всего, белок, и его структура и степень сворачивания играют решающую роль в определении его функции.

Для каждого биокатализатора характерно наличие активного центра, который, в свою очередь, делится на несколько самостоятельных функциональных областей:

1) Каталитический центр - это специальная область белка, по которой происходит присоединение фермента к субстрату. В зависимости от конформации белковой молекулы каталитический центр может принимать разнообразную форму, которая должна соответствовать субстрату так же, как замок ключу. Такая сложная структура объясняет то, что находится в третичном или четвертичном состоянии.

2) Адсорбционный центр - выполняет роль «держателя». Здесь в первую очередь происходит связь между молекулой фермента и молекулой-субстратом. Однако связи, которые образует адсорбционный центр, очень слабые, а значит, каталитическая реакция на этом этапе обратима.

3) Аллостерические центры могут располагаться как в активном центре, так и по всей поверхности фермента в целом. Их функция - регулирование работы энзима. Регулирование происходит с помощью молекул-ингибиторов и молекул-активаторов.

Активаторные белки, связываясь с молекулой фермента, ускоряют его работу. Ингибиторы же, напротив, затормаживают каталитическую активность, причем это может происходить двумя способами: либо молекула связывается с аллостерическим центром в области активного центра фермента (конкурентное ингибирование), либо она присоединяется к другой области белка (неконкурентное ингибирование). считается более действенным. Ведь при этом закрывается место для связывания субстрата с ферментом, причем этот процесс возможен только в случае практически полного совпадения формы молекулы ингибитора и активного центра.

Энзим зачастую состоит не только из аминокислот, но и из других органических и неорганических веществ. Соответственно, выделяют апофермент - белковую часть, кофермент - органическую часть, и кофактор - неорганическую часть. Кофермент может быть представлен улгеводами, жирами, нуклеиновыми кислотами, витаминами. В свою очередь, кофактор - это чаще всего вспомогательные ионы металлов. Активность ферментов определяется его строением: дополнительные вещества, входящие в состав, меняют каталитические свойства. Разнообразные виды ферментов - это результат комбинирования всех перечисленных факторов образования комплекса.

Регуляция работы ферментов

Энзимы как биологически активные вещества не всегда необходимы организму. Биохимия ферментов такова, что они могут в случае чрезмерного катализа навредить живой клетке. Для предотвращения пагубного влияния энзимов на организм необходимо каким-то образом регулировать их работу.

Т. к. ферменты имеют белковую природу, они легко разрушаются при высоких температурах. Процесс денатурации обратим, однако он может существенно повлиять на работу веществ.

pH также играет большую роль в регуляции. Наибольшая активность ферментов, как правило, наблюдается при нейтральных значениях pH (7,0-7,2). Также есть энзимы, которые работают только в кислой среде или только в щелочной. Так, в клеточных лизосомах поддерживается низкий pH, при котором активность гидролитических ферментов максимальна. В случае их случайного попадания в цитоплазму, где среда уже ближе к нейтральной, их активность снизится. Такая защита от «самопоедания» основана на особенностях работы гидролаз.

Стоит упомянуть о значении кофермента и кофактора в составе ферментов. Наличие витаминов или ионов металла существенно влияет на функционирование некоторых специфических энзимов.

Номенклатура ферментов

Все ферменты организма принято называть в зависимости от их принадлежности к какому-либо из классов, а также по субстрату, с которым они вступают в реакцию. Иногда по используют в названии не один, а два субстрата.

Примеры названия некоторых энзимов:

1. Ферменты печени: лактат-дегидроген-аза, глутамат-дегидроген-аза.
2. Полное систематическое название фермента: лактат-НАД+-оксидоредукт-аза.

Сохранились и тривиальные названия, которые не придерживаются правил номенклатуры. Примерами являются пищеварительные ферменты: трипсин, химотрипсин, пепсин.

Процесс синтеза ферментов

Функции ферментов определяются еще на генетическом уровне. Т. к. молекула по большому счету - белок, то и ее синтез в точности повторяет процессы транскрипции и трансляции.

Синтез ферментов происходит по следующей схеме. Вначале с ДНК считывается информация о нужном энзиме, в результате чего образуется мРНК. Матричная РНК кодирует все аминокислоты, которые входят в состав энзима. Регуляция ферментов может происходить и на уровне ДНК: если продукта катализируемой реакции достаточно, транскрипция гена прекращается и наоборот, если возникла потребность в продукте, активизируется процесс транскрипции.

После того как мРНК вышла в цитоплазму клетки, начинается следующий этап - трансляция. На рибосомах эндоплазматической сети синтезируется первичная цепочка, состоящая из аминокислот, соединенных пептидными связями. Однако молекула белка в первичной структуре еще не может выполнять свои ферментативные функции.

Активность ферментов зависит от структуры белка. На той же ЭПС происходит скручивание протеина, в результате чего образуются сначала вторичная, а потом третичная структуры. Синтез некоторых ферментов останавливается уже на этом этапе, однако для активизации каталитической активности зачастую необходимо присоединение кофермента и кофактора.

