Презентация на тему Статическая биохимия. Ферменты. Механизм действия. Регуляция. Классификация. (Лекция 2)

участием природных биокатализаторов, называемых ферментами, или энзимами.

Слово «фермент»

происходит от лат. fermentum– закваска, а «энзим» – от греч. еn – в, внутри и zyme – дрожжи.

В настоящее время известно более 3700 ферментов.

Понятие о ферментах

химические реакции была подтверждена в конце 80-х годов прошлого

века. Были введены термины «каталитические антитела» или «абзимы» (от antibody enzyme). В настоящее время известны несколько классов химических реакций, катализируемых антителами: ацилтрансферазные, изомеразные, бимолекулярной ассоциации и окислительно-восстановительные.

протеинкиназой, АРТ-, ДНК- и РНК- гидролизующей активностями.
http://www.nsc.ru/win/sbras/rep/96/biol96.html

прошлого века (T.R.Chech et al., 1981; C.Guerrier-Takada et al.,

1983). Рибозимы достаточно широко представлены в природе и играют важную роль в эволюции живых организмов, поскольку они могут обеспечивать репродукцию и процессинг РНК без участия белков-ферментов. В частности, рибозимы участвуют в удалении неинформативных интронов из пре-м-РНК, на этапе синтеза белков путем созревания тРНК с помощью рибонуклеазы Р РНК, а также в процессе саморепликации вирусного РНК генома (патогенные вирусы для растений и человека). Ранее неоднократно сообщалось, что синтез белка в рибосомах зависит от уровня рРНК.

те реакции, которые могут протекать и без них;
2) не

изменяют свободную энергию субстратов и продуктов реакции;
3) не сдвигают равновесие обратимой реакции, а лишь ускоряют его наступление;
4) не расходуются в процессе реакции и выходят из реакции в первоначальном виде.

Сходство ферментов с небиологическими катализаторами заключается в том, что ферменты:

мягких условиях (давление 1 атм., нейтральная рН, ≈37ºС);
Ферменты обладают

физико-химическими свойствами, характерными для белков: высокой молекулярной массой, амфотерностью, не способны к диализу, подвергаются высаливанию и денатурации.
Для ферментов характерна более высокая эффективность. Например, энергия активации разложения перекиси водорода Н2О2 → Н2О + ½О2 равна 75,2 кДж/моль. При добавлении неорганического катализатора платины энергия активации снижается до 50,2 кДж/моль. Фермент каталаза снижает энергию активации до 8,3 кДж/моль.

Отличия ферментов от небиологических катализаторов заключаются в том, что:

генетическом уровне (на этапе синтеза белка-фермента и его фолдинга),

так и посредством определённых низкомолекулярных соединений (субстратов, продуктов реакции и других низкомолекулярных эффекторов);
Ферменты обладают субстратной и каталитической специфичностью.
Различают 4 вида субстратной специфичности ферментов:
Абсолютная специфичность
Относительная специфичность
Относительная групповая специфичность
Стереохимическая специфичность

субстрата. Например, аргиназа расщепляет аргинин, уреаза – мочевину.

Например, липаза гидролизует жиры по месту сложноэфирной связи на

глицерин и жирные кислоты.

связи, но в ее образовании участвуют определенные функциональные группы.

Такие ферменты обычно участвуют в процессе пищеварения. Например, пищеварительные ферменты гидролизующие пептидную связь в белках относятся к протеиназам (относительная специфичность), но среди них пепсин расщепляет пептидную связь, образованную аминогруппой ароматических аминокислот; трипсин – пептидную связь, образованную карбоксильной группой основных аминокислот, а химотрипсин – карбоксильной группой ароматических аминокислот (относительная групповая специфичность).

Например, большинство ферментов специфичны к D-сахарам и L-аминокислотам; существует

цис-транс специфичность.

