Строение и функции белков и ферментов

Понятие о ферментах

Ферменты, или энзимы, представляют собой высокоспециализированный класс веществ белковой природы, используемый живыми организмами для осуществления с высокой скоростью многих тысяч взаимосвязанных химических реакций, включая синтез, распад и взаимопревращение огромного множества разнообразных химических соединений.

 

История энзимологии

Термин фермент предложен в XVII веке химиком ван Гельмонтом при обсуждении механизмов пищеварения.

В кон. ХVIII — нач. XIX вв. уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком, а крахмал превращается в сахар под действием слюны. Однако механизм этих явлений был неизвестен.

В XIX в. Луи Пастер, изучая превращение углеводов в этиловый спирт под действием дрожжей, пришёл к выводу, что этот процесс (брожение) катализируется некой жизненной силой, находящейся в дрожжевых клетках.

Более ста лет назад термины фермент и энзим отражали различные точки зрения в теоретическом споре Л. Пастера с одной стороны, и М. Бертло и Ю. Либиха — с другой, о природе спиртового брожения. Собственно ферментами (от лат. fermentum — закваска) называли «организованные ферменты» (то есть сами живые микроорганизмы), а термин энзим предложен в 1876 году В. Кюне для «неорганизованных ферментов», секретируемых клетками, например, в желудок (пепсин) или кишечник (трипсин, амилаза). Через два года после смерти Л. Пастера в 1897 году Э. Бухнер опубликовал работу «Спиртовое брожение без дрожжевых клеток», в которой экспериментально показал, что бесклеточный дрожжевой сок осуществляет спиртовое брожение так же, как и неразрушенные дрожжевые клетки. В 1907 году за эту работу он был удостоен Нобелевской премии. Впервые высокоочищенный кристаллический фермент (уреаза) был выделен в 1926 году Дж. Самнером. В течение последующих 10 лет было выделено еще несколько ферментов, и белковая природа ферментов была окончательно доказана.

Особенности ферментативного  катализа

Этапы катализа

В ферментативной реакции можно  выделить следующие этапы:

1. Присоединение субстрата (S) к  ферменту (E) с образованием фермент-субстратного  комплекса (E-S).

2. Преобразование фермент-субстратного  комплекса в один или несколько  переходных комплексов (E-X) за одну  или несколько стадий.

3. Превращение переходного комплекса  в комплекс фермент-продукт (E-P).

4. Отделение конечных продуктов  от фермента.

Механизмы катализа

Доноры	Акцепторы
-СООН  -NH3+  -SH	-СОО-  -NH2  -S-

1. Кислотно-основной катализ – в активном центре фермента находятся группы специфичных аминокислотных остатков, которые являются хорошими донорами или акцепторами протонов. Такие группы представляют собой мощные катализаторы многих органических реакций.

2. Ковалентный катализ – ферменты реагируют со своими субстратами, образуя при помощи ковалентных связей очень нестабильные фермент-субстратные комплексы, из которых в ходе внутримолекулярных перестроек образуются продукты реакции.

 

 

 

 

 

 

Строение  ферментов

Субстратом (S) называют вещество, химические превращения которого в продукт (Р) катализирует фермент (Е). Тот участок поверхности молекулы фермента, который непосредственно  взаимодействует с молекулой  субстрата, называется активным центром  фермента.

Простые ферменты состоят только из аминокислот – например, пепсин , трипсин, лизоцим.

Сложные ферменты (холоферменты) имеют в своем составе белковую часть, состоящую из аминокислот – апофермент, и небелковую часть –кофактор. Кофактор, в свою очередь, может называться коферментом или простетической группой. Примером могут быть сукцинатдегидрогеназа(содержит ФАД) (в цикле трикарбоновых кислот), аминотрансферазы (содержат пиридоксальфосфат), пероксидаза (содержит гем). Для осуществления катализа необходим полноценный комплекс апобелка и кофактора, по отдельности катализ они осуществить не могут.

Как многие белки, ферменты могут быть мономерами, т.е. состоят из одной субъединицы, и полимерами, состоящими из нескольких субъединиц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Химическая природа ферментов

О белковой природе ферментов свидетельствует  факт инактивирования (потеря активности) ферментов брожения при кипячении, установленный еще Л. Пастером. При кипячении наступает необратимая денатурация белка-фермента. Фермент при этом теряет присущее ему свойство катализировать химическую реакцию. Точно так же белки при кипячении денатурируются и теряют свои биологические свойства (антигенные, гормональные, каталитические). Под влиянием различных физических и химических факторов (воздействие УФ- и рентгеновского излучения, ультразвука, осаждение минеральными кислотами, щелочами, алкалоидными реактивами, солями тяжелых металлов и др.) происходит денатурация ферментов, так же как и белков.Ферменты при гидролизе, как и белки, распадаются на аминокислоты, что, бесспорно, служит веским доказательством белковой природы ферментов.

Интересные данные, указывающие  на белковую природу ферментов, были получены в лаборатории И.П. Павлова. При определении переваривающей способности желудочного сока была обнаружена прямая зависимость между  этой способностью и количеством  белка в соке. В связи с этим было сделано заключение, что пепсин желудочного сока является белком.

Вескими доказательствами белковой природы  фермента являются его получение  в чистом виде и выделение в  форме кристаллов белка. К настоящему времени получено более 1000 кристаллических  ферментов.