В определенных областях эндоплазматической сети происходит присоединение органических составляющих энзима: моносахаридов, нуклеиновых кислот, жиров, витаминов. Некоторые ферменты не могут работать без наличия кофермента.

Кофактор играет решающую роль в образовании Некоторые функции ферментов доступны только при достижении белком доменной организации. Поэтому для них очень важно наличие четвертичной структуры, в которой соединяющим звеном между несколькими глобулами белка является ион металла.

Множественные формы ферментов

Встречаются ситуации, когда необходимо наличие нескольких энзимов, катализирующих одну и ту же реакцию, но отличающихся друг от друга по каким-либо параметрам. Например, фермент может работать при 20 градусах, однако при 0 градусов он уже не сможет выполнять свои функции. Что делать в подобной ситуации живому организму при низких температурах среды?

Эта проблема легко решается наличием сразу нескольких ферментов, катализирующих одну и ту же реакцию, но работающих в разных условиях. Существуют два типа множественных форм энзимов:

1. Изоферменты. Такие белки кодируются разными генами, состоят из разных аминокислот, однако катализируют одну и ту же реакцию.
2. Истинные множественные формы. Эти белки транскрибируются с одного и того же гена, однако на рибосомах происходит модификация пептидов. На выходе получают несколько форм одного и того же фермента.

В результате первый тип множественных форм сформирован на генетическом уровне, когда второй - на посттрансляционном.

Значение ферментов

В медицине сводится к выпуску новых лекарственных средств, в составе которых вещества уже находятся в нужных количествах. Ученые еще не нашли способ стимулирования синтеза недостающих энзимов в организме, однако сегодня широко распространены препараты, которые могут на время восполнить их недостаток.

Различные ферменты в клетке катализируют большое количество реакций, связанных с поддержанием жизнедеятельности. Одними из таких энизмов являются представители группы нуклеаз: эндонуклеазы и экзонуклеазы. Их работа заключается в поддержании постоянного уровня нуклеиновых кислот в клетке, удалении поврежденных ДНК и РНК.

Не стоит забывать о таком явлении, как свертывание крови. Являясь эффективной мерой защиты, данный процесс находится под контролем ряда ферментов. Главным из них является тромбин, который переводит неактивный белок фибриноген в активный фибрин. Его нити создают своеобразную сеть, которая закупоривает место повреждения сосуда, тем самым препятствуя излишней кровопотере.

Ферменты используются в виноделии, пивоварении, получении многих кисломолочных продуктов. Для получения спирта из глюкозы могут использоваться дрожжи, однако для удачного протекания этого процесса достаточно и экстракта из них.

Интересные факты, о которых вы не знали

Все ферменты организма имеют огромную массу - от 5000 до 1000000 Да. Это связано с наличием белка в составе молекулы. Для сравнения: молекулярная масса глюкозы - 180 Да, а углекислого газа - всего 44 Да.

На сегодняшний день открыто более чем 2000 ферментов, которые были обнаружены в клетках различных организмов. Однако большинство из этих веществ до конца еще не изучено.

Активность ферментов используется для получения эффективных стиральных порошков. Здесь энзимы выполняют ту же роль, что и в организме: они разрушают органические вещества, и это свойство помогает в борьбе с пятнами. Рекомендуется использовать подобный стиральный порошок при температуре не выше 50 градусов, иначе может пойти процесс денатурации.

По статистике, 20% людей по всему миру страдает от недостатка какого-либо из ферментов.

О свойствах энзимов знали очень давно, однако только в 1897 году люди поняли, что для сбраживания сахара в спирт можно использовать не сами дрожжи, а экстракт из их клеток.

Описание презентации ЛЕКЦИЯ № 1 Введение в биохимию. Ферменты по слайдам

План лекции I. Биохимия – как наука. Предмет, цели и задачи биохимии. II. Метаболизм. Основные понятия. Виды метаболических реакций. III. Энзимология. 1. Ферменты. Определение, химическая природа, физико-химические свойства, биологическое значение. 2. Сравнение ферментов и неорганических катализаторов 3. Строение ферментов

Биохимия – наука, изучающая вещества, входящие в состав живых организмов, их превращения, а также взаимосвязь этих превращений с деятельностью органов и тканей Биохимия – молодая наука, около ста лет назад она возникла на стыке физиологии и органической химии. Термин биохимия ввел в 1903 г немецкий биохимик Карл Нейберг (1877 -1956). I. БИОХИМИЯ

Биохимия как наука делится на: Статическую (биоорганическая химия) анализирует структуру и химический состав организмов Динамическую изучает обмен веществ и энергии в организме Функциональную исследует взаимодействие химических процессов с биологическими и физиологическими функциями OH H O H O HO HH HO HCO 2 + H 2 O ÀÄÔ + Ôí ÀÒÔ À Ò Ô À Ä Ô + Ô í

По объектам исследования, биохимия делится на: биохимию человека и животных; биохимию растений; биохимию микроорганизмов; биохимию грибов; биохимию вирусов. Мы с вами будем заниматься медицинской биохимией, одним из разделов биохимии человека и животных