в результате чего происходит многоэтапное превращение вещества с допустимыми

для организма перепадами энергии.
Полиферментные системы (комплексы) представляют собой несколько ферментов, катализирующих ряд согласованных реакций, причем конечные продукты одной ферментативной реакции являются субстратами для следующей. Различают три типа полиферментных комплексов:
а) ферменты растворены в цитоплазме и контакт субстратов с ними осуществляется посредством диффузии;
б) ферменты соединены друг с другом за счет белок-белковых взаимодействий;
в) ферменты соединены друг с другом и иммобилизованы на внутриклеточных или цитоплазматических мембранах.

–аза к названию субстрата, на который данный фермент действует.

Например, уреаза катализирует гидролиз мочевины; ферменты, гидролизующие крахмал (амилон), были названы амилазами; гидролизующие жиры (липос) – липазами; фермент, гидролизующие белки (протеины) – протеиназами.
2. Используются названия для групп ферментов, катализирующих сходные по механизму реакции. Их название строится по принципу – «субстрат-тип реакции». Например, ферменты, которые переносят остаток фосфорной кислоты от АТФ на другую молекулу, называются киназами (глюкокиназа катализирует перенос остатка глюкозы от АТФ на глюкозу).
3. Тривиальные названия не показывают механизма действия, но они широко используются. Например, пепсин, трипсин и др.
4. Международный Совет Биохимиков (IUB) предложил систематическое название и классификацию ферментов по типу и механизму катализируемой реакции

субстратов (перенос электронов или атомов водорода с одного субстрата

на другой).
Дегидрогеназы – реакции дегидрирования (перенос атома водорода от одного субстрата на другой, акцепторы - NAD+,NADF+, FAD, FMN) (Пр.: малат-дегидрогеназа):
АН + В → А + ВН.
Оксидазы катализируют перенос водорода с субстрата на кислород (Пр: цитохромоксидаза):
АН2 +1/2 О2 → А + Н2О

Гидроксилазы и оксигеназы ускоряют некоторые реакции биологического окисления, протекающие с присоединением гидроксила или кислорода к окисляемому веществу.

одного соединения к другому. Подразделяют в зависимости от переносимой

группы.

АВ + С → А + ВС

Метилтрансферазы переносят метильную группу,
Ацилтрансферазы – кислотный остаток (ацил),
Гликозилтрансферазы – моносахаридный остаток (гликозил),
Аминотрансферазы – аминную группу,
Киназы(фосфотрансферазы) – остаток фосфорной кислоты (фосфорил).

с присоединением молекулы воды по месту разрыва), при которых

из субстрата образуются 2 продукта. К гидролазам относятся все пищеварительные ферменты:

АВ + Н2О → АОН + ВН

Эстеразы ускоряют гидролиз сложных эфиров (различных липидов) на спирты и кислоты.
Фосфатазы катализируют гидролитическое отщепление фосфорной кислоты от нуклеотидов и фосфорных эфиров углеводов.
Глюкозидазы ускоряют гидролиз сложных углеводов.
Пептидгидролазы ускоряют гидролиз пептидных связей в белках и пептидах.

определенных групп (CO2, H2O, NH2, SH2 и др.), либо

присоединение чаще всего молекул воды по двойной связи. При этом могут разрываться связи:

С–С, С–N, C–O, C–S.

оптических, геометричеких и позиционных изомеров друг в друга. Название

этих ферментов составляется с учетом типа реакции: "Субстрат-цис-транс-изомераза (например транс-ретиналь - 11 цис-транс изомераза катализирует превращения транс-ретиналя в 11-цис-ретиналь при восприятии света); "альдегид-кетон-изомераза" (D-глицеральдегид-3-фосфат­кетон-изомераза катализирует превращение D-глицеральдегид-3-фосфата в дигидроксиацетонфосфат); если изомеризация включает внутримолекулярный перенос группы, то фермент получает название мутазы. К классу изомераз относят так же рацемазы и эпимеразы. Внутримолекулярные перестройки:

АВ → ВА

реакции синтеза высокомолекулярных полимеров из мономеров за счет энергии

гидролиза АТФ:

X + Y + АТФ → XY + AДФ + Фн

кодовых чисел, разделенных точками; первая цифра характеризует класс реакции,

вторая – подкласс, третья – подподкласс, четвертая указывает порядковый номер фермента в его подподклассе. Например, лактатдегидрогеназа имеет шифр 1.1.1.27, т.е. фермент относится к 1-му классу (оксидоредуктазы), к 1-му подклассу (оксидоредуктазы, действующие на СН-ОН-группировки в качестве доноров атомов водорода), к 1-му подподклассу (акцептором атомов водорода служит никотинамидадениндинуклеотид) и занимает 27-ю позицию в перечне ферментов упомянутого подкласса.
 
