В клетке любого живого организма протекают миллионы химических реакций. Каждая из них имеет большое значение, поэтому важно поддерживать скорость биологических процессов на высоком уровне. Почти каждая реакция катализируется своим ферментом. Что такое ферменты? Какова их роль в клетке?
Ферменты. Определение
Термин "фермент" происходит от латинского fermentum - закваска. Также они могут называться энзимами от греческого en zyme - "в дрожжах".
Ферменты - биологически активные вещества, поэтому любая реакция, протекающая в клетке, не обходится без их участия. Эти вещества выполняют роль катализаторов. Соответственно, любой фермент обладает двумя основными свойствами:
1) Энзим ускоряет биохимическую реакцию, но при этом не расходуется.
2) Величина константы равновесия не меняется, а лишь ускоряется достижение этого значения.
Ферменты ускоряют биохимические реакции в тысячу, а в некоторых случаях в миллион раз. Это значит, что при отсутствии ферментативного аппарата все внутриклеточные процессы практически остановятся, а сама клетка погибнет. Поэтому роль ферментов как биологически активных веществ велика.
Разнообразие энзимов позволяет разносторонне регулировать метаболизм клетки. В любом каскаде реакций принимает участие множество ферментов различных классов. Биологические катализаторы обладают большой избирательностью благодаря определенной конформации молекулы. Т. к. энзимы в большинстве случаев имеют белковую природу, они находятся в третичной или четвертичной структуре. Объясняется это опять же специфичностью молекулы.
Функции энзимов в клетке
Главная задача фермента - ускорение соответствующей реакции. Любой каскад процессов, начиная с разложения пероксида водорода и заканчивая гликолизом, требует присутствия биологического катализатора.
Правильная работа ферментов достигается высокой специфичностью к определенному субстрату. Это значит, что катализатор может ускорять только определенную реакцию и никакую больше, даже очень похожую. По степени специфичности выделяют следующие группы энзимов:
1) Ферменты с абсолютной специфичностью, когда катализируется только одна-единственная реакция. Например, коллагеназа расщепляет коллаген, а мальтаза расщепляет мальтозу.
2) Ферменты с относительной специфичностью. Сюда входят такие вещества, которые могут катализировать определенный класс реакций, к примеру, гидролитическое расщепление.
Работа биокатализатора начинается с момента присоединения его активного центра к субстрату. При этом говорят о комплементарном взаимодействии наподобие замка и ключа. Здесь имеется в виду полное совпадение формы активного центра с субстратом, что дает возможность ускорять реакцию.
Следующий этап заключается в протекании самой реакции. Ее скорость возрастает благодаря действию ферментативного комплекса. В конечном итоге мы получаем энзим, который связан с продуктами реакции.
Заключительный этап - отсоединение продуктов реакции от фермента, после чего активный центр вновь становится свободным для очередной работы.
Схематично работу фермента на каждом этапе можно записать так:
1) S + E ——> SE
2) SE ——> SP
3) SP ——> S + P , где S - это субстрат, E - фермент, а P - продукт.
Классификация ферментов
В организме человека можно найти огромное количество ферментов. Все знания об их функциях и работе были систематизированы, и в итоге появилась единая классификация, благодаря которой можно легко определить, для чего предназначен тот или иной катализатор. Здесь представлены 6 основных классов энзимов, а также примеры некоторых подгрупп.
- Оксидоредуктазы.
Ферменты этого класса катализируют окислительно-восстановительные реакции. Всего выделяют 17 подгрупп. Оксидоредуктазы обычно имеют небелковую часть, представленную витамином или гемом.
Среди оксидоредуктаз часто встречаются следующие подгруппы:
а) Дегидрогеназы. Биохимия ферментов-дегидрогеназ заключается в отщеплении атомов водорода и переносе их на другой субстрат. Эта подгруппа чаще всего встречается в реакциях дыхания, фотосинтеза. В составе дегидрогеназ обязательно присутствует кофермент в виде НАД/НАДФ или флавопротеидов ФАД/ФМН. Нередко встречаются ионы металлов. Примерами могут служить такие энзимы, как цитохромредуктазы, пируватдегидрогеназа, изоцитратдегидрогеназа, а также многие ферменты печени (лактатдегидрогеназа, глутаматдегидрогеназа и т. д.).
б) Оксидазы. Ряд ферментов катализирует присоединение кислорода к водороду, в результате чего продуктами реакции могут быть вода или пероксид водорода (H 2 0, H 2 0 2). Примеры ферментов: цитохромоксидаза, тирозиназа.
в) Пероксидазы и каталазы - энзимы, катализирующие распад H 2 O 2 на кислород и воду.
г) Оксигеназы. Эти биокатализаторы ускоряют присоединение кислорода к субстрату. Дофамингидроксилаза - один из примеров таких энзимов.
2. Трансферазы.
Задача ферментов этой группы состоит в переносе радикалов от вещества-донора к веществу-реципиенту.
а) Метилтрансферазы. ДНК-метилтрансферазы - основные ферменты, контролирующие процесс репликации нуклеотидов играет большую роль в регуляции работы нуклеиновой кислоты.
б) Ацилтрансферазы. Энзимы этой подгруппы транспортируют ацильную группу с одной молекулы на другую. Примеры ацилтрансфераз: лецитинхолестеринацилтрансфераза (переносит функциональную группу с жирной кислоты на холестерин), лизофосфатидилхолинацилтрансфераза (ацильная группа переносится на лизофосфатидилхолин).
в) Аминотрансферазы - ферменты, которые участвуют в превращении аминокислот. Примеры ферментов: аланинаминотрансфераза, которая катализирует синтез аланина из пирувата и глутамата путем переноса аминогруппы.
г) Фосфотрансферазы. Ферменты этой подгруппы катализируют присоединение фосфатной группы. Другое название фосфотрансфераз, киназы, встречается намного чаще. Примерами могут служить такие энзимы, как гексокиназы и аспартаткиназы, которые присоединяют фосфорные остатки к гексозам (чаще всего к глюкозе) и к аспарагиновой кислоте соответственно.