Объектом медицинской биохимии является человек Целью курса медицинской биохимии является изучение: молекулярных основ физиологических функций человека; молекулярных механизмов патогенеза болезней; биохимических основ предупреждения и лечения болезней; биохимических методов диагностики болезней и контроля эффективности лечения (клиническая биохимия)Задачи курса медицинской биохимии: изучить теоретический материал; получить практический навык биохимических исследований; научиться интерпретировать результаты биохимических исследований

II. Метаболизм В основе жизнедеятельности любого организма лежат химические процессы. Метаболизм (обмен веществ) – совокупность всех реакций, протекающих в живом организме А FB C DЭнергия Тепло Катаболизм Анаболизм

Метаболиты – вещества, участвующие в метаболических процессах (субстраты, А, В, С, продукты) Субстрат – вещество, которое вступает в химическую реакцию Продукт – вещество, которое образуется в ходе химической реакции Субстрат Продукт. Последовательность реакций, в результате которых субстрат превращается в продукт называется метаболический путь А В СОрганические соединения имеют сложную структуру и синтезируются только в ходе нескольких последовательных реакций Пример метаболического пути: Гликолиз, цепь окислительного фосфорилирования

Субстрат Продукт 2 Последовательность реакций, идущие в обход основного метаболического пути называется метаболическим шунтом А ВD EПродукт 3 Продукт 1 Примеры метаболических шунтов: 1. пентозофосфатный шунт, 2. 2, 3 -дифосфоглицератный шунт

S 1 Последовательность реакций, в ходе которых образующийся продукт, является одновременно и субстратом данных реакций называется метаболическим циклом S 2(P) A CBПродукт 1 Продукт 2 Примеры метаболических циклов: 1. Цикл Кребса, 2. Орнитиновый цикл 3. Цикл β — окисления жирный кислот 4. Глюкозо-лактатный цикл, 5. Глюкозо-аланиновый цикл

Энзимология – наука, раздел биохимии, о ферментах. III. Энзимология строение и свойства ферментов; ферментативные реакции и механизмы их катализа; регуляцию активности ферментов. Предметом изучения энзимологии являются ферменты. Энзимология изучает: Медицинская энзимология — изучает применение ферментов в медицины.

Практически все реакции в живом организме протекают с участием ферментов Ферменты (энзимы) – биологические катализаторы белковой природы. Биологическая роль ферментов заключается в том, что они катализируют контролируемое протекание всех метаболических процессов в организме Физико-химические свойства Являясь веществами белкой природы, ферменты обладают всеми свойствами белков Определение и химическая природа К 2013 году было описано более 5000 разных ферментов

Особенности действия ферментов 1. Ускоряют только термодинамически возможные реакции 2. Не изменяют состояние равновесия реакций, а только ускоряют его достижение 3. реакции ускоряют значительно, в 10 8 -10 14 раз 4. Действуют в малых количествах 5. В реакциях не расходуются 6. Чувствительны к активаторам и ингибиторам. 7. Активность ферментов регулируется специфическими и неспецифическими факторами 8. Ферменты действуют только в мягких условиях (t = 36 -37ºС, р. Н ~ 7, 4, атмосферное давление) 9. Обладают широким диапазоном действия, катализируют большинство реакций в организме 10. Для ферментов характерна высокая специфичность субстратная специфичность: ▪ абсолютная (1 фермент — 1 субстрат), ▪ групповая (1 фермент – несколько похожих субстратов), ▪ стереоспецифичность (ферменты работают с субстратами L или D). каталитическая специфичность (ферменты катализируют реакции одного из типов химических реакций)О б щ ее с неорганическим и катал изаторам и

1. Активный центр – это часть молекулы фермента, которая специфически взаимодействует с субстратом и принимает непосредственное участие в катализе б). Каталитический центр. Активный центр, как правило, находиться в нише (кармане) Содержит, не менее трех точек для связывания субстрата, благодаря чему молекула субстрата присоединяется к активному центру единственно возможным способом, что обеспечивает субстратную специфичность фермента 1. Активный центр а). Субстратный участок (контактная площадка) Особенность строения каталитического центра дает возможность ферменту катализировать реакцию с помощью определенного механизма катализа: кислотно-основного, электрофильного, нуклеофильного и т. д. Т. о. каталитический центр обеспечивает выбор пути химического превращения и каталитическую специфичность фермента. Строение ферментов Ферменты – глобулярные белки, содержащие активный центр

Фермен т +- 0 Субстрат Ферменты характеризуются наличием специфических центров катализа Субстратный участок Каталит. центр Активный центр + 0 -Продук т

02. Алостерический центр У группы регуляторных ферментов есть алостерические центры, которые находятся за пределами активного центра К алостерическому центру могут присоединяться “+” модуляторы (активаторы), увеличивающие активность ферментов. Алостерический центр и контактная площадка устроены аналогично + -0+ Активатор

02. Аллостерический центр Также к аллостерическому центру могут присоединяться “-” модуляторы (ингибиторы), угнетающие активность ферментов. -0+ Ингибитор —