Название класса указывает на тип химической реакции, катализируемой ферментами. Классы делятся на подклассы, а те, в свою очередь, на подподклассы. Подкласс уточняет действие фермента, т.к. указывает на природу химической группы субстрата, атакуемой ферментом. Подподкласс уточняет природу атакуемой связи субстрата или природу акцептора, который участвует в реакции. Дополнительная информация, если она необходима для уточнения, заключается в скобки. Например, фермент, катализирующий реакцию L-малат + НАД+ = пируват +СО2 +НАДН + H+ называется L-малат: НАД+ оксидоредуктаза (декарбоксилирующая).

НS-глутатион,
– АТФ,
– липоевая кислота,
– производные нуклеозидов (уридинфосфат, цитидинфосфат, фосфоаденозинфосфосульфат),
–

порфиринсодержащие вещества,
– тРНК, которые в составе ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз принимают активное участие в транспорте аминокислот к рибосоме, где осуществляется синтез белка.

функцию стабилизаторов молекулы субстрата, активного центра фермента и конформации

белковой молекулы фермента, а именно третичной и четвертичной структур:
а) ионы металлов – стабилизаторы молекулы субстрата;
б) ионы металлов – стабилизаторы активного центра фермента;
в) роль металлов в стабилизации третичной и четвертичной структуры фермента;
2. Ионы металлов могут принимать непосредственное участие в акте катализа:
а) участие в электрофильном катализе;
б) участие в окислительно-восстановительных реакциях;
3. Роль металлов в регуляции aктивности ферментов.

в присоединении субстрата в активном центре гексокиназы.
В активном центре гексокиназы есть участки связывания для молекулы глюкозы и комплекса Мg2+-АТФ. В результате ферментативной реакции происходит перенос концевого, γ-фосфатного остатка молекулы АТФ на глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата

в присоединении субстрата в активном центре пируваткиназы. Активный центр пируваткиназы имеет участки связывания для фосфоенолпирувата и АДФ. Mg2+ участвует в стабилизации активного центра, что облегчает присоединение фосфоенолпирувата. В ходе ферментативной реакции образуются пируват и АТФ.

стабилизации четвертичной структуры алкогольдегидрогеназы

участков, несущих определенную функцию. В молекуле фермента выделяют активный

центр, т.е. участок с которым связывается субстрат и протекает каталитическая реакция. Характеристика активного центра:
1. Активный центр фермента формируется при образовании третичной структуры белка за счет пространственного сближения радикалов аминокислот (чаще сер, гис, тре, цис, глу, асп, арг). Потеря конформации фермента в результате денатурации приводит к разрушению активного центра.
2. Активный центр образуется боковыми радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии в первичной структуре. Например, в активный центр химотрипсина входят гис-57, асп-102 и сер-195, а всего фермент образуют 246 аминокислотных остатков. Лизоцим осуществляет разрушение клеточных стенок некоторых бактерий благодаря активному центру, образованному 35, 52, 62, 63, 101 и 108 остатками аминокислот полипептидной цепи, которая включает 129 аминокислот.

карман, который занимает малую область фермента. Большинство ферментов состоят

из более, чем 100 аминокислотных остатков, имеют молекулярную массу более 10 кДа и диаметр более 2,5 нм. На область активного центра приходится всего лишь незначительная часть от объема фермента.
4. Активный центр не является жесткой структурой. Его конформация изменяется при связывании субстрата. При связывании субстрата со структурами активного центра обычно не участвует вода, за исключением случаев, когда она является реактантом.
5. У сложных ферментов в состав активного центра входят кофакторы.
6. В активном центре выделяют контактный (якорный) участок, связывающий субстрат и каталитический участок, где происходит превращение субстрата.