3. Гидролазы - класс энзимов, которые катализируют расщепление связей в молекуле с последующим присоединением воды. Вещества, которые относятся к этой группе, - основные ферменты пищеварения.
а) Эстеразы - разрывают эфирные связи. Пример - липазы, которые расщепляют жиры.
б) Гликозидазы. Биохимия ферментов этого ряда заключается в разрушении гликозидных связей полимеров (полисахаридов и олигосахаридов). Примеры: амилаза, сахараза, мальтаза.
в) Пептидазы - энзимы, катализирующие разрушение белков до аминокислот. К пептидазам относятся такие ферменты, как пепсины, трипсин, химотрипсин, карбоиксипептидаза.
г) Амидазы - расщепляют амидные связи. Примеры: аргиназа, уреаза, глутаминаза и т. д. Многие ферменты-амидазы встречаются в
4. Лиазы - ферменты, по функции схожие с гидролазами, однако при расщеплении связей в молекулах не затрачивается вода. Энзимы этого класса всегда имеют в составе небелковую часть, например, в виде витаминов В1 или В6.
а) Декарбоксилазы. Эти ферменты действуют на С-С связь. Примерами могут служить глутаматдекарбоксилаза или пируватдекарбоксилаза.
б) Гидратазы и дегидратазы - ферменты, которые катализируют реакцию расщепления связей С-О.
в) Амидин-лиазы - разрушают С-N связи. Пример: аргининсукцинатлиаза.
г) Р-О лиазы. Такие ферменты, как правило, отщепляют фосфатную группу от вещества-субстрата. Пример: аденилатциклаза.
Биохимия ферментов основана на их строении
Способности каждого энзима определяются индивидуальным, только ему свойственным строением. Любой фермент - это, прежде всего, белок, и его структура и степень сворачивания играют решающую роль в определении его функции.
Для каждого биокатализатора характерно наличие активного центра, который, в свою очередь, делится на несколько самостоятельных функциональных областей:
1) Каталитический центр - это специальная область белка, по которой происходит присоединение фермента к субстрату. В зависимости от конформации белковой молекулы каталитический центр может принимать разнообразную форму, которая должна соответствовать субстрату так же, как замок ключу. Такая сложная структура объясняет то, что находится в третичном или четвертичном состоянии.
2) Адсорбционный центр - выполняет роль «держателя». Здесь в первую очередь происходит связь между молекулой фермента и молекулой-субстратом. Однако связи, которые образует адсорбционный центр, очень слабые, а значит, каталитическая реакция на этом этапе обратима.
3) Аллостерические центры могут располагаться как в активном центре, так и по всей поверхности фермента в целом. Их функция - регулирование работы энзима. Регулирование происходит с помощью молекул-ингибиторов и молекул-активаторов.
Активаторные белки, связываясь с молекулой фермента, ускоряют его работу. Ингибиторы же, напротив, затормаживают каталитическую активность, причем это может происходить двумя способами: либо молекула связывается с аллостерическим центром в области активного центра фермента (конкурентное ингибирование), либо она присоединяется к другой области белка (неконкурентное ингибирование). считается более действенным. Ведь при этом закрывается место для связывания субстрата с ферментом, причем этот процесс возможен только в случае практически полного совпадения формы молекулы ингибитора и активного центра.
Энзим зачастую состоит не только из аминокислот, но и из других органических и неорганических веществ. Соответственно, выделяют апофермент - белковую часть, кофермент - органическую часть, и кофактор - неорганическую часть. Кофермент может быть представлен улгеводами, жирами, нуклеиновыми кислотами, витаминами. В свою очередь, кофактор - это чаще всего вспомогательные ионы металлов. Активность ферментов определяется его строением: дополнительные вещества, входящие в состав, меняют каталитические свойства. Разнообразные виды ферментов - это результат комбинирования всех перечисленных факторов образования комплекса.
Регуляция работы ферментов
Энзимы как биологически активные вещества не всегда необходимы организму. Биохимия ферментов такова, что они могут в случае чрезмерного катализа навредить живой клетке. Для предотвращения пагубного влияния энзимов на организм необходимо каким-то образом регулировать их работу.
Т. к. ферменты имеют белковую природу, они легко разрушаются при высоких температурах. Процесс денатурации обратим, однако он может существенно повлиять на работу веществ.
pH также играет большую роль в регуляции. Наибольшая активность ферментов, как правило, наблюдается при нейтральных значениях pH (7,0-7,2). Также есть энзимы, которые работают только в кислой среде или только в щелочной. Так, в клеточных лизосомах поддерживается низкий pH, при котором активность гидролитических ферментов максимальна. В случае их случайного попадания в цитоплазму, где среда уже ближе к нейтральной, их активность снизится. Такая защита от «самопоедания» основана на особенностях работы гидролаз.
Стоит упомянуть о значении кофермента и кофактора в составе ферментов. Наличие витаминов или ионов металла существенно влияет на функционирование некоторых специфических энзимов.
Номенклатура ферментов
Все ферменты организма принято называть в зависимости от их принадлежности к какому-либо из классов, а также по субстрату, с которым они вступают в реакцию. Иногда по используют в названии не один, а два субстрата.
Примеры названия некоторых энзимов:
- Ферменты печени: лактат-дегидроген-аза, глутамат-дегидроген-аза.
- Полное систематическое название фермента: лактат-НАД+-оксидоредукт-аза.
Сохранились и тривиальные названия, которые не придерживаются правил номенклатуры. Примерами являются пищеварительные ферменты: трипсин, химотрипсин, пепсин.
Процесс синтеза ферментов
Функции ферментов определяются еще на генетическом уровне. Т. к. молекула по большому счету - белок, то и ее синтез в точности повторяет процессы транскрипции и трансляции.