По составу ферменты делятся на: Простые Состоят только из аминокислот -Сложные Состоят из: 1. Аминокислот; 2. Ионы металлов 3. Органических веществ небелковой природы 0+ Апофермент. Простетическая группа+ — 0 Белковая часть (из аминокислот) сложного фермента называют Апофермент Небелковую часть сложного фермента называют Простетическая группа Ионы металлов (кофакторы) Органических веществ небелковой природы (коферменты)

Коферменты — органические вещества небелковой природы, которые участвуют в катализе в составе каталитического участка активного центра фермента называют. Каталитически активную форму сложного белка называют холоферментом Холофермент = Апофермент + Кофермент. Кофакторы — ионы металлов, необходимые для проявления каталитической активности ферментов называют

В качестве коферментов функционируют: Витамины Активация Коферменты РР (никотиновая кислота) НАД + , НАДФ + В 1 (тиамин) В 2 (рибофлавин) Тиаминпирофосфат ФАД, ФМН В 6 (пиридоксаль) Пиридоксальфосфат В 12 Кобаламины Гемы (коферменты цитохромов); Нуклеотиды (коферменты рибосом); коэнзим Q ; ФАФС (коферменты трансфераз); SAM ; Глутатион (кофермент глутатионпероксидазы); Производные водорастворимых витаминов:

— 0+ +- 0++ — 0+ + — 0 Косубстрат – простетическая группа, которая присоединена к белковой части слабыми нековалентными связями. Косубстрат присоединяется к ферменту в момент реакции: Например, НАД + , НАДФ +. +- 0+ Продукт Фермент + Субстрат Фермент Косубстрат Фермент-субстратный комплекс Косубстрат- 0+Простетическая группа обычно прочно связана с апоферментом.

Кофакторы В качестве кофакторов выступают ионы калия, магния, кальция, цинка, меди, железа и т. д. стабилизируют молекулы субстрата и обеспечивают его связывание; стабилизируют активный центр фермента, стабилизируют третичную и четвертичную структуру фермента; обеспечивают катализ. Роль кофакторов разнообразна, они:

Например, АТФ присоединяется к киназам только вместе с Mg 2+ + Субстрат (АТФ)Кофактор (Mg 2+) + — 0 Фермент Активный субстрат (АТФ- Mg 2+) — 0+ + — 0+ Фермент-субстратный комплекс Продукт (АДФ) — 0+ Фермент. Кофактор (Mg 2+)

Локализация и компартментализация ферментов в клетке и тканях По локализации в организме ферменты делятся: Общие ферменты (универсальные) Органоспецифические ферменты Органеллоспецифические ферменты. Органеллонеспецифические ферменты. По локализации в клетке ферменты делятся: Креатинкиназы, аминотрансферазы и тд. Ферменты гликолиза, рибосомы и т. д.

Обнаруживаются практически во всех клетках, обеспечивают основные процессы жизнедеятельности клетки: 1. Общие ферменты (универсальные) Ферменты: гликолиза, цикла Кребса, окислительного фосфорилирования, ПФШ и т. д. Синтез и использование АТФ; метаболизм белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов и других органических веществ; создание электрохимического потенциала; движение и т. д.

2. Органоспецифические ферменты Костная ткань Щелочная фосфатаза Миокард АСТ, АЛТ, КФК МВ, ЛДГ 1, 2 Почки Трансамидиназ а, щелочная фосфатаза Печень Аргиназа, АЛТ, АСТ, ЛДГ 4, 5 , щелочная фосфатаза, γ -глутамилтранспептидаза, глутаматдегидрогеназа холинэстераза. Свойственны определенным органам или тканям (или группе органов и тканей). Обеспечивают выполнение ими специфических функций Простата Кислая фосфотаза. Поджелудочная железа α-амилаза, липаза, γ -глутамилтранспептидаза

Распределение ферментов в органах печень миок. Скел. муск Почки Er Кость Простата АСТ АЛТ ЛДГ КФК ЩФ КФ 0 -10% 10 -50% 50 -75% 75 -100%

3. Органеллоспецифические ферменты Клеточная мембрана Щелочная фосфатаза, Аденилатциклаза, К-Nа-АТФаза Цитоплазма Ферменты гликолиза, ПФШ Гладкий ЭПР Ферменты микросомального окисления Рибосомы Ферменты биосинтеза белка. Лизосомы Кислая фосфатаза. Митохондрии Ферменты окислительного фосфорилирования, ЦТК, β-окисления жирных кислот Ядро РНК-полимераза, НАД-синтетаза

Изоферменты – это множественные формы одного фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, и отличающие химическим составом Изоферменты отличаются: сродством к субстрату (разные Км), максимальной скорости катализируемой реакции, электрофоретической подвижности, разной чувствительности к ингибиторам и активаторам, оптимуму р. Н термостабильности Изоферменты имеют четвертичную структуру, которая образована четным количеством субъединиц (2, 4, 6 и т. д.): Изоферменты У белков с четвертичной структурой и разными субъединицами за счет меньшего количества генов создается большее разнообразие форм.

Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) ЛДГ состоит из 4 -х субъединиц 2 типов М (muscle) и Н (heart), которые в разных комбинациях образуют 5 изоформ М (muscle)Н (heart) В составе преобладают дикарбоновые АК В составе преобладают диаминомонокарбоновые АК Ë Ä ÃC O O H C C H 3 O Ï Ê 2 Í À Ä + 2 Í À Ä Í 2 C O O H C C H 3 O H Ë à ê ò à òH фермент гликолиза и глюконеогенеза

ЛДГ 1 НННН ЛДГ 2 НННМ ЛДГ 3 ННММ ЛДГ 4 НМММ ЛДГ 5 ММММ О 2 Н (heart) М (muscle) эпителий лёгочных альвеолмиокард, эритроциты, корковое вещество почек поперечно-пол осатая скелетная мускулатура, гепатоцитыр. Н нейтральная р. Н кислая

Креатинкиназа (креатинфосфокиназа) КФК состоит из 2 -х субъединиц 2 типов М (от англ, muscle — мышца) и В (от англ, brain — мозг) , которые в разных комбинациях образуют 3 изоформы: КФК ВВ КФК ММКФК играет важную роль в энергетическом обмене мышечной и нервной тканей

Определение в крови активности органо- органеллоспецифических ферментов и изоферментов широко используется в клинической диагностике: Инфаркт миокарда АСТ, АЛТ, КФК МВ, ЛДГ 1, 2 Панкреатит Панкреатическая амилаза, γ -глутамилтранспептидаза, липаза Гепатит АЛТ, АСТ, ЛДГ 4, 5 , γ -глутамилтранспептидаза, глутаматдегидрогеназа

Номенклатура – названия индивидуальных соединений, их групп, классов, а также правила составления этих названий Классификация – разделение чего-либо по выбранным признакам Номенклатура и классификация ферментов

Современная номенклатура ферментов – международная, переведена на разные языки Исторически сложившиеся названия: (пепсин, трипсин) рабочие названия: субстрат + окончание аза (сахараза) субстрат + его хим. превращение + аза (пируваткарбоксилаза) Тривиальная Систематическая По названию можно точно идентифицировать фермент и его катализируемую реакцию. В каждом классе строится по определённой схеме Принята в 1961 г Международным союзом биохимиков

Классификация ферментов На основании 6 известных типов химических реакций ферменты, которые их катализируют, подразделяют на 6 классов. На основании субстратов, переносимых групп и т. д. в каждом классе выделяют несколько подклассов и поподклассов (от 5 до 23); Каждый фермент имеет свой шифр КФ 1. 1. Первая цифра обозначает класс, вторая — подкласс, третья — подподкласс, четвертая — порядковый номер фермента в его подподклассе (в порядке открытия). http: //www. chem. qmul. ac. uk/iubmb/enzyme/

№ Тип реакции Класс Подкласс Поподкласс 1 ОРВ Оксидоредуктазы 23 подклассов Оксидазы Аэробные ДГ Анаэробные ДГ Оксигеназы Гидроксипероксидазы 2 переноса функциональных групп Трансферазы 10 подклассов Киназы Аминотрасферазы Протеинкиназы Гексокиназы 3 Гидролитическое удаление группы от субстрата Гидролазы 13 подклассов Фосфотазы ФПФ 4 Негидролитическое удаление группы от субстрата Лиазы 7 подклассов 5 изомеризация изомеразы 5 подклассов 6 синтеза за счет энергии макроэргических соединений лигазы 6 подклассов C-O-лигаза, C-S-лигаза, C-N-лигаза, C-C-лигаза

Номенклатура ферментов В правилах названия ферментов нет единого подхода – в каждом классе свои правила Название фермента состоит из 2 частей: 1 часть – название субстрата (субстратов), 2 часть – тип катализируемой реакции. Окончание – АЗА; Дополнительная информация, если необходима, пишется в конце и заключается в скобки: L -малат + НАДФ + ↔ ПВК + СО 2 + НАДН 2 L -малат: НАДФ+ — оксидоредуктаза (декарбоксилирующая);

1. Оксидоредуктазы Название класса: донор: акцептор (косубстрат) оксидоредуктаза R — CH 2 — O H + НАД + R — CH =О + НАД Н 2 Систематическое название: Алкоголь: НАД + оксидоредуктаза Тривиальное название: алкогольдегидрогеназа Шифр: КФ 1. 1 ℮ — и Н +

2. Трансферазы Название класса: откуда: куда в какое положение – что – трансфераза донор: акцептор – транспортируемая группа – трансфераза АТ Ф + D -гексоза АДФ + D -гексоза -6 ф Систематическое название: АТ Ф: D -гексоза -6 — фосфо трансфераза Тривиальное название: гексокиназа Шифр: КФ 2. 7. 1. 1 Атомы и молекулярные остатки

3. Гидролазы Название класса: Субстрат – что отщепляется –гидролаза Субстрат –гидролаза Ацетилхолин + Н 2 О Ацетат + Холин Систематическое название: Ацетилхолин -ацил гидролаза Тривиальное название: Ацетилхолинэстераза Шифр: КФ 3. 1. 1.

4. Лиазы Название класса: субстрат: что отщепляется –лиаза L-малат Н 2 О + фумарат Систематическое название: L-малат: гидро –лиаза Тривиальное название: фумараза Шифр: КФ 4. 2. 1.

