Биохимия семестр 1

4.Гликозидазы – гидролизуют О- и S-гликозидные связи.

5.Протеазы, пептидазы – гидролиз белков и пептидов.

6.Нуклеазы – гидролиз нуклеиновых кислот.

• IV КЛАСС . ЛИАЗЫ

Лиазы – ферменты, катализирующие разрыв С-О, С-С, C-N и других связей, а также обратимые реакции отщепления различных групп негидролитическим путем.

Выделяют 7 подклассов.

Эти реакции сопровождаются образованием двойной связи или присоединением групп к месту двойной связи. Лиазы являются сложными ферментами.

Коферментами служат пиридоксальфосфат, тиаминдифосфат, участвует магний, кобальт.

Примеры: аденилатциклаза

фумараза

• V КЛАСС . ИЗОМЕРАЗЫ

Изомеразы – ферменты, катализирующие изомерные превращения в пределах одной молекулы.

Изомеразы – сложные ферменты. К их коферментам относятся пиридоксальфосфат, дезоксиаденозилкобаламин, глутатион, фосфаты моносахаридов (глюкозо-1,6-дифосфат) и др.

Выделяют подклассы изомераз в зависимости от типа реакции.

•Рацемазы отвечают за взаимопревращения L- и D-изомеров, S- и R-изомеров.

•Эпимеразы изменяют конфигурацию при одном из хиральных атомов углерода, например: взаимопревращение α- и β-изомеров, превращения рибулоза↔ксилулоза, галактоза↔глюкоза, манноза↔галактоза.

•Мутазы (перенос химических групп внутри молекулы, например, фосфоглюкомутаза превращает глюкозо-1-фосфат в глюкозо-6-фосфат).

•VI КЛАСС . Л ИГАЗЫ

Лигазы (синтетазы) – ферменты, катализирующие присоединение друг к другу двух молекул с использованием энергии высокоэнергетических связей АТФ (или других макроэргов).

Лигазы – сложные ферменты. Они содержат нуклеотидные (УТФ), биотиновые (витамин Н), фолиевые коферменты. Выделяют 6 подклассов.

Примеры: пируваткарбоксилаза

3. Принципы ферментативного катализа: строение активного центра, гипотезы образования фермент-субстратного комплекса, виды специфичности. Этапы ферментативного катализа.

•Скорость ферментативной реакции намного выше.

•Высокая специфичность.

•Мягкие условия работы (внутриклеточные).

•Возможность регулирования скорости реакции.

•Скорость ферментативной реакции пропорциональна количеству фермента.

•Строение активного центра

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.

В активном центре выделяют два участка:

якорный (контактный, связывающий) – отвечает за связывание и ориентацию субстрата в активном центре,

каталитический – непосредственно отвечает за осуществление реакции.

Уферментов, имеющих в своем составе несколько мономеров, может быть несколько активных центров по числу субъединиц. Также две и более субъединицы могут формировать один активный центр.

Усложных ферментов в активном центре обязательно расположены функциональные группы кофактора.

• Гипотезы образования фермент-субстратного комплекса

1. Гипотеза Фишера (модель "жесткой матрицы", "ключ-замок")

– активный центр фермента строго соответствует конфигурации субстрата и не изменяется при его присоединении. Эта модель хорошо объясняет абсолютную специфичность, но не групповую.

2. Гипотеза Кошланда (модель "индуцированного соответствия", "рука-перчатка") –подразумевает гибкость активного центра. Присоединение субстрата к якорному участку фермента вызывает изменение конфигурации каталитического центра таким образом, чтобы его форма соответствовала форме субстрата. При этом молекула субстрата также изменяет свою конформацию, что обеспечивает более высокую эффективность ферментативной реакции.

•Специфичность, т.е. высокая избирательность действия ферментов, основана на комплементарности структуры субстрата и активного центра фермента.

1. Стереоспецифичность – катализ только одного из стереоизомеров, например:

специфичность к L- или D-аминокислотам – например, почти все ферменты человека взаимодействуют с L-аминокислотами,

специфичность к цис- и транс-изомерам. Например, аспартаза реагирует только с трансизомером – фумаровой кислотой, но не с малеиновой кислотой (цис-изомер).

2.Абсолютная специфичность – фермент производит катализ только одного вещества. Например, каталаза разрушает перекись водорода, аргиназа расщепляет только аргинин, уреаза расщепляет только мочевину, глюкокиназа фосфорилирует только D-глюкозу.

3.Групповая специфичность – катализ субстратов с общими структурными особенностями, т.е. при наличии определенной связи или химической группы, например:

наличие пептидной связи:

бактериальный фермент субтилизин специфичен к пептидной связи независимо от строения образующих ее аминокислот,

пепсин катализирует разрыв пептидной связи, образованной аминогруппами ароматических аминокислот,

тромбин в своих субстратах расщепляет пептидную связь только между аргинином и глицином,

наличие α1,4-гликозидных связей в крахмале и гликогене - их гидролизует α- амилаза слюнной и поджелудочной желез,

наличие ОН-группы: алкогольдегидрогеназа окисляет до альдегидов одноатомные спирты (этанол, метанол, пропанол).