Синтез ферментов происходит по следующей схеме. Вначале с ДНК считывается информация о нужном энзиме, в результате чего образуется мРНК. Матричная РНК кодирует все аминокислоты, которые входят в состав энзима. Регуляция ферментов может происходить и на уровне ДНК: если продукта катализируемой реакции достаточно, транскрипция гена прекращается и наоборот, если возникла потребность в продукте, активизируется процесс транскрипции.
После того как мРНК вышла в цитоплазму клетки, начинается следующий этап - трансляция. На рибосомах эндоплазматической сети синтезируется первичная цепочка, состоящая из аминокислот, соединенных пептидными связями. Однако молекула белка в первичной структуре еще не может выполнять свои ферментативные функции.
Активность ферментов зависит от структуры белка. На той же ЭПС происходит скручивание протеина, в результате чего образуются сначала вторичная, а потом третичная структуры. Синтез некоторых ферментов останавливается уже на этом этапе, однако для активизации каталитической активности зачастую необходимо присоединение кофермента и кофактора.
В определенных областях эндоплазматической сети происходит присоединение органических составляющих энзима: моносахаридов, нуклеиновых кислот, жиров, витаминов. Некоторые ферменты не могут работать без наличия кофермента.
Кофактор играет решающую роль в образовании Некоторые функции ферментов доступны только при достижении белком доменной организации. Поэтому для них очень важно наличие четвертичной структуры, в которой соединяющим звеном между несколькими глобулами белка является ион металла.
Множественные формы ферментов
Встречаются ситуации, когда необходимо наличие нескольких энзимов, катализирующих одну и ту же реакцию, но отличающихся друг от друга по каким-либо параметрам. Например, фермент может работать при 20 градусах, однако при 0 градусов он уже не сможет выполнять свои функции. Что делать в подобной ситуации живому организму при низких температурах среды?
Эта проблема легко решается наличием сразу нескольких ферментов, катализирующих одну и ту же реакцию, но работающих в разных условиях. Существуют два типа множественных форм энзимов:
- Изоферменты. Такие белки кодируются разными генами, состоят из разных аминокислот, однако катализируют одну и ту же реакцию.
- Истинные множественные формы. Эти белки транскрибируются с одного и того же гена, однако на рибосомах происходит модификация пептидов. На выходе получают несколько форм одного и того же фермента.
В результате первый тип множественных форм сформирован на генетическом уровне, когда второй - на посттрансляционном.
Значение ферментов
В медицине сводится к выпуску новых лекарственных средств, в составе которых вещества уже находятся в нужных количествах. Ученые еще не нашли способ стимулирования синтеза недостающих энзимов в организме, однако сегодня широко распространены препараты, которые могут на время восполнить их недостаток.
Различные ферменты в клетке катализируют большое количество реакций, связанных с поддержанием жизнедеятельности. Одними из таких энизмов являются представители группы нуклеаз: эндонуклеазы и экзонуклеазы. Их работа заключается в поддержании постоянного уровня нуклеиновых кислот в клетке, удалении поврежденных ДНК и РНК.
Не стоит забывать о таком явлении, как свертывание крови. Являясь эффективной мерой защиты, данный процесс находится под контролем ряда ферментов. Главным из них является тромбин, который переводит неактивный белок фибриноген в активный фибрин. Его нити создают своеобразную сеть, которая закупоривает место повреждения сосуда, тем самым препятствуя излишней кровопотере.
Ферменты используются в виноделии, пивоварении, получении многих кисломолочных продуктов. Для получения спирта из глюкозы могут использоваться дрожжи, однако для удачного протекания этого процесса достаточно и экстракта из них.
Интересные факты, о которых вы не знали
Все ферменты организма имеют огромную массу - от 5000 до 1000000 Да. Это связано с наличием белка в составе молекулы. Для сравнения: молекулярная масса глюкозы - 180 Да, а углекислого газа - всего 44 Да.
На сегодняшний день открыто более чем 2000 ферментов, которые были обнаружены в клетках различных организмов. Однако большинство из этих веществ до конца еще не изучено.
Активность ферментов используется для получения эффективных стиральных порошков. Здесь энзимы выполняют ту же роль, что и в организме: они разрушают органические вещества, и это свойство помогает в борьбе с пятнами. Рекомендуется использовать подобный стиральный порошок при температуре не выше 50 градусов, иначе может пойти процесс денатурации.
По статистике, 20% людей по всему миру страдает от недостатка какого-либо из ферментов.
О свойствах энзимов знали очень давно, однако только в 1897 году люди поняли, что для сбраживания сахара в спирт можно использовать не сами дрожжи, а экстракт из их клеток.
Ферменты (энзимы) – это специфические высокоэффективные белковые катализаторы химических реакций. Большинство клеточных реакций осуществляется с участием ферментов. Обмен веществ в клетках был бы невозможен без резкого ускорения химических реакций, без согласования во времени и пространстве множества биохимических процессов, т. е. без участия ферментов. Одна клетка может содержать до 1000 различных ферментов. В настоящее время известны функции более 2000 ферментов, из которых для нескольких сотен определена аминокислотная последовательность и пространственная структура.
Как и другие химические катализаторы, ферменты:
увеличивают скорость реакции, но не расходуются в процессе и не претерпевают необратимых изменений;
не смещают равновесие химической реакции, ускоряя как прямую, так и обратную реакцию в равной степени;
повышают скорость реакции, понижая энергию активации, т. е. тот энергетический барьер, который требуется преодолеть для осуществления реакции.
Ферменты отличаются от химических катализаторов следующими свойствами:
1) высокой эффективностью действия – ферментативный катализ ускоряет протекание химических реакций в 10 6 −10 14 раз;
2) высокой специфичностью действия – способностью связываться с определенным субстратом и катализировать реакцию определенного типа;
3) «мягкими» условиями протекания ферментативных реакций – нормальное атмосферное давление, температура 30 - 40°С, рН ~ 7, водная среда;
4) способностью к регуляции своей активности, которая позволяет клеткам четко координировать осуществление многочисленных разветвленных метаболических реакций, обеспечивая наиболее высокий и экономный уровень обмена веществ, а также быструю приспособляемость к меняющимся условиям окружающей среды.