5. Изомеразы Название класса: Субстрат – вид изомеризации – изомераза Субстрат – продукт – изомераза Фумаровая к-та Малеиновая к-та Систематическое название: Фумарат –цис, транс–изомераза

6. Лигазы (синтетазы) Название класса: субстрат: субстрат – лигаза (источник энергии) L-глутамат + NH 4 + + АТФ L-глутамин + АДФ + Фн Систематическое название: L-глутамат: аммиак – лигаза (АТФ → АДФ + Фн) Тривиальное название: глутаминсинтетаза Шифр: КФ 6. 3. 1.

Ферменты

Ферменты, или энзимы – это белковой природы, образующиеся и функционирующие во всех живых организмах. Слово фермент происходит от лат. fermentum – закваска, другое название ферментов – энзимы от греч. en zyme – в дрожжах.

Впервые ферментативные процессы были открыты в бродильном производстве. Современная ферментология или энзимология – это наука о ферментах, их структурной организации. Она решает задачи изучения механизмов действия ферментов, путей регуляции ферментной активности. Такой интерес к биокатализаторам не случаен. Ферменты – это важнейшие компоненты клетки, без них невозможны синтез, распад и взаимопревращения в живых организмах. Через ферментный аппарат и регуляцию его активности происходит и регуляция скорости метаболических реакций. Изучение важно для биологии, медицины, фармации, многих областей народного хозяйства. Установлено, что многие заболевания человека связаны с нарушением деятельности ферментов, целый ряд ферментов является лекарственными препаратами.

Общие и специфические свойства ферментов.
Являясь катализаторами, то есть веществами, ускоряющими реакции, ферменты имеют ряд общих свойств с химическими небиологическими катализаторами.
1. Ферменты и входят в состав конечных Р и выходят из реакции в неизменном виде, они не расходуются в процессе катализа.
2. Ферменты не могут возбудить реакций, противоречащим законам термодинамики, они ускоряют только те реакции, которые могут протекать и без них.
3. Ферменты, как правило, не смещают положения равновесия реакции, а лишь ускоряют его достижение.
Вместе с тем ферменты обладают и специфическими свойствами:
1. По химическому строению ферменты являются белками (99,9).
2. Эффективность ферментов на несколько порядков выше, чем небиологических катализаторов.
Например: H2O2  H2O + ½ O2
а) если реакция протекает без катализатора, то Еа = 75,7 кдж/моль, пузырьки О2 почти не видны;
б) если прибавить катализатор небиологический то Еа = 54,1 кдж/моль, пузырьки отчетливо видны;
в) если прибавить биологический катализатор каталазу, то Еа = 18 кдж/моль, раствор просто «кипит».
3. Высокая специфичность – каждый фермент катализирует одну единственную реакцию или одну группу реакций, тогда как неорганические катализаторы действуют при различных типах реакций.
4. Ферменты катализируют реакции в «мягких» условиях: при нормальном Р, рН = 7,0. Для неорганических катализаторов присуща необходимость экстремальных значений рН, нагревание до очень высоких температур.

Химическая природа и строение ферментов.
Важным доказательством белковой природы ферментов явились работы Пастера (инактивация ферментов брожения при кипячении), Павлова (доказал белковую природу пепсина – фермента желудочного сока) и т.д.
1) важный признак белковой природы ферментов – их большая Mr. Например, у ДГ Mr = 4 106; 4,8 105 и т.д.
2) растворы ферментов имеют коллоидный характер – они не проходят через полунепроницаемую мембрану, осаждаются из растворов теми же реактивами, что и белки;
3) ферменты денатурируют и теряют свою активность под влиянием высокой температуры, УЗ, сильных щелочей и других факторов;
4) ферменты, как и белки, обладают амфотерными свойствами, электрофоретической подвижностью и рI.
5) как и белки, ферменты обладают высокой специфичностью;
6) наконец, прямым доказательством белковой природы ферментов явился искусственный синтез ферментов (рибонуклеаза, лизоцим), которые не отличаются по свойствам и биологической активности от природных аналогов.
Ферменты

