Ферменты. Факторы, влияющие на активность ферментов. классификация и номенклатура ферментов

ФЕРМЕНТЫ. общие свойства. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ. Факторы, влияющие на активность ферментов. классификация и номенклатура ферментов

План

Ферменты, понятие, сходства и отличия ферментов  и неорганических катализаторов

Сложность строения ферментов. Механизм ферментативного  катализа

3. Высокая  мощность действия ферментов

4. Специфичность  ферментов

5. Факторы,  влияющие на активность ферментов

Классификация и номенклатура ферментов 
 
 

Ферменты, понятие, сходства и отличия ферментов  и неорганических катализаторов 

Термин  «фермент» произошел от лат. «fermentum» – закваска. В англоязычной литературе употребляется термин «энзим» от греч. «enzyme» – в закваске. Это отражает участие ферментов в брожении УГВ. 

Ферменты  – это специализированные белки, образуются в клетках и способны ускорять биохимические процессы, т.е. это биологические катализаторы. 

Многие  ферменты для проявления каталитической активности нуждаются в присутствии  некоторых веществ небелковой природы  – кофакторов. Различают 2 группы кофакторов – ионы металлов (а также некоторые неорганические соединения) и коферменты, которые представляют собой органические вещества. В числе коферментов есть такие, которые содержат металлы (железо в геме, кобальт в кобаламиде). 

Фермент, содержащий кофермент, называется холофермент, его белковая часть называется апофермент (двухкомпонентные, или сложные ферменты). Кроме этого различают простые (однокомпонентые ферменты) – состоят только из белковой части. 

Сходства  ферментов и неорганических катализаторов:

катализируют  только энергетически возможные  реакции;

не изменяют равновесия в обратимых реакциях;

не изменяют направление реакции;

не расходуются  в результате реакции. 

Отличия между ферментами и неорганическими  катализаторами (общие свойства ферментов):

сложность строения;

высокая мощность действия. За единицу фермента принимают такое его количество, которое катализирует превращение 1мкМ вещества за 1 минуту;

специфичность;

это вещества с регулируемой активностью;

действуют в мягких условиях организма. 

Сложность строения ферментов. Механизм ферментативного  катализа 

Сложность строения Ферменты по химической природе  – этот белки. В отличие от белков у ферментов имеется активный центр (АЦ). АЦ – это уникальная для  каждого фермента совокупность функциональных групп аминокислотных остатков, строго ориентированных в пространстве за счет третичной или четвертичной структуры фермента. В АЦ различают  субстратный  и каталитический участки. Субстратный – это «руки» фермента. Он обуславливает субстратную специфичность фермента, т.е. сродство фермента к субстрату. Субстрат -  это вещество, на которое действует фермент. Раньше считали, что взаимодействие фермента и субстрата происходит по типу «ключ к замку», т.е. АЦ фермента должен точно соответствовать субстрату, как ключ к замку. Сейчас считается, что точного соответствия между ферментом и субстратом нет, оно возникает в процессе взаимодействия фермента с субстратом (теория вынужденного соответствия). Второй участок в АЦ – каталитический. Он обуславливает специфичность действия фермента, т.е. тип ускоряемой реакции. 

По строению все ферменты можно разделить  на однокомпонентные (простые, или ферменты-протеины) и двухкомпонентные (сложные, или  ферменты-протеиды). Ферменты-протеины построены по типу простых белков – состоят только из аминокислот. Ферменты-протеиды состоят из белковой части – апофермента и небелковой части – кофермента.Апофермент обуславливает субстратную специфичность, т.е. играет роль субстратного участка АЦ, а кофермент играет роль каталитического участка АЦ, т.е. обуславливает специфичность действия. Коферментами могут быть металлы, витамины и другие небелковые низкомолекулярные вещества. 

Некоторые ферменты, имеющие четвертичную структуру  помимо АЦ могут иметь аллостерический центр. Он служит для регуляции активности ферментов. 