Ферменты, как и все белки, обладают рядом свойств, характерных для  высокомолекулярных соединений: амфотерностью (могут существовать в растворе в  виде анионов, катионов и амфионов); электрофоретической подвижностью благодаря наличию в них положительных и отрицательных зарядов, а в изоэлектрической точке не обнаруживают подвижности в электрическом поле. Ферменты неспособны к диализу через полупроницаемые мембраны. При помощи диализа их растворы можно освободить от низкомолекулярных примесей. Как и белки, они легко осаждаются из водных растворов при низких температурах методами высаливания или осторожным добавлением ацетона, этанола и других веществ и при этом не теряют своих каталитических свойств.

 

Характеристика уровней  структурной организации белковой молекулы

Молекула белка является объемным, трехмерным образованием, имеющим определенную пространственную форму. Для удобства рассмотрения пространственного строения молекулы белка условно выделяют четыре уровня ее структурной организации .  
 
Первый уровень пространственной организации белковой молекулы называется первичной структурой и представляет собой последовательность расположения аминокислот в полипептидных цепях. Фиксируется эта структура прочными пептидными связями. Другими словами, первичная структура характеризует химическое строение полипептидов, образующих белковую молекулу . Каждый индивидуальный белок имеет уникальную первичную структуру.  
 
Второй уровень пространственной организации - вторичная структура - описывает пространственную форму полипептидных цепей. Например, у многих белков полипептидные цепи имеют форму спирали. Фиксируется вторичная структура дисульфидными и различными нековалентными связями.  
 
Третий уровень пространственной организации - третичная структура - отражает пространственную форму вторичной структуры. Например, вторичная структура в форме спирали, в свою очередь, может укладываться в пространстве в виде глобулы, т. е. имеет шаровидную или яйцевидную форму. Стабилизируется третичная структура слабыми нековалентными связами, а также дисульфидными связями и поэтому является самой неустойчивой структурой. 

Четвертичной структурой обладают только некоторые белки. Четвертичная структура - это сложное надмолекулярное  образование, состоящее из нескольких белков, имеющих свою собственную  первичную, вторичную и третичную  структуры. Объединяются субъединицы  в четвертичную структуру за счет слабых нековалентных связей, и поэтому четверичная структура неустойчива и легко диссоциирует на субъединицы. Образование и диссоциация четвертичной структуры является еще одним механизмом регуляции биологических функций белков.

Высаливание,денатурация,причины,механизм и признаки

Высаливание-выделение вещества из раствора путем введения в раствор другого, как правило, хорошо растворимого в данном растворителе вещества-высаливателя. Высаливаемое вещество может выделяться в виде новой фазы - твердого осадка, жидкой или газовой фазы, а в случае экстракции растворителем - переходить в фазу последнего.

Денатурация  - процесс нарушения нативной конформации биологических макромолекул в результате разрыва нековалентных связей, индуцируемый химическими веществами, нагреванием, охлаждением и т.п. и сопровождающийся потерей биологической активности. Денатурация может быть полной или частичной, обратимой или необратимой.

Кофакторы ферментов

Многие ферменты для проявления каталитической активности нуждаются  в присутствии некоторых веществ  непептидной природы — кофакторов. Различают две группы кофакторов: ионы металлов (а также некоторые неорганические анионы) и коферменты, которые представляют собой органические вещества.

Прочность связи металлов с белковой частью фермента колеблется в широких  пределах. Некоторые ферменты в процессе их выделения утрачивают ион металла  вследствие диссоциации, так что  при измерении активности фермента приходится эти ионы добавлять —  это ферменты, активируемые металлами. Другие ферменты сохраняют ион металла  при очистке — это металло-ферменты (металлопротеины). Деление на эти группы условно, поскольку между крайними формами существует ряд промежуточных форм. 
В роли кофактора могут выступать ионы различных металлов. Ион металла может участвовать в присоединении субстрата, собственно в катализе, в стабилизации оптимальной конформации молекулы фермента, в стабилизации четвертичной структуры. Активность металлозависимых ферментов после удаления металла либо утрачивается полностью, либо заметно снижается.Коферменты — это органические вещества, как правило, неаминокислотной природы, непосредственно участвующие в катализе в составе фермента.

Структурно-функциональная организация ферментов.

В составе фермента выделяют области, выполняющие различную функцию: 

Активный центр – комбинация аминокислотных остатков (обычно 12-16), обеспечивающая непосредственное связывание с молекулой субстрата и осуществляющая катализ. Аминокислотные радикалы в активном центре могут находиться в любом сочетании, при этом рядом располагаются аминокислоты, значительно удаленные друг от друга в линейной цепи..

Каталитический центр - это та область активного центра фермента, которая непосредственно участвует в химических преобразованиях субстрата. Формируется он за счет радикалов двух, иногда трех аминокислот, расположенных в разных местах полипептидной цепи фермента, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи.

Адсорбционный центр - это участок активного центра молекулы фермента, на котором происходит сорбция (связывание) молекулы субстрата. Он формируется одним, двумя, чаще тремя радикалами аминокислот, которые обычно расположены рядом с каталитическим центром. Главная его функция - связывание молекулы субстрата и передача этой молекулы каталитическому центру в наиболее удобном положении. Именно структура адсорбционного центра определяет субстратную специфичность  фермента, т. е. требования фермента к  молекуле химического вещества, чтобы  она могла стать для него подходящим субстратом.

Аллостерический центр (allos – чужой) – центр регуляции активности фермента, который пространственно отделен от активного центра и имеется не у всех ферментов. Связывание с аллостерическим центром какой-либо молекулы (называемой активатором или ингибитором, а также эффектором, модулятором, регулятором) вызывает изменение конфигурации белка-фермента и, как следствие, скорости ферментативной реакции. В качестве такого регулятора может выступать продукт данной или одной из последующих реакций, субстрат реакции или иное вещество .Аллостерические ферменты являются полимерными белками,  активный и регуляторный центры находятся в разных субъединицах.