субстрата к ферменту в активном центре;
Б – положение

аминокислотных остатков, формирующих активный центр фермента, в первичной структуре белка;
В - активный центр фермента условно разделяется на участок связывания и каталитический участок. Участок связывания представлен радикалами амино-кислот, функциональные группы которых обеспечивают связывание субстрата. Каталитический участок образован радикалами аминокислотных остатков, функциональные группы которых обеспечивают химическое превращение субстрата.

ковалентными связями. Фермент-субстратные комплексы характеризуются константами равновесия от 10-2

до 10-8 молей, что соответствует свободной энергии взаимодействия всего от -3 до -12 ккал/моль (от -13 до 50 кДж/моль). Напомним, что для ковалентных связей свободная энергия связи составляет от -50 до -110 ккал/моль (от -210 до -460 кДж/моль).
Кроме активного центра у ряда ферментов имеется регуляторный, или аллостерический (от греч. allos – иной, чужой) центр, который в молекуле фермента, как правило, пространственно отделен от активного центра. К аллостерическому центру присоединяются вещества – эффекторы, которые делятся на активаторы и ингибиторы. Присоединение эффектора к аллостерическому центру приводит к изменению третичной и/или четвертичной структуры молекулы фермента и соответственно конфигурации активного центра, вызывая снижение или повышение ферментативной активности. Ферменты, имеющие аллостерический центр, называются аллостерическими.

иной и steros– пространственный, структурный) – участок молекулы фермента,

с которым связываются определенные, обычно низкомолекулярные, вещества (эффекторы, или модификаторы), молекулы которых отличаются по структуре от субстратов.

глутаматдегидрогеназы, состоящая из 6 протомеров (общая мол. м. 336000);
б

– молекула РНК-полимеразы;
в – половина молекулы каталазы;
г – молекулярный комплекс пируватдегидрогеназы

в

различных органах. Экстракты нанесены на линию, отмеченную надписью «Старт». При заданных условиях опыта (рН) 4 изофермента ЛДГ движутся к аноду, а один (ЛДГ5) к катоду.

его с активным центром фермента, т. е. образование фермент-субстратного комплекса

(ES).
II. Преобразование первичного комплекса в один или несколько активированных фермент-субстратных комплексов (ES*, ES**…).
III. Отделение продуктов (Р) реакции от активного центра и диффузия его в окружающую среду.

Теории и стадии ферментативного катализа

энергии, которое необходимо дать молекуле для преодоления энергетического барьера

(или для достижения переходного состояния), т.е. это энергия, необходимая для перевода всех молекул моля вещества в активированное состояние. Ферменты ускоряют реакцию путем снижения энергии активации за счет увеличения числа активизированных молекул, которые становятся реакционноспособными на более низком энергетическом уровне.

Изменения свободной энергии катализируемой и некаталиируемой реакции. S – исходный субстрат; Р – продукт; ΔЕнф – энергия активации неферментативной реакции; ΔЕф – энергия активации ферментативной реакции; ΔG – стандартное изменение свободной энергии.

ориентация
Схематическое изображение процессов сближения и ориентации при взаимодействии

молекулы субстрата S с каталитической группой в активном центре фермента Е.

деформация: индуцированное соответствие
Индуцированное соответствие между активным центром фермента

и напряженной формой молекулы субстрата

катализ

из моделей ковалентного катализа. В некоторых ферментативных реакциях фермент

замещает функциональную группу R в субстрате RX, в результате чего образуется ковалентный комплекс ЕХ. Он нестабилен и гидролизуется значительно быстрее, чем RX. К ферментам, осуществляющим ковалентный катализ, отноcится химотрипсин.