Классификация ферментов. Поскольку для ферментов характерна специфичность действия, их классифицируют по типу реакции, подвергающейся катализу. Согласно принятой в настоящее время классификации ферменты группируют в 6 классов.
1. Оксидоредуктазы (окислительно-восстановительные реакции):
А восст + В окисл → А окисл + В восст
2. Трансферазы (реакции переноса функциональных групп между субстратами):
А −Х + В → А + В −Х
3. Гидролазы (реакции гидролиза, акцептором переносимой группы является молекула воды):
А −В + Н 2 О → А −Н + В −ОН
4. Лиазы (реакции отщепления групп от субстрата негидролитическим путем с образованием двойной связи или присоединения групп по двойным связям):
А (Х Н)−В → А −Х + В −Н
5. Изомеразы (реакции изомеризации):
А ↔ Изо-А
6. Лигазы или синтетазы (реакции синтеза за счет энергии расщепления нуклеозидтрифосфатов, чаще АТФ):
А + В + АТР → А −В + ADP + Р i
Номер соответствующего класса фермента закреплен в его кодовой нумерации (шифре). Шифр фермента состоит из 4-х разделенных точками чисел, обозначающих класс фермента, подкласс, подподкласс и порядковый номер в подподклассе.
Систематические названия ферментов образуются путем добавления суффикса -аза к названию субстрата, на который воздействует данный фермент (в случае бимолекулярной реакции – к названиям двух субстратов, разделенных знаком деления), либо к названию типа катализируемой реакции. Например, аргиназа (катализирует гидролиз аргинина), алкогольдегидрогеназа (катализирует окисление этанола). После названия фермента в скобках указывают название органа или организма, из которого был выделен данный фермент. Например, алкогольдегидрогеназа (дрожжи) или алкогольдегидрогеназа (печень крыс).
В некоторых случаях до сих пор сохраняются тривиальные названия ферментов с окончанием -ин , не несущие химическую информацию, например пепсин и трипсин (протеолитические ферменты), каталаза (разрушает перекись водорода) и др.
Систематические названия ферментов используются тогда, когда необходима точная идентификация фермента. Многие систематические названия очень громоздки, и удобнее пользоваться тривиальными названиями. Например, гексокиназа (тривиальное название) – это АТФ: D -гексозо-6-фосфотрансфераза.
Особенности структуры ферментов. Молекулы ферментов характеризуются молекулярными массами от 10 до 1000 кДа и выше, однако большинство ферментов представлено глобулярными белками с молекулярной массой в несколько сотен тысяч Да, построенными из субъединиц – протомеров. Ферменты функционируют обычно в составе мультиферментных систем, катализирующих определенные последовательности реакций (продукт реакции, полученный при участии одного фермента, является субстратом для второго фермента и т. д.). Упаковка субъединиц в мультимерном (состоящем из нескольких субъединиц) белке осуществляется благодаря взаимодействиям того же типа, что и при образовании четвертичной структуры белка. Среди ферментов-мультимеров преобладают димеры и тетрамеры, менее распространены гекса- и октамеры и очень редко встречаются тримеры и пентамеры. Например, дрожжевая синтетаза жирных кислот, катализирующая синтез жирных кислот из низкомолекулярных предшественников, представляет собой систему из семи разных ферментов, молекулы которых объединены в прочно связанный комплекс.
Мультимерные ферментные белки могут содержать протомеры нескольких типов, катализирующих одну и ту же реакцию, но различающихся первичной структурой, молекулярной массой, субстратной специфичностью и др. От соотношения протомеров разного типа в мультимере зависят некоторые его физические и химические свойства. Такие различающиеся формы мультимерного фермента называются изоферментами (изозимами).
Изоферменты являются продуктами экспрессии разных генов. В виде нескольких изоферментов существует ряд ферментов, причем они могут встречаться у одного и того же организма и даже внутри одной и той же клетки. Один из основных механизмов образования изоферментов включает объединение разных субъединиц в разной комбинации при образовании активного олигомерного фермента. Например, лактатдегидрогеназа, катализирующая в мышцах обратимую реакцию окисления молочной кислоты, состоит из четырех субъединиц (тетрамер) двух типов (Н и М) и представлена пятью изоферментами – НННН, НННМ, ННММ, НМММ, ММММ. Они отличаются друг от друга активностью, молекулярной массой, электрофоретической подвижностью, локализацией в органах и тканях, чувствительностью к регуляторным веществам. Существование изоферментов позволяет организму изменять их соотношение и регулировать таким образом метаболическую активность.
Изучение структуры молекул ферментов позволило выявить ряд закономерностей в их организации. Полипептидная цепь, образующая белковую глобулу, свернута довольно сложным образом. Одни участки этой цепи являются -спиралями или же -структурами, другие принимают нерегулярные, но вполне определенные конформации. Эти структуры, тесно прилегая друг к другу и чередуясь, упаковываются в блоки, обладающие функциональной активностью. На поверхности белковой глобулы находятся в основном полярные группы и заряженные атомы, причем между противоположно заряженными группами иногда образуются ионные связи. Внутренние области белковой глобулы представляет собой неполярную среду, гидрофобное ядро образовано неполярными группами, входящими главным образом в состав алифатических и ароматических боковых цепей аланина, валина, лейцина, изолейцина, метионина, фенилаланина и триптофана. Полярные радикалы аминокислот, имеющие функциональное значение, могут быть также ориентированы внутрь глобулы и ассоциированы друг с другом.
Важнейшей частью фермента является активный центр , обычно имеющий форму щели или впадины в глобуле фермента и представляющий собой сложную трех-мерную структуру. Одни ферменты имеют один, другие – два или более активных центра. Активные центры ферментов образуются на уровне третичной структуры. В активном центре происходит связывание субстрата и превращение его в продукт. Активный центр почти всегда построен из небольшого количества аминокислотных остатков, которые, как правило, значительно удалены друг от друга в полипептидной цепи. При ее свертывании функциональные группы этих аминокислотных остатков сближаются и формируют активный центр.
