Ферменты. Строение и механизм действия

Ферменты по химической природе являются:

1) простыми белками – состоят только из аминокислот;

2) сложными белками – (апофермент + кофактор)

металлы (Zn²⁺,Mg²⁺,Cu²⁺,K⁺,Na⁺,Fe²⁺,Fe³⁺и др.)

кофактор

кофермент: витаминный (производные витаминов)

невитаминный (гем, УДФ-глюкоза, глутатион и др.)

Активный центр фермента- участок в молекуле фермента, к которому присоединяется субстрат (акцепторный участок) и который обеспечивает превращение субстрата в продукты реакции (каталитический центр). Активный центр ферментов - простых белков состоит из функциональных групп аминокислот (12-16 радикалов). В активный центр сложных ферментов входит также небелковая часть. Формирование активного центра происходит в момент возникновения третичной и четвертичной структуры белка и присоединения кофактора, если фермент является сложным белком.

Аллостерический центр фермента– другой участок в молекуле фермента, к которому могут присоединяться вещества-регуляторы (эффекторы), вследствие чего каталитическая активность фермента меняется.

Аллостерические эффекторы(модификаторы, модуляторы) - вещества, изменяющие активность фермента. К ним относятся метаболиты, ионы металлов, коферменты, лекарственные препараты и др. Положительные аллостерические эффекторы активируют фермент, отрицательные - ингибируют.

Изоферменты(изоэнзимы) – это группа ферментов, катализирующих одну химическую реакцию, но отличающихся по аминокислотному составу, сродству к субстрату, локализации в тканях. Биологическое значение наличия изоферментов: в определенных тканях различные условия для протекания реакций, например, в скелетных мышцах - анаэробные условия – активен ЛДГ5, в миокарде – аэробные условия – активен ЛДГ1. Таким образом, изоферменты выполняют своеобразную роль регуляторов метаболизма.

Полиферментные системыпо своей организации делятся на:

1. Функциональные- ферменты не связаны друг с другом, объединены по функции, молекулы субстратов и ферментов перемещаются путем диффузии (ферменты гликолиза, синтеза триглицеридов, холестерина).

2. Структурно-функциональные- ферменты связаны с определенными клеточными структурами и объединены по функции (ферменты дыхательной цепи).

3. Смешанные- (ферменты цикла трикарбоновых кислот), часть ферментов связаны структурно-функционально, а часть функционально.

Механизм действия ферментов- современная теория механизма действия ферментов - это теория промежуточных соединений (Михаэлис, Ментен).

E+S↔ES↔ES*↔EP↔E+P

• сближение и ориентация субстрата и активного центра энзима,

• образование ES-комплекса, эффект напряжения (индуцированное напряжение, при котором происходит дестабилизация субстрата и энергетический барьер снижается),

• акт катализа (кислотно-щелочной или ковалентный),

• выход конечных продуктов реакции из активного центра.

Кинетика, классификация, ингибирование ферментов

Кинетика ферментативных реакций

• Влияние количества субстратана скорость химической реакции.

Вначале при увеличении концентрации субстрата скорость реакции быстро возрастает, далее прирост скорости замедляется, а затем прекращается (кривая Михаэлиса).

Km- характеризует сродство фермента к субстрату. ЧемKmменьше, тем выше сродство фермента к субстрату (на примере глюкокиназы и гексокиназы).

• Влияние количества ферментана скорость химической реакции.

Зависимость прямо пропорциональная, то есть чем больше фермента в клетке, тем больше скорость ферментативной реакции.

• Влияние температурына скорость химической реакции.

При увеличении температуры до 40ºС скорость ферментативной реакции возрастает (на каждые 10ºС, в 1,5-2 раза). При дальнейшем повышении температуры скорость реакции резко падает, вследствие тепловой денатурации ферментов.

• Влияние pH средына скорость химической реакции.

Каждый фермент проявляет максимальную активность при оптимальном для него значении pHсреды. ОптимумpHдля большинства ферментов лежит в нейтральной среде (исключения: для пепсина оптимумpH- 1,5-2, для щелочной фосфатазы - 9-10).

Активирование ферментовможет протекать различными путями, например, активность аллостерических ферментов повышается в присутствии положительного модификатора; проферменты активируются путем гидролиза (пепсиногенпепсин); некоторые ферменты активируются по принципу ковалентной модификации (фосфорилирование/дефосфорилирование).

Ингибирование ферментов бывает:

1) необратимое – при связывании с ингибитором активность фермента не восстанавливается (например, действие диизопропилфторфосфата на ацетилхолинэстеразу).

2) обратимое – после отделения ингибитора от фермента его активность восстанавливается.

Конкурентное ингибирование – разновидность обратимого. Конкурентный ингибитор похож по структуре на субстрат и способен связываться с активным центром фермента. Степень ингибирования зависит от соотношения концентраций субстрата и ингибитора. При повышении концентрации субстрата можно снять ингибирование. Примеры конкурентных ингибиторов: малонат Naдля сукцинатдегидрогеназы; трасилол для трипсина; прозерин для ацетилхолинэстеразы.

Ингибирование по типу обратной связи: продукты реакции ингибируют аллостерический фермент, который находится в начале биохимического процесса, например, холестерин ингибирует ГМГ-редуктазу.

Специфичность действияферментов определяется уникальным набором радикалов в активном центре и их расположением. Высокоспецифичные ферменты катализируют превращение только одного субстрата, например, аргиназа действует только на аргинин. Более широкий вид специфичности, когда фермент может действовать на несколько различных веществ, например, монооксигеназа в присутствии цитохрома Р450 окисляет множество различных гидрофобных веществ, ксенобиотиков.

Ферменты классифицируютпо типу химической реакции на 6 классов.

I– оксидоредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции.

II– трансферазы – обеспечивают перенос групп атомов.

III– гидролазы – расщепляют внутримолекулярные связи с участием воды.

IV– лиазы – катализируют разрыв С-О; С-С; С-Nи др. связей без участия воды.

V– изомеразы – катализируют реакции изомеризации, например превращение альдозы в кетозу.

VI– лигазы (синтетазы) – катализируют реакции синтеза молекул с участием АТФ.

Номенклатура ферментов– название ферментов.

Рабочее наименование фермента составляется из названия субстрата + тип реакции + окончание «аза», например, лактатдегидрогеназа.

Систематическое название фермента складывается из названия субстратов + тип реакций + окончание «аза», например, L-лактат:НАД-оксидоредуктаза = ЛДГ₅.

Методы определения активности ферментов:

Активность фермента определяется в стандартных (оптимальных) условиях по:

- убыли концентрации исходных субстратов или

- приросту продуктов реакции.

Единицы активности ферментов:

1Е = 1 мкмоль/мин, то есть это такое количество фермента, которое превращает 1 мкмоль субстрата за 1 минуту при оптимальных условиях.

1 катал = 1 моль/сек.

Удельная активность фермента= мкмоль/(минмг белка).