теории Э. Фишера «ключ-замок»

вызванные субстратом, согласно модели
«индуцированного соответствия» Д. Кошленда

реакции
от концентрации фермента
в присутствии насыщающих
концентраций субстрата.

реакции от температуры:
а – повышение скорости реакции как функция

температуры;
б – снижение скорости реакции как функция денатурации белка-фермента; стрелка указывает оптимум температуры.

ферментом реакции от рН (стрелка указывает оптимум рН).

концентрацией субстрата и скоростью ферментативной реакции:
где v – наблюдаемая

скорость реакции при данной концентрации субстрата [S];
KS – константа диссоцации фермент-субстратного комплекса, моль/л;
Vmax – максимальная скорость реакции при полном насыщении фермента субстратом.

катализируемой реакции в определенных, согласованных условиях измерения.

– О

скорости ферментативной реакции судят или по скорости убыли субстрата, или по скорости образования продукта реакции.

– За единицу активности любого фермента (Е или U) принимается то количество его, которое в оптимальных условиях катализирует превращение 1 микромоля субстрата или образование 1 микромоля продукта в минуту (мкмоль/мин) .

– 1 катал есть каталитическая активность, способная осуществлять реакцию со скоростью, равной 1 молю в 1 с (1 моль/с).

Определение количественного содержания ферментов

разнообразные вещества органической и неорганической природы, например:
– соляная

кислота активирует действие пепсина желудочного сока;
– желчные кислоты повышают активность панкреатической липазы;
– соединения, содержащие свободные SН-группы (глутатион, цистеин), активируют некоторые тканевые ферменты (оксидоредуктазы, катепсины, аргиназу), pacтительную протеиназу и др.
– ионы металлов особенно часто выступают активаторами. Около четверти всех известных ферментов для проявления полной каталитической активности нуждаются в присутствии металлов.

третичной структуры молекулы фермента или модификацию функциональных групп фермента,

то такой тип ингибирования называется необратимым.

Необратимое действие ингибитора в самом простом случае может быть описано уравнением:

E + I → EI,
где Е – фермент, I – ингибитор, EI – комплекс.

в результате чего фермент частично или полностью теряет свою

активность. Сюда относят ингибиторы, которые прочно и необратимо связывают функциональные группы активного центра или стойко изменяют валентность металла в активном центре:
1) ингибиторы металлосодержащих ферментов (HCN, KCN, CO, NaN3) – дыхательные яды, т.к. стойко меняют валентность Fe и Cu, препятствуя переносу электронов;
2)вещества, связывающие SH-группы (монойодацетат, соединения ртути и мышьяка);
3) вещества, связывающие ОН-группы серина в активном центре (фосфорорганические соединения, например, диизопропилфторфосфат).

ферментом непрочный комплекс, способный распадаться, в результате чего снова возникает

активный фермент.

Обратимое действие ингибитора может быть описано уравнением:

E + I ↔ EI,

где Е – фермент, I – ингибитор, EI – комплекс.

Обратимое ингибирование делят на:
– конкурентное,
– неконкурентное.

– фермент сукцинатдегидрогеназа катализирует превращение янтарной кислоты в фумаровую;
Б

– конкурентное ингибирование

нормальная реакция;
Б – неконкурентное ингибирование

присутствии конкурентного ингибитора
Графики зависимости скорости ферментативной реакции

от концентрации субстрата в присутствии конкурентного ингибитора.
а – в координатах v от [S]; б – в координатах l/v от l/[S]; Vmах И Vi – максимальные скорости реакции; Кm и Kmi – константа Михаэлиса соответственно в отсутствие (1) и в присутствии (2) ингибитора

присутствии неконкурентного ингибитора
Графики зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации

субстрата в присутствии неконкурентного ингибитора. Обозначения те же.

а

б

остатков серина
Нековалентная модификация фермента путем аденилирования-деаденилирования

белков является активирование:

– некоторых гормонов (проинсулин → инсулин), – белка

соединительной ткани (растворимый проколлаген превращается в нерастворимый коллаген),
– белков свертывающей системы крови,
– неактивного пепсиногена в активный пепсин.