простые белки сложные белки
состоят только из ППЦ состоят из ППЦ + небелковый компонент
(гидролитические ферменты – пепсин, трипсин, уреаза и др.)
или ферменты–протеины (ацетил КоА, лактат ДГ и т.д.)
или ферменты–протеиды
В ферментах-протеидах белковая часть называется апоферментом, а небелковая – простетической группой. Общее название сложных ферментов – холофермент.
Если простетическая группа слабо связана с белковой частью и легко диссоциирует, она называется коферментом. Кофермент может соединяться с разными белками, и именно белковая часть определяет специфичность действия сложных ферментов. Вместе с тем, без кофермента сложный фермент не может функционировать, так как кофермент, как правило, непосредственно контактирует с субстратом (S) и служит в качестве переносчика ē, атомов или группы атомов.
Кофакторы, или коферменты это:
1) ионы Me – Mg2+, Ca2+, Cu2+, Mn2+ b lh/$
2) витамины и их фосфорные эфиры – витамин Н (биотин)(в составе коферментов карбоксилирования), липоевая, фолиевая кислоты, В1 и др.;
3) мононуклеотиды ФМН, АТФ, ГТФ и т.д.;
4) большая часть коферментов – это динуклеотиды НАД, НАДФ, HS-KoA и др.
При гиповитаминозах и авитаминозах недостаток витаминов ослабляет биосинтез многих ферментов и вызывает гипокоферментоз. Коферменты выполняют также важную роль в стабилизации и охране апоферментов. Последние без коферментов скорее разрушаются протеолитическими ферментами.
Таким образом, сами по себе ни коферменты, ни апоферменты каталитической активностью не обладают, а только в комплексе друг с другом.
Молекулы S-в чаще всего имеют небольшие размеры по сравнению с молекулами ферментов, поэтому при образовании Е-S-го комплекса в контакт с S вступает ограниченная часть аминокислот ППЦ, которая называется активным центром (АЦФ). У Е-протеидов в состав АЦФ входят также и простетические группы.
Таким образом, активный центр фермента – это уникальная комбинация аминокислотных остатков, обеспечивающих непосредственное взаимодействие Е и S и прямое участие в акте катализа.
АЦФ

связывающий центр каталитический центр
участок, где происходит связывание S и Е – это контактная или «якорная» площадка участок, где происходит превращение S после его связывания
При сближении Е и S и образовании ЕS-комплекса нуклеофильные и электрофильные группы АЦФ, отдавая или принимая ē-ны, тем самым как бы «расшатывают» электронную структуру S, активируя его и ускоряя химическую реакцию. Есть ферменты, имеющие несколько АЦФ – уреаза–3; алкоголь ДГ–4; ацетилхолингетераза – 25-30 АЦФ у разных животных.

Аллостерические центры ферментов.
Кроме АЦФ, у ферментов имеются и аллостерические (греч. allos – другой) или инопространственные центры. Это место воздействия на ферменты разных регуляторных факторов. Взаимосвязь между АЦФ и АЛЦФ называется аллостерическими взаимодействиями. Важная особенность АЛЦФ – их более высокая по сравнению с АЦФ чувствительность к различным воздействиям.
Например, при повышении температуры и применении рН раньше затормаживается функция АЛЦФ. В частности, при повышении температуры аллостерический центр гексокиназы теряет чувствительность к регуляторному воздействию инсулина и глюкокортикоидов, а функциональная активность ферментов сохраняется и продолжает фосфорилировать глюкозу за счет АТФ.

Регуляторное воздействие на аллостерический центр оказывают: различные метаболиты ферментативных реакций, гормоны и продукты их обмена, медиаторы НС и т.д. Они называются эффекторами или модификаторами. Их молекулы не сходны с молекулами S-в.
Связываясь с аллостерическим центром, эффекторы изменяют ТС и ЧС ферментов, тем самым изменяют конфигурацию АЦФ, что приводит к повышению (активированию) или понижению (ингибированию) ферментативной активности.
Изоферменты – это молекулярные формы ферментов, возникающие вследствие генетических различий в ПС ферментного белка. Это группа ферментов, которые присутствуют внутри одного вида (ЛДГ) или внутри одной клетки (аминотрансферазы), имеют одинаковый механизм действия, но отличаются по некоторым физико-химическим свойствам: электрофоретической подвижности, иммунобиологическим реакциям. Например, существует в виде пяти изоферментов. Хотя они катализируют одну и ту же реакцию, отличаются по своей Кт. У них одинаковая Mr (134.000) и по 4 ППЦ с Mr 33.500. Пять изоферментов соответствую пяти различным комбинациям двух разных типов ППЦ, названных M – (muscle) и H– (heart) цепями. Изофермент М4 – находится в мышечной ткани, содержит идентичные 4М-цепи; Н4 – находится в сердце, содержит идентичные 4Н-цепи. Остальные три изофермента – это различные сочетания М3Н; М2Н2; МН3. Два типа цепей – М и Н, кодируются двумя различными генами, сочетание ППЦ находится под генетическим контролем. Наличие изоферментов и изменение их соотношения в организме – один из способов регуляции ферментов.

