Вопросы к экзамену (Энзимология, 2022-2023г.)
Энзимология – наука о ферментах. Цель, задачи и направления энзимологии.
Ферменты как биологические катализаторы. Рибозимы.
Использование данных энзимологии в медицине, сельском хозяйстве, промышленности.
Катализаторы, ферменты, как биологические катализаторы. Секреция ферментов наружу.
Функциональные части ферментов; активный центр, связывающие центры, каталитический центр
Мишени ферментов; субстрат, продукт
Дополнительные учасники реакций; кофакторы; простетические группы; косубстраты
Секреция ферментов наружу, отличия ферментов от небиологических катализаторов.
Ферменты, как биологические катализаторы.
Принципы классификации ферментов. Общая характеристика классов ферментов. Номенклатура ферментов
Различия между ферментами и химическими катализаторами:
Оксидоредуктазы. Общая характеристика класса. Примеры.
Гидролазы. Общая характеристика класса. Примеры.
Трансферазы. Общая характеристика класса. Примеры.
Синтазы (лиазы). Общая характеристика класса. Примеры.
Изомеразы. Общая характеристика класса. Примеры.
Синтетазы (лигазы). Общая характеристика класса. Примеры.
Синтазы и синтетазы. Сравнительная характеристика классов.
Структурная организация ферментов. Одно- и двухкомпонентные ферменты.
Кофакторы: коферменты и простетические группы, их важнейшие типы и представители.
Коферменты, Функции кофакторов, классификация кофакторов.
Роль металлов в каталитическом действии ферментов.
Структурная организация активного центра ферментов, и его свойства.
Каталитический центр, аллостерический центр, субстратный центр.
Роль активного центра в ферментативном катализе.
Механизм действия ферментов.
Стадии ферментативного катализа.
Причины ускорения реакции на I стадии, причины снижения энергии активации.
Основы кинетики ферментативных реакций; Стандартная единица фермента, Энергия активации.
Молекулярные механизмы ферментативного катализа; Кислотно-основной катализ, Ковалентный катализ
Молекулярные механизмы ферментативного катализа
Механизмы ферментативного катализа определяются ролью функциональных групп активного центра фермента в химической реакции превращения субстрата в продукт.
Выделяют 2 основных механизма ферментативного катализа:
кислотно-основной катализ
ковалентный катализ.
1. Кислотно-основной катализ
Концепция кислотно-основного катализа объясняет ферментативную активность участием в химической реакции кислотных групп (доноры протонов) и/или основных групп (акцепторы протонов). Кислотно-основной катализ - часто встречающееся явление. Аминокислотные остатки, входящие в состав активного центра, имеют функциональные группы, проявляющие свойства как кислот, так и оснований.
2. Ковалентный катализ
Ковалентный катализ основан на атаке нуклеофильных (отрицательно заряженных) или электрофильных (положительно заряженных) групп активного центра фермента молекулами субстрата с формированием ковалентной связи между субстратом и коферментом или функциональной группой аминокислотного остатка (как правило, одной) активного центра фермента.
Специфичность действия ферментов, специфичность по отношению к субстрату, специфичность по отношению к реакции.
Специфичность действия ферментов
Различают специфичность по отношению к типу химической реакции катализируемой ферментом, и специфичность по отношению к субстрату. Эти два вида специфичности присутствуют у каждого фермента
Специфичность по отношению к субстрату
Это предпочтительность фермента к субстрату определенной структуры по сравнению с другими субстратами. Различают 4 вида субстратной специфичности:
1. Абсолютная – фермент катализирует превращение строго определенного одного субстрата. Например, уреаза расщепляет только мочевину, аргиназа – аргинин.
2. Относительная – фермент катализирует превращение нескольких субстратов, имеющих один тип связи. Например, липаза расщепляет сложноэфирную связь между глицерином и любой жирной кислотой в триацилглицеринах.
3. Относительная групповая – фермент катализирует превращение нескольких субстратов, имеющих один тип связи, но требуются определенные атомные группировки, образующие эту связь. Например, все протеолитические ферменты расщепляют пептидную связь, но пепсин – образованную –NH2 группами ароматических аминокислот, химотрипсин – образованную –СООН группами этих же аминокислот, трипсин – пептидную связь, образованную –СООН группой лизина, аргинина.
4. Стереохимическая – фермент катализирует превращение только одного стереоизомера при наличии их смеси. Например, L-оксидаза превращает L-аминокислоту, но не действует на D-изомер.