В активном центре выделяют два участка – связывающий и каталитический. Остатки аминокислот, образующие связывающий участок , отвечают за специфическое комплементарное связывание субстрата и образование фермент-субстратного комплекса, обеспечивая удержание субстрата в активном центре. Именно «архитектура» связывающего участка активного центра фермента определяет его комплементарность структуре субстрата. Формирование фермент-субстратного комплекса происходит без образования ковалентных связей, за счет более слабых сил – водородных и электростатических связей, гидрофобных и вандерваальсовых взаимодействий.
В каталитический участок фермента входят остатки аминокислот, непосредственно участвующие в катализе. Их называют каталитическими группами, и они чаще всего представлены функциональными группами остатков серина, гистидина, триптофана, аргинина, цистеина, аспарагиновой и глутаминовой кислот, тирозина. Окончательное формирование каталитического участка у многих ферментов может происходить в момент присоединения субстрата (принцип индуцированного соответствия субстрата и фермента).
Активный центр не может быть очерчен строго определенными границами, поскольку каждый его компонент, так или иначе, взаимодействует с другими участками молекулы фермента. Влияние микроокружения может быть весьма существенным:
компоненты активного центра, в том числе и кофакторы, взаимодействуют с соседними группами фермента, что изменяет химические характеристики функциональных групп, участвующих в катализе;
в клетке ферменты образуют структурные комплексы как друг с другом, так и с участками клеточных и внутриклеточных мембран, с элементами цитоскелета и/или другими молекулами, что влияет на реакционную способность функциональных групп в активном центре фермента.
Структура активного центра определяет регио- и стереоспецифичность действия ферментов.
Некоторые ферменты проявляют полифункциональность – способность катализировать несколько типов реакций. Это явление объясняется тем, что при формировании третичной структуры полипептидные цепи таких ферментов образуют несколько функционально и стерически обособленных глобулярных участков – доменов , каждый из которых характеризуется собственной каталитической активностью.
Специфичность ферментов. Одним из удивительных свойств ферментов является их высокая специфичность. Различают субстратную и реакционную специфичность. Большинство ферментов высокоспецифично как к природе, так и к пути превращения субстрата.
Субстратная специфичность – это способность фермента катализировать превращение определенного субстрата или нескольких субстратов со схожей химической структурой. Эта специфичность у разных ферментов значительно варьируется: одни ферменты могут катализировать реакцию с участием только одного субстрата (абсолютная специфичность), другие взаимодействуют с несколькими химически родственными веществами (групповая специфичность). Например, формамидаза гидролизует только формамид, а амидаза – любой алифатический амид. В этом случае говорят, соответственно, об узкой и широкой субстратной специфичности ферментов.
Субстратная специфичность обусловлена комплементарностью структуры связывающего участка фермента структуре субстрата. Между аминокислотными остатками активного центра фермента и субстратом устанавливается геометрическое (по форме) и химическое соответствие (образование гидрофобных, ионных и водородных связей). Связывание субстрата в активном центре фермента происходит многоточечно, с участием нескольких функциональных групп.
Реакционная специфичность характеризует способность ферментов катализировать реакции определенного типа (например, окислительно-восстановительные). Если субстрат может существовать в нескольких изомерных формах, то одни и те же химические превращения этих изомеров катализируют разные ферменты (например, оксидазы L -аминокислот и оксидазы D -аминокислот). Исключение составляют изомеразы, которые катализируют взаимопревращения изомеров.
Закономерности ферментативного катализа. Ферментативная реакция – это многостадийный процесс. На 1-й стадии устанавливается индуцированное комплементарное соответствие между ферментом Е и субстратом S . В результате образуется фермент-субстратный комплекс Е S , в котором далее происходит химическое превращение субстрата в продукт(ы). Е S -комплекс через переходное состояние Е S * превращается в комплекс фермент-продукт(ы) ЕР , после чего продукт(ы) превращения отделяются от фермента:
Е + S ⇄ Е S ⇄ Е S * ⇄ ЕР ⇄ Е + Р
При связывании субстрата с ферментом происходит изменение конформации молекул фермента и субстрата, последняя фиксируется в активном центре в напряженной конфигурации. Так формируется активированный комплекс, или переходное состояние, – высокоэнергетическая промежуточная структура, которая энергетически менее устойчива, чем исходные соединения и продукты. Важнейший вклад в суммарный каталитический эффект вносит процесс стабилизации переходного состояния – взаимодействия между аминокислотными остатками белка и субстратом. Разность значений свободной энергии для исходных реагентов и переходного состояния соответствует свободной энергии активации G # . Это количество энергии, необходимое для перевода всех молекул субстрата в активированное состояние.
Скорость реакции зависит от величины G # : чем она меньше, тем больше скорость реакции, и наоборот. По сути, G # представляет собой энергетический барьер, который требуется преодолеть для осуществления реакции. Вершина энергетического барьера соответствует переходному состоянию. Стабилизация переходного состояния понижает этот барьер или энергию активации, т. е. ферменты повышают скорость реакций путем снижения активационного барьера и увеличения энергии субстрата при связывании его с ферментом, не влияя при этом на полное изменение свободной энергии.
Можно выделить несколько причин высокой каталитической активности ферментов, которые обеспечивают снижение энергетического барьера реакции:
1) фермент может связывать молекулы реагирующих субстратов таким образом, что их реакционноспособные группы будут располагаться поблизости друг от друга и от каталитических групп фермента (эффект сближения );
2) при образовании фермент-субстратного комплекса достигаются фиксация субстрата и его оптимальная для разрыва и образования химических связей ориентация (эффект ориентации );
3) связывание субстрата приводит к удалению его гидратной оболочки (существует для растворенных в воде веществ);
4) эффект индуцированного соответствия субстрата и фермента;
5) стабилизация переходного состояния;
6) определенные группы в молекуле фермента (кофермента) могут обеспечивать кислотно-основной катализ (перенос протонов в субстрате) и нуклеофильный катализ (формирование ковалентных связей между ферментом и субстратом, что ведет к образованию более реакционноспособных структур, чем субстрат). Последний характерен для ферментов, катализирующих реакции нуклеофильного замещения.