Некоторые двухкомпонентные ферменты имеют несколько  молекулярных форм – изоферменты. Изоферменты  – это множественные формы  одного и того же фермента, которые  имеют одинаковые коферменты, но разные апоферменты. Изоферменты действуют  на один и тот же субстрат, ускоряют одну и ту же реакцию с ним, но находятся в разных органах и  тканях (обладают органоспецифичностью) и отличаются по молекулярной массе, величине заряда и другим физико-химическим свойствам, что позволяет их разделить при электрофорезе. Органоспецифичность изоферментов играет важную роль в органной диагностике болезней, так как при патологии того или иного органа в кровь выходит определенный изофермент. Например, лактатдегидрогеназа – фермент, ускоряющий обратимую реакцию дегидрирования лактата (молочной кислоты) – реакцию см. в учебнике по алфавитному каталогу на «Лактат». Различают 5 изоферментов ЛДГ: ЛДГ1 – в сердце и почках; ЛДГ2 – преимущественно в почках, немного меньше в сердце; ЛДГ3 – в основном в почках; ЛДГ4 – в печени и мышцах; ЛДГ5 – в печени и мышцах (по сравнению с ЛДГ4 количество ЛДГ5 в печени и мышцах больше). Изоферменты ЛДГ отличаются друг от друга не только органоспецифичностью, но и строением апоферментов. Апофермент ЛДГ состоит из 4 субъединиц – в ЛДГ1 все 4 представлены легкими цепями (heart-цепи, от англ. сердце). В ЛДГ2 три цепи легкие, одна цепь – тяжелая (muscle-цепь, от англ. мышца). В ЛДГ3 2 цепи легкие, 2 цепи тяжелые. В ЛДГ4 – три цепи тяжелые, одна легкая, в ЛДГ5 – все 4 цепи тяжелые. Упрощенно можно считать, что ЛДГ1-3 – изоферменты сердца и почек; ЛДГ4-5 – изоферменты печени и мышц, причем ЛДГ4 в равной степени находится в печени и мышцах, а ЛДГ5 – преимущественно в мышцах. 

Механизм  ферментативного катализа 

Любая химическая реакция происходит при  столкновении молекул реагирующих  веществ. Движение молекул реагирующих  веществ в системе зависит  от наличия свободной потенциальной  энергии. Для протекания химической реакции необходимо, чтобы молекулы исходных веществ достигли переходного  состояния, т.е. чтобы реагирующие  молекулы имели достаточно энергии  для преодоления энергетического  барьера. Энергетический барьер – это  минимальное количество энергии, необходимое  для того, чтобы все молекулы стали  реакционно-способными. Разность значений свободной энергии исходного  продукта (субстрата) и энергии, которая  потребуется для того, чтобы субстрат перешел в переходное состояние, соответствует свободной энергии  активации. Скорость любой химической реакции пропорциональна концентрации молекул, находящихся в переходном состоянии. 

Все катализаторы, в т.ч. ферменты понижают энергетический барьер реакции (снижают энергию  активации), что делает возможным  более быстрое протекание реакции. 

Различают три стадии в механизме ферментативного  катализа:

образование фермент-субстратного комплекса;

образование комплекса «фермент-продукт реакции»;

отщепление  продуктов реакции от фермента. 

Первая  стадия фермент отличается от белка  наличием АЦ  – участка, с помощью  которого фермент соединяется с  субстратом и ускоряет реакцию. Долгое время считали, что между ферментом  и субстратом имеется точное соответствие («ключ к замку»). Однако сейчас принято  считать, что АЦ фермента приспосабливается  к субстрату в ходе реакции (теория вынужденного соответствия). В АЦ имеются  якорные участки, за счет которых  субстрат закрепляется. Большинство  субстратов образует по меньшей мере три связи с ферментом. Каталитический участок АЦ ответственен за тип ускоряемой реакции. 

Вторая  стадия – функционально-активные  группы АЦ фермента действуют на субстрат, дестабилизируя связи в нем, вызывая  изменение конфигурации субстрата, поляризацию его молекулы, растяжение связей и т.д. Это приводит к химическому  преобразованию субстрата (т.е. к протеканию реакции) и образованию продуктов реакции, которые некоторое время находятся в связи с ферментом. 

Третья  стадия – от нее зависит скорость реакции. Происходит отделение фермента от продуктов реакции. 

Высокая мощность действия ферментов 

Мощность  действия ферментов измеряется в  каталах. Катал – это количество молекул субстрата, подвергшихся действию одной молекулы фермента за одну минуту. Например, для каталазы мощность равна 1млн катал; для альфа-амилазы мощность равна 240тыс.катал. 