4. Относительная групповая специфичность – превращение субстратов с некоторыми общими признаками.

Например, цитохром Р450 окисляет только гидрофобные вещества, которых насчитывается около 7000.

• Этапы ферментативного катализа

1. Присоединение субстрата (S) к ферменту (E) с образованием фермент-субстратного комплекса (E-S). На этом этапе происходит взаимодействие адсорбционного центра фермента с молекулой субстрата. При этом и субстрат подвергается конформационной перестройке. В результате этого молекула субстрата подается на каталитический центр в наиболее удобном для него положении.

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.

4. Факторы, влияющие на скорость ферментативных реакций: температура, pH среды, концентрация фермента и субстрата 5. Основы кинетики ферментативных реакций. Единицы измерения активности ферментов. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Биологическое значение константы Михаэлиса..

Влияние pH.

Для каждого фермента существует значение рН, при котором наблюдается его максимальная активность. Отклонение от оптимального значения рН приводит к понижению ферментативной активности.

Влияние рН на активность ферментов связано с ионизацией функциональных групп аминокислотных остатков данного белка, обеспечивающих оптимальную конформацию активного центра фермента. При изменении рН от оптимальных значений происходит изменение ионизации функциональных групп молекулы белка.

Например, при закислении среды происходит протонирование свободных аминогрупп (NH3+), а при защелачивании происходит отщепление протона от карбоксильных групп (СОО-). Это приводит к изменению конформации молекулы фермента и конформации активного центра; следовательно, нарушается присоединение субстрата, кофакторов и коферментов к активному центру.

Кроме того, рН среды может влиять на степень ионизации или пространственную организацию субстрата, что также влияет на сродство субстрата к активному центру. При значительном отклонении от оптимального значения рН может происходить денатурация белковой молекулы с полной потерей ферментативной активности.

Влияние температуры

Повышение температуры до определённых пределов оказывает влияние на скорость ферментативной реакции, подобно влиянию температуры на любую химическую реакцию. С повышением температуры ускоряется движение молекул, что приводит к повышению вероятности взаимодействия реагирующих веществ. Кроме того, температура может повышать энергию реагирующих молекул, что также приводит к ускорению реакции. Однако скорость химической реакции, катализируемая ферментами, имеет свой температурный оптимум, превышение которого сопровождается понижением ферментативной активности, возникающим из-за термической денатурации белковой молекулы.

Для большинства ферментов человека оптимальна температура 37-38 С. Однако в природе существуют и термостабильные ферменты. Например, Taq-полимераза, выделенная из микроорганизмов, живущих в горячих источниках, не инактивируется при повышении температуры до 95 С. Этот фермент используют в научно-практической медицине для молекулярной диагностики заболеваний с использованием метода полимеразной цепной реакции (ПЦР).

Влияние концентрации фермента.

При проведении ферментативной реакции в условиях избытка субстрата скорость реакции будет зависеть от концентрации фермента. Графическая зависимость такой реакции имеет вид прямой линии.

Однако количество фермента часто невозможно определить в абсолютных величинах, поэтому на практике пользуются условными величинами, характеризующими активность фермента: одна международная единица активности (МЕ) соответствует такому количеству фермента, которое катализирует превращение 1 мкмоль субстрата за 1 мин при оптимальных условиях проведения ферментативной реакции. Оптимальные условия индивидуальны для каждого фермента и зависят от температуры среды, рН раствора, при отсутствии активаторов и ингибиторов.

В 1973 г. была принята новая единица активности ферментов: 1 катал (кат), соответствующий такому количеству катализатора, которое превращает 1 моль субстрата за 1 с. Количество каталов определяют по формуле

Влияние концентрации субстрата.

При постоянстве концентрации фермента, зависимость скорости реакции от концентрации субстрата имеет вид гиперболы:

При увеличении количества субстрата начальная скорость возрастает. Когда фермент становится полностью насыщенным субстратом, т.е. происходит максимально возможное при данной концентрации фермента формирование фермент-субстратного комплекса, наблюдают наибольшую скорость образования продукта. Дальнейшее повышение концентрации субстрата не приводит к увеличению образования продукта, т.е. скорость реакции не возрастает. Данное состояние

соответствует максимальной скорости реакции Vmax.

Общую теорию ферментативной кинетики и зависимость активности фермента от субстрата.описали Л.Михаэлис и М.Л.Ментен, выразив его в своем уравнении. Бриггс и Холдейн усовершенствовали их уравнение, введя введя в него константу Михаэлиса (Km), определяемую экспериментально.

Уравнение Михаэлиса-Ментен описывает зависимость начальной скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата:

В математическом смысле Km соответствует концентрации субстрата при которой скорость реакции равна половине максимальной.

Ее биологический смысл заключается в характеристике сродства фермента к субстрату, а именно: увеличение

величины Кm означает снижение сродства фермента к субстрату.

6. Кофакторы – ионы металлов. Примеры ферментов и их функций.

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.