Кофакторы ферментов. Активность ряда ферментов зависит только от структуры самого белка. Однако во многих случаях (~40%) для осуществления катализа ферменты нуждаются в особых посредниках – кофакторах. Кофакторы – это низкомолекулярные соединения небелковой природы (ионы металлов, сложные органические соединения, в основном производные витаминов), которые функционируют на промежуточных стадиях ферментативной реакции (или цикла реакций), но не расходуются в ходе катализа. В большинстве случаев кофакторы регенерируются в неизменном виде по завершении каталитического акта.
Отделение кофактора от белка, обычно связанного с ним нековалентными связями, приводит к образованию неактивного апофермента. Каталитически активный комплекс апофермент-кофактор называется холоферментом .
Различные по химической природе кофакторы делят на две основные группы – коферменты и простетические группы.
Коферменты непрочно (нековалентно) связаны с белком и при катализе отделяются от него (например, НАД + , КоА). Восстановление их исходной структуры (регенерация) после участия в катализе может катализироваться уже другим ферментом.
Простетические группы прочно (часто ковалентно) связаны с апоферментом и при катализе не отделяются от него (например, гем в гемопротеинах, атомы металлов в металлопротеинах).
Каждый кофактор имеет определенную структуру, что делает его специфичным для определенного типа реакций. Для участия в реакции кофакторы должны быть связаны с ферментами. При этом комплементарное, точное размещение кофактора в активном центре фермента обеспечивает множество нековалентных контактов с ферментом.
Основные механизмы, согласно которым кофакторы принимают участие в катализе, следующие:
выполняют функцию переносчиков между ферментами. Взаимодействуя с одним ферментом, переносчик акцептирует часть субстрата, мигрирует к другому ферменту и передает переносимую часть субстрату второго фермента, после чего высвобождается. Такой механизм типичен для большинства коферментов;
выполняют роль «внутриферментного переносчика», что характерно, в первую очередь, для простетических групп. Простетическая группа присоединяет часть молекулы субстрата и переносит ее на второй субстрат, связанный в активном центре того же фермента. В этом случае простетическую группу рассматривают как часть каталитического участка фермента;
изменяют конформацию молекулы фермента, взаимодействуя с ней вне активного центра, что может индуцировать переход активного центра в каталитически активную конфигурацию;
стабилизируют конформацию фермента, способствующую каталитически активному состоянию;
выполняют функцию матрицы. Например, полимеразы нуклеиновых кислот нуждаются в «программе» – матрице, по которой строится новая молекула;
играют роль промежуточных соединений. Иногда фермент может использовать в реакции молекулу кофактора, образуя из нее продукт, но при этом одновременно за счет субстрата образовать новую молекулу кофактора.
Обычно кофакторы играют роль промежуточных переносчиков электронов, некоторых атомов или функциональных групп, которые в результате ферментативной реакции переносятся с одного соединения на другое. Наиболее распространены кофакторы, осуществляющие перенос восстановительных эквивалентов, фосфатных, ацильных и карбоксильных групп. Ограничимся рассмотрением структуры и механизма функционирования переносчиков восстановительных эквивалентов.
Под восстановительными эквивалентами подразумевают обычно атомы Н, электроны или гидрид-ионы. Поскольку их перенос осуществляется в ходе окислительно-восстановительных реакций, соответствующие переносчики называют окислительно-восстановительными кофакторами:
Е 1 Е 2
А Н 2 + Р ⇄ А + Р Н 2 ; Р Н 2 + В ⇄ Р + В Н 2
Суммарная реакция: А Н 2 + В ⇄ А + В Н 2
где А , В – окисленные субстраты; Р – переносчик; А Н 2 , В Н 2 – восстановленные субстраты; Е 1 , Е 2 – ферменты (дегидрогеназы).
К ним относятся никотинамидные и флавиновые переносчики, цитохромы, хиноны, липоевая и аскорбиновая кислоты, глутатион. Наиболее распространены никотинамидные (НАД + и НАДФ +) и флавиновые (ФАД и ФМН) коферменты.
Никотинамидные переносчики восстановительных эквивалентов. Ими являются никотинамидадениндинуклеотид (НАД + , или NAD +) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ + , или NADP +), которые представлены на рис. 12. Окисленные формы этих коферментов принято обозначать НАД + и НАДФ + , подчеркивая присутствие избыточного положительного заряда на атоме азота пиридинового кольца.
Рис. 12. Окисленная форма никотинамидадениндинуклеотида (NAD +) и никотинамидадениндинуклеотидфосфата (NADP +)
Функциональной группой никотинамидных переносчиков восстановительных эквивалентов служит пиридиновое кольцо , входящее в состав никотинамида – витамина В 5 (РР). При ферментативном окислении субстрата с участием НАД + (НАДФ +) никотинамид восстанавливается в ходе присоединения гидрид-иона. При этом дегидрирование субстрата в большинстве случаев сопровождается отщеплением двух атомов водорода, в ходе которого протон Н + переносится через раствор (рис. 13).
Рис. 13. Восстановление никотинамида
Примером функционирования никотинамидных переносчиков восстановительных эквивалентов может служить окисление этанола в уксусный альдегид, катализируемое алкогольдегидрогеназой. Этот фермент осуществляет отщепление двух атомов водорода от молекулы этанола, причем к НАД + переносится водород, связанный с углеродом спиртовой группы, а водород, присоединенный к кислороду ОН-группы, высвобождается в среду в виде Н + :
Два пиридиновых кофермента участвуют в разных окислительно-восстановительных реакциях при различных окислительно-восстановительных потенциалах: НАД + чаще выступает в роли окислительного агента в катаболитных путях, а НАДФ + восстанавливается до НАДФН·Н + и выполняет функцию восстановителя в биосинтетических процессах.