Специфичность по отношению к реакции
Каждый фермент катализирует одну реакцию или группу реакций одного типа. Часто одно и то же химическое соединение выступает как субстрат для разных ферментов, причем каждый из них, катализируя специфическую для него реакцию, приводит к образованию разных продуктов. Например (реакция 5.1):
Реакция 5.1—декарбоксилирование специфичность к типу реакции лежит в основе единой классификации ферментов
Функциональная организация ферментов.
Функциональная организация ферментов
Вещества, вступающие в ферментативную реакцию, называются субстратами. В результате ферментативных превращений получаются продукты реакции.
В трехмерной структуре фермента выделяют несколько участков, несущих определенную функцию. В молекуле фермента выделяют активный центр, т. е. участок, с которым связывается субстрат и где протекает каталитическая реакция.
У каждого фермента имеется активный центр.
Далее можно рассказать о центрах фермента. Подробнее о активном центре
Регуляция биосинтеза ферментов.
Регуляция биосинтеза ферментов
• Индукция фермента (синтез de novo) происходит при повышении концентрации субстрата в клетке.
• Репрессия фермента (снижение скорости синтеза) происходит при повышении концентрации продуктов ферментативной реакции.
Сущность регуляции биосинтеза сводится к “включению” или “выключению” генов, ответственных за синтез фермента.
Индукция фермента - это относительное увеличение скорости синтеза фермента в ответ на появления химического соединения. В большинстве случаев регуляция путем индукции характерна для катаболических путей, где в качестве индукторов выступают обычно субстраты этих путей.
У бактерий доказана индукция ферментов (т.е. синтез ферментов) при добавлении в питательную среду субстратов этих ферментов. В бактериальных клетках имеются ферменты, количества которых могут резко меняться в зависимости от состава питательных веществ среды. Это происходит в результате того, что гены, детерминирующие эти ферменты, включаются или выключаются по мере надобности. Их называют индуцибельными. При отсутствии в среде субстратов этих ферментов, последние содержатся в клетке в следовых количествах. Если в среду добавить вещество, служащее субстратом определенного фермента, происходит быстрый синтез этого фермента в клетке, то есть имеет место индукция синтеза фермента.
Индуцированный синтез ферментов у микроорганизмов был описан в 30-х гг., но механизм этого процесса долгое время оставался непонятен. Индуцированный синтез ферментов лежит в основе широко известного явления адаптации организмов к различным условиям. Успехи, достигнутые в расшифровке механизмов регуляции клеточного метаболизма, позволили объяснить природу этого явления, его механизм и роль в клетке.
Репрессия ферментов - это подавления синтеза какого-либо фермента в присутствии определенного (порогового) количества продукта, образуемого в цепи метаболических реакций с его участием.
Репрессия может быть координированной, то есть синтез каждого фермента данного пути в одинаковой степени подавляется конечным продуктом. Часто синтез ферментов одного пути репрессируется в разной степени. В разветвленных биосинтетических путях механизмы репрессии могут быть модифицированы, чтобы лучше обеспечить регуляцию нескольких конечных продуктов из общего исходного субстрата. Синтез многих ферментов в таких путях репрессируется только при совместном действии всех конечных продуктов. Если реакция на общем участке разветвленного пути катализируется изоферментами, синтез каждого из них находится под контролем «своего» конечного продукта.
Механизм репрессии конечным продуктом на уровне транскрипции стал проясняться с 50-х гг. XX в. Большой вклад в это внесли работы Ф. Жакоба и Ж. Моно. Было показано, что наряду со структурными генами, кодирующими синтез ферментов, в бактериальном геноме существуют специальные регуляторные гены.
Кроме репрессии конечным продуктом, характерной для анаболических путей, описан тип репрессии, называемой катаболитной и заключающейся в том, что быстро используемые клеткой источники энергии способны подавлять синтез ферментов других путей катаболизма, участвующих в метаболизировании сравнительно медленно используемых источников энергии. Катаболитную репрессию можно рассматривать как приспособление клетки к использованию в первую очередь наиболее легко доступных источников энергии. В присутствии такого источника энергии потребление других субстратов, менее «удобных» для клетки, временно приостанавливается, и пути катаболизирования этих субстратов временно выключаются.
Механизмы индукции и репрессии предохраняют клетку от напрасной траты аминокислот и энергии на образование ненужных в данных условиях ферментов, однако, когда появляется необходимость, эти ферменты могут быстро синтезироваться.