Активность многих ферментов проявляется только в присутствии небелковых соединений, называемых кофакторами. Роль кофактора могут выполнять ионы металлов (Zn2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+, Cu2+, K+, Na+) или различные по структуре органические соединения. Органические кофакторы обычно называют коферментами большинство из них являются производными витаминов. Тип связи между ферментом и коферментом может быть различным. Иногда связь слабая и возникает только во время протекания реакции. В других случаях кофактор и фермент связаны прочно за счет ковалентных связей. В последнем случае небелковую часть фермента называют простетической группой.

Кофакторы-ионы металлов:

Функции

1 стабилизация молекулы субстрата в активном центре фермента;

2стабилизация активного центра фермента;

3стабилизации третичной и четвертичной структуры фермента;

4участие в ферментативном катализе;

5активация молекулы фермента.

Cu2+ • дофамингидроксилаза (фермент, катализирующий реакцию синтеза норадреналина из дофамина)

Fe2+ (Fe3+) • каталаза (фермент, который катализирует разложение образующегося в процессе биологического окисления пероксид водорода), пероксидаза, цитохромоксидаза;

K+ • пируват киназа (фермент, участвующий в последней стадии гликолиза. Он катализирует перенос фосфатной группы из фосфоенолпирувата в аденозиндифосфат, давая одну молекулу пирувата и одну молекулу АТФ)

Mg2+ • гексокиназа (После перемещения через мембраны глюкоза в цитозоле немедленно фосфорилируется ферментом гексокиназой), глюкозо-6-фосфатаза;

Ni2+ • уреаза (катализирует гидролиз мочевины с образованием аммония и карбамата).

Zn2+ • алкоголь дегидрогеназа(фермент класса дегидрогеназ, катализирующий окисление спиртов и ацеталей до альдегидов и кетонов); карбангидраза.

7. Кофакторы – производные витаминов (коферменты). Примеры ферментов и их функций.

Органические кофакторы обычно называют коферментами большинство из них являются производными витаминов.

Кофакторы в ходе реакций выполняют следующие функции:

•участвуют в формировании третичной структуры белка и обеспечении комплементарности между ферментом и субстратом;

•могут непосредственно вовлекаться 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.

•оксидоредуктазы - ферменты этого класса катализируют окислительновосстановительные реакции, лежащие в основе биологического окисления.

•фермент - это группа белков, обладающих способностью к ускорению химических реакций.

•катализатор – это вещество ускоряющее реакцию.

•каталитическая специфичность - т.е. высокая избирательность действия ферментов, основана на комплементарности структуры субстрата и активного центра фермента.

•катал - единица измерения активности катализатора.

•нативная конформация - характерная трехмерная структура белка, в которой он стабилен и проявляет биологическую активность при физиологических условиях (температура и рН).

•холофермент - сложные ферменты (холоферменты) имеют в своем составе белковую часть, состоящую из аминокислот – апофермент, и небелковую часть – кофактор.

•изофермент – это молекулярные формы одного и того же фермента, возникшие в результате небольших генетических различий в первичной структуре фермента, но катализирующие одну и ту же реакцию.

•дегидратазы -

•дегидрогеназы

•кофакторы

•коферменты

•простетические группы

•синтазы

•синтетазы

•лиазы

•лигазы

•изомеразы

•трансферазы

•зимоген

1. Метаболические пути и биологическое значение их регуляции.

Метаболизм: совокупность

метаболических путей.

Метаболизм – высоко координированная и целенаправленная клеточная активность, включающая два неразрывных процесса – катаболизм и анаболизм.

Катаболизм – расщепление и окисление сложных органических молекул до более простых конечных продуктов.

•Оно сопровождается высвобождением энергии, заключенной сложной структуре веществ (точнее, в их химических связях).

•Большая часть высвобожденной энергии рассеивается в виде тепла.

•Остальная часть энергии, высвобождаемая в реакциях катаболизма, может запасается в виде химических связей, называемых макроэргическими.

•Основной и универсальной молекулой, которая запасает энергию и при необходимости отдает ее, является АТФ.

•Главными источниками субстратов для реакций катаболизма являются питательные вещества, поступающие с пищей – углеводы, жиры и белки.

•После поступление этих веществ в организм происходит их последовательный распад на более простые органические соединения (метаболиты), вступающие затем в различные пути метаболизма (в том числе катаболизма).

•Специфические пути распада этих метаболитов объединяются, образуя общий путь катаболизма.

•В ходе общего пути катаболизма субстраты (промежуточные метаболиты) могут полностью окисляться до СО2 и Н2О.

•Кислород в этом процессе используется как акцептор водорода от окисляемых (дегидрируемых) веществ (субстратов), в результате чего синтезируется Н2О.

•Таким образом, катаболизм органических веществ в тканях сопровождается потреблением кислорода и выделением СО2. Этот процесс называют тканевым (клеточным) дыханием.

Анаболизм – это биосинтез белков, полисахаридов, липидов, нуклеиновых кислот и других макромолекул из малых молекул-предшественников.

•Поскольку он сопровождается усложнением структуры веществ, то требует затрат энергии.

•Источником энергии для анаболических процессов являются химические связи в молекуле АТФ.