Флавиновые переносчики восстановительных эквивалентов. К ним относятся флавинадениндинуклеотид (ФАД, или FAD) и флавинмононуклеотид (ФМН, или FMN), которые представлены на рис. 14.
Рис. 14. Структура флавиновых восстановительных эквивалентов
Флавиновые коферменты являются более сильными окислителями, чем никотинамидные, а восстановленные формы никотинамидных коферментов служат более сильными восстановителями, чем восстановленные флавины.
Реакционноспособной частью ФАД и ФМН служит изоаллоксазиновая система , содержащая двойные сопряженные связи. Структура этой системы изменяется при восстановлении. Дегидрирование с участием флавиновых кофакторов сопровождается отщеплением от субстрата двух атомов водорода, но в отличие от никотинамидных коферментов, акцептирующих гидрид-ион, флавиновые кофакторы акцептируют оба атома водорода (рис. 15). Поэтому восстановленные формы ФАД и ФМН обозначаются как ФАДН 2 и ФМНН 2 .
Рис. 15. Функционирование флавиновых коферментов
АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ И ФАКТОРЫ, НА НЕЕ ВЛИЯЮЩИЕ. ПРИНЦИПЫ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ КИНЕТИКИ
Под активностью фермента понимают такое его количество, которое катализирует превращение определенного количества субстрата в единицу времени. Для выражения активности препаратов ферментов используют две альтернативные единицы: международную (МЕ) и «катал» (кат). За международную единицу активности фермента принято такое его количество, которое катализирует превращение 1 мкмоля субстрата в продукт за 1 мин в стандартных условиях (обычно оптимальных). 1 катал обозначает количество фермента, катализирующее превращение 1 моля субстрата за 1 с. 1 кат = 6∙10 7 МЕ. При бимолекулярной реакции A + В = С + D за единицу активности фермента принимают такое его количество, которое катализирует превращение одного мкмоля А или В или двух мкмолей А (если В = А ) за 1 мин.
Часто ферментные препараты характеризуются удельной активностью, которая отражает степень очистки фермента. Удельная активность – это число единиц активности фермента, приходящихся на 1 мг белка.
Молекулярная активность (число оборотов фермента) – число молекул субстрата, подвергающееся превращению одной молекулой фермента за 1 мин при полном насыщении фермента субстратом. Она равна числу единиц активности фермента, деленному на количество фермента, выраженное в мкмолях. Понятие молекулярной активности применимо только для чистых ферментов.
Когда известно количество активных центров в молекуле фермента, вводится понятие активности каталитического центра . Характеризуется числом молекул субстрата, которое подвергается превращению за 1 мин в расчете на один активный центр.
Активность ферментов сильно зависит от внешних условий, среди которых первостепенное значение имеют температура и рН среды. Повышение температуры в интервале 0 - 50°С обычно приводит к плавному увеличению ферментативной активности, что связано с ускорением процессов формирования фермент-субстратного комплекса и всех последующих событий катализа. При повышении температуры на каждые 10°С скорость реакции увеличивается примерно вдвое (правило Вант-Гоффа). Однако дальнейшее повышение температуры (>50°С) сопровождается увеличением количества инактивированного фермента за счет денатурации его белковой части, что выражается в снижении активности. Каждый фермент характеризуется температурным оптимумом – значением температуры, при котором регистрируется наибольшая его активность.
Зависимость активности ферментов от значения рН среды имеет сложный характер. Для каждого фермента характерен оптимум рН среды, при котором он проявляет максимальную активность. При удалении от этого значения в ту или другую сторону ферментативная активность снижается. Это объясняется изменением состояния активного центра фермента (уменьшением или увеличением ионизации функциональных групп), а также третичной структуры всей белковой молекулы, которая зависит от соотношения в ней катионных и анионных центров. Большинство ферментов имеют оптимум рН в области нейтральных значений. Однако есть ферменты, проявляющие максимальную активность при рН 1,5 (пепсин) или 9,5 (аргиназа). При работе с ферментами необходимо поддерживать рН с помощью соответствующего буферного раствора. Зависимость ферментативной активности от рН определяется значениями рК ионизированных групп белковой молекулы.
Активность ферментов подвержена значительным колебаниям в зависимости от воздействия ингибиторов (веществ, частично или полностью снижающих активность) и активаторов (веществ, увеличивающих активность). Их роль выполняют катионы металлов, некоторые анионы, переносчики фосфатных групп, восстановительных эквивалентов, специфические белки, промежуточные и конечные продукты метаболизма.
Принципы ферментативной кинетики . Суть кинетических исследований состоит в определении максимальной скорости ферментативной реакции V max и константы Михаэлиса К м. Ферментативная кинетика изучает скорости количественных превращений одних веществ в другие под действием ферментов. Скорость ферментативной реакции измеряют по убыли субстрата или приросту образующегося продукта за единицу времени либо по изменению концентрации одной из смежных форм кофермента.
Влияние концентрации фермента на скорость реакции выражается в следующем: если концентрация субстрата постоянна (при условии избытка субстрата), то скорость реакции пропорциональна концентрации фермента. Для кинетических исследований используют концентрацию фермента 10 8 М активных центров.
Оптимальное значение концентрации фермента определяют из графика зависимости активности фермента от его концентрации (рис.16).
Оптимальным считается значение, лежащее на плато полученного графика в области значений активности фермента, мало зависящих от его концентрации.
Фермент увеличивает скорость реакции следующими способами.