Специфичность ферментов 

Различают субстратную специфичность и  специфичность действия. Субстратная  специфичность бывает абсолютной, относительной  и стереохимической. Абсолютная специфичность  – когда фермент действует  только на один субстрат, например, сахараза действует только на сахарозу, аргиназа только на аргинин и т.п. Относительная специфичность, когда фермент действует на группу субстратов, у которых одинаковый тип связи, например,  альфа-амилаза действует на крахмал и гликоген, у которых гликозидный тип связи; пепсин, трипсин и химотрипсин действуют на многие белки, у которых пептидный тип связи. Стереохимическая специфичность – это способность фермента действовать только на один из возможных стереоизомеров субстрата, например, фумаратгидротаза действует на фумарат, и не действует на ее цис-изомер малеиновую кислоту. Субстратная специфичность обусловлена субстратными участками в АЦ, а в двухкомпонентных ферментах апоферментом. 

Специфичность действия – это способность фермента ускорять только определенную реакцию. Ферменты могут действовать на один и тот же субстрат, но каждый ускоряет только одну определенную реакцию с  ним. Это можно проследить на примере  мультиферментного комплекса, например, пируватдегидрогеназного. В этот комплекс входят ферменты, которые действуют на ПВК. Основными являются три фермента – 1) пируватдегидрогеназа (ускоряет дегидрирование ПВК, или ее окисление); 2) пируватдекарбоксилаза (ускоряет декарбоксилирование ПВК); 3) ацетилтрансфераза (присоединяет КоА). Реакция называется окислительным декарбоксилированием ПВК. Продуктом этой реакции является активная уксусная кислота (АУК) – суммарную реакцию знать см. учебник по алфавитному каталогу на «Декарбоксилирование пирувата, окислительное». Специфичность действия ферментов обуславливает каталитический участок АЦ, или кофермент в двухкомпонентных ферментах. 

Факторы, влияющие на активность ферментов 

Влияние температуры 

Температура, при которой наблюдается максимальная активность ферментов, называется оптимальной. Для большинства ферментов оптимальной  температурой является температура от +35С – +45С. Если фермент поместить в условия, ниже оптимальной температуры, будет происходить снижение его активности, такое состояние называется обратимой инактивацией фермента, т.к. если вновь поднять температуру до оптимальной, активность фермента возобновится. Если поместить фермент в условия, где температура будет  выше оптимальной, то также будет  прроисходить снижение его активности, но в данном случае необратимая инактивация, т.к. если понизить температуру до оптимальной, активность фермента не возобновится. Это объясняется тем, что высокая температура вызывает денатурацию молекулы фермента. 

Влияние рН среды 

рН среды влияет на заряд молекулы фермента, а значит на работу АЦ. Оптимальная рН для каждого фермента своя, но для большинства ферментов от 4 до 7. Например, для альфа-амилазы слюны опт.рН равна 6,8. Имеются исключения, например, для пепсина опт.рН равна 1,5-2,0; для трипсина и химотрипсина опт.рН равна 8-9. 

Влияние концентрации фермента и субстрата 

Чем больше фермента, тем скорость реакции выше. То же самое можно сказать о  влиянии концентрации субстрата. Но теоретически для каждого фермента имеется насыщающая концентрация субстрата, при которой все АЦ фермента будут  заняты субстратом и реакция будет  на определенном уровне (максимальном), сколько бы субстрата мы не добавляли. 

Влияние веществ-регуляторов 

Регуляторы  можно разделить  на активаторы  и  ингибиторы. Как те, так   и другие делятся на специфические и неспецифические. К специфическим активаторам относятся соли желчных кислот (для липазы поджелудочной железы); соляная кислота (для пепсина); ионы хлора (для альфа-амилазы). К неспецифическим активаторам относятся ионы магния, которые активируют фосфатазы и киназы. К специфическим ингибиторам относятся концевые пептиды в проферментах. Проферменты – это неактивные формы ферментов, которые активируются в результате отщепления концевых пептидов под действием активаторов. Для каждого профермента свой концевой пептид. Например, трипсин вырабатывается в неактивном виде  – в виде трипсиногена. В нем АЦ закрыт концевым гексапептидом, выполняющим роль специфического ингибитора для трипсина. При активации происходит отщепление этого гексапептида и АЦ трипсина становится открытым, фермент активен. К неспецифическим ингибиторам относятся соли тяжелых металлов, например, сульфат меди. Они вызывают денатурацию ферментов.