Современная классификация ферментов и их номенклатура
Согласно классификации, разработанной Международной комиссией по ферментам (1961г.) все ферменты делят на шесть классов. Классы делятся на подклассы, а последние – на подподклассы, внутри которых ферменту присваивается свой порядковый номер. Например, ЛДГ имеет шифр. 1.1.1.27. 1- название класса – оксидоредуктазы – указывает тип ферментной реакции; 2-я цифра показывает номер подкласса; подкласс уточняет действие фермента, так как указывает в общих чертах на природу химической группы S. Подподкласс – уточняет природу атакуемой химической связи S или природу акцептора. № 27 – порядковый № ЛДГ в подподклассе.
1) Оксидоредуктазы – катализируют реакции окисления-восстановления – содержат 17 подклассов и ~ 480 Е. Например: ЛДГ.
2) Трансферазы – катализируют реакции переноса различных групп от одного S (донор) к другому (акцептор). 8 подклассов в зависимости от вида переносимых групп и ~ 500 Е. Например: фермент холинацетилтрансфераза – катализирует перенос остатка уксусной кислоты на холин  ацетилхолин.
3) Гидролазы – катализируют разрыв связей в S с присоединением воды. Содержат 11 подклассов и ~ 460 Е. К гидролазам относятся пищеварительные ферменты, а также ферменты, входящие в состав лизосом и других органоидов клетки, где они способствуют распаду крупных молекул на более мелкие.
4) Лиазы – катализируют реакции разрыва связей в S без присоединения воды или окисления. Содержат 4 подкласса и ~ 230 Е – участвуют в промежуточных реакциях синтеза (синтазы) или распада (дегидратазы).
5) Изомеразы – катализируют превращение изомеров друг в друга. От типа реакции изомеризации – различают мутазы (рацемазы). Содержат 5 подклассов и ~ 80 Е.
6) Лигазы (синтетазы) – катализируют реакции соединения двух молекул S с использованием Е фосфатных связей. Источником ферментов является АТФ и др. Содержат 5 подклассов, ~ 80 Е (например, гексокиназа, фосфофруктокиназа).

Номенклатура ферментов.
Существует два типа названий ферментов:
1) рабочее, или тривиальное;
2) систематическое.
Рабочее название – название S + тип реакции + окончание аза. Лактат + реакция дегидрогенизации + аза ЛДГ.
Для некоторых ферментов оставлены их рабочие названия: пепсин, трипсин и т.д.
Систематическое название – название обоих S + тип реакции + аза.
-Лактат (S1): НАД+ (S2) – оксидоредуктаза.
Систематическое название дается только тем ферментам, структура которых полностью изучена. В одной клетке находится ~ 104 молекул ферментов, катализируется ~ 2000 разных реакций. В настоящее время известно около 1800 ферментов, в кристаллическом виде получено ~ 150 ферментов.
Общие представления о катализе
Вероятность протекания химической реакции определяется разницей между свободной Е исходных веществ и свободной Е продуктов реакции. Ферменты ускоряют химические реакции за счет энергии активации – Еа.
Еа – это дополнительная энергия, необходимая для перевода всех молекул одного вещества в активное состояние при данной температуре. (Аррениус – понятие об Еа).
Таким образом, Vфр зависит от энергетического барьера, который необходимо преодолеть реагирующим веществам, причем высота этого барьера неодинакова для различных реакций.
Чем выше энергия активации, тем медленнее протекает реакция. Ea не виляет на изменение свободных ферментов исходных веществ и продуктов реакции, то есть ∆G, то есть энергетическая возможность реакции не зависит от фермента.
Фермент понижает Ea (пик 2), то есть снижает высоту барьера в результате чего возрастает доля реакционноспособных молекул, а, следовательно, увеличивается Vфр. Чем больше снижается Ea, тем эффективнее действует катализатор и тем больше ускоряется реакция.
S - исходный субстрат

P – конечный продукт

ΔG – стандартное изменение свободной энергии

Еа нфр – энергия активации неферментативной реакции

Еа фр – энергия активации ферментативной реакции

Механизм действия ферментов
Большую роль в развитии представлений о механизме действия ферментов сыграли классические работы Михаэлиса и Ментен, которые развили положения о Е-S-х комплексах. Согласно их представлениям (1915г.), ферменты обратимо соединяются со своим S, образуя нестойкий промежуточный продукт – Е-S-комплекс, который в конце реакции распадается на ферменты и продукты реакции (Р). Фактически в природе идет ступенчатое превращение S через целый ряд промежуточных реакций: ES1→ ES2→ ES3 … → E + P. Схематически преобразование S в Р можно представить таким образом:

АЦФ, как правило, располагается в глубине молекулы Е.
Математическая обработка реакции образование ЕS-комплекса позволила вывести уравнение, которое называется уравнением Михаэлиса-Ментен:

где Vфр – наблюдаемая скорость фр;
Vmax – максимальная скорость фр при неполном насыщении фермента S-том;
[S] – концентрация S;
Км – константа Михаэлиса-Ментен.
Графически уравнение Михаэлиса-Ментен имеет следующий вид:

При низкой [S] Vфр прямо пропорциональна [S] в каждый данный момент времени (реакция 1-го порядка).
Из уравнения Михаэлиса-Ментен также следует, что при низком значении Км и высоком значении [S] Vфр является максимальной (в) и не зависит от [S] – это реакция нулевого порядка. Реакция нулевого порядка соответствует явлению, которое называется полным насыщением фермента субстратом.
Гипербола, выражающая зависимость Vфр от [S], называется кривой Михаэлиса. Чтобы правильно определить активность ферментов, нужно добиться реакции нулевого порядка, то есть определять Vфр при насыщающих концентрациях S.
Км численно равна [S] (моль(л)), при которой V реакции равна половине от максимальной.
Для определения численного значения Км находят ту [S], при которой Vфр составляет от ½ от Vmax.
Таким образом, определение Км играет важную роль для выяснения МД модификаторов на активность фермента.

Иногда график строят методом двойных обратных величин – метод Лайнуивера-Бэрка:
Значение как Vmax, так и Км более точно определяется методом двойных обратных величин.