Кинетика ферментативных реакций
Вещества, реакцию превращения которых ускоряют ферменты (E), называются субстратами (S). В ходе ферментативной реакции образуется фермент-субстратный комплекс (ES). Под действием фермента молекула субстрата меняет свою пространственную конфигурацию, в ней происходит перераспределение энергии и уменьшается прочность связей. Фермент-субстратный комплекс становится нестабильным и затем преобразуется в комплекс фермент-продукт, который распадается на фермент и продукты (P) реакции:
S + E ® ES ® E + P
Действие ферментов как катализаторов обладает некоторыми особенностями : 1) Фермент не способен вызвать новую химическую реакцию, он ускоряет уже идущую. 2) Фермент не изменяет направление реакции, определяемое концентрациями реагентов, катализирует как прямую, так и обратную реакции. Обратимые реакции лишь потому доходят до конца, что они являются составными частями биохимических процессов, в которых каждая последующая реакция использует в качестве субстратов продукты предыдущей реакции. Очень малое количество фермента может ускорить превращение большого количества субстрата.
При увеличении количества фермента скорость ферментативной реакции повышается до некоторого предела, который характеризуется количеством субстрата͵ доступным действию фермента. В покое в живых организмах многие ферменты не проявляют максимальной активности из-за недостаточного количества субстратов. При постоянной концентрации фермента увеличение количества субстрата приводит вначале к быстрому, затем к более медленному росту скорости ферментативной реакции, пока не достигается максимальная скорость, остающаяся практически неизменной при дальнейшем увеличении концентрации субстрата.
Для каждого фермента существует определенная концентрация субстрата (называемая константой Михаэлиса – Km), при которой скорость реакции составляет половину от максимальной. Константа Михаэлиса служит мерой химического сродства между ферментом и субстратом, мерой их способности образовывать фермент-субстратный комплекс.
1. Понижая свободную энергию переходного состояния путем стабилизации активированного комплекса.
2. Увеличивая энергию субстрата͵ когда тот связывается с ферментом при образовании фермент-субстратного комплекса. В итоге уменьшается разность свободных энергий E-S-комплекса и переходного состояния.
3. Поддерживая микроокружение активного центра в состоянии, отличном от такового в водной среде. Часто у боковых цепей аминокислотных остатков, находящихся в области активного центра, способность приобретать электрический заряд изменяется по сравнению с тем случаем, когда эти цепи целиком погружены в водную среду. В результате боковые цепи могут обладать повышенной реактивностью.
4. Располагая реагирующие атомы в правильной ориентации и на крайне важно м расстоянии друг от друга так, чтобы обеспечить оптимальное протекание реакции. Столкновения атомов в отсутствие фермента очень редко приводят к химической реакции, поскольку в данном случае редко атомы оказываются в правильной ориентации.
Фермент увеличивает скорость реакции следующими способами. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Фермент увеличивает скорость реакции следующими способами." 2017, 2018.
ОБЩИЕ СВОЙСТВА КАТАЛИЗАТОРОВ
1. Катализаторы сами НЕ ВЫЗЫВАЮТ химическую реакцию, а только УСКОРЯЮТ реакцию, которая протекает и без них.
2. Не влияют на энергетический итог реакции.
3. В обратимых реакциях катализаторы ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, причем в ОДИНАКОВОЙ степени, из чего следует, что катализаторы:
а) НЕ ВЛИЯЮТ на НАПРАВЛЕННОСТЬ обратимой реакции, которая определяется только соотношением концентраций исходных веществ (субстратов) и конечных продуктов;
б) НЕ ВЛИЯЮТ на ПОЛОЖЕНИЕ РАВНОВЕСИЯ обратимой реакции, а только ускоряют его достижение.
ОСОБЕННОСТИ ФЕРМЕНТОВ КАК БИОЛОГИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ
Ферменты обладают всеми общими свойствами обычных катализаторов. Но, по сравнению с обычными катализаторами, все ферменты являются белками. Поэтому они обладают особенностями, отличающими их от обычных катализаторов. Эти особенности ферментов, как биологических катализаторов, иногда называют общими свойствами ферментов . К ним относятся:
1. Высокая эффективность действия. Ферменты могут ускорять реакцию в 10 8 -10 12 раз (примеры смотрите в пособии «Ферменты», стр.7-8).
2. Высокая избирательность ферментов к субстратам (субстратная специфичность) и к типу катализируемой реакции (специфичность действия) (смотрите примеры в пособии "Ферменты", стр. 14-15);
3. Высокая чувствительность ферментов к неспецифическим физико-химическим факторам среды - температуре, рН, ионной силе раствора и т.д. (смотрите пособие "Ферменты" стр.10, 12-13);
4. Высокая чувствительность к химическим реагентам;
5. Высокая и избирательная чувствительность к физико-химическим воздействиям тех или иных химических веществ, которые благодаря этому могут взаимодействовать с ферментом, улучшая или затрудняя его работу (об активаторах и ингибиторах смотрите пособие "Ферменты", стр. 27-36).
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.
АКТИВНЫЙ ЦЕНТР ФЕРМЕНТА
Активный центр фермента образован из остатков аминокислот, находящихся в составе различных участков полипептидной цепи или различных полипептидных цепей, пространственно сближенных. Образуется на уровне третичной структуры белка-фермента.
В его пределах различают АДСОРБЦИОННЫЙ УЧАСТОК (центр) и КАТАЛИТИЧЕСКИЙ УЧАСТОК (центр). Кроме того, вне активного центра фермента встречаются особые функциональные участки; каждый из них обозначают термином АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЙ ЦЕНТР.
КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР - это та область (зона) 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. Например, каталитический центр "серин-гистидиновых" ферментов формируется за счет радикалов аминокислот серина и гистидина. Если фермент является сложным белком, то в формировании каталитического центра нередко участвует простетическая группа молекулы фермента (кофермент). Коферментную функцию выполняют все водорастворимые витамины и жирорастворимый витамин K. (подробнее о коферментной функции витаминов: пособие "Ферменты", стр.11).
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 (для каталитического центра). Эта сорбция происходит ТОЛЬКО ЗА СЧЕТ СЛАБЫХ ТИПОВ СВЯЗЕЙ и потому ЯВЛЯЕТСЯ ОБРАТИМОЙ. По мере формирования этих связей происходит конформационная перестройка адсорбционного центра, которая приводит к более тесному сближению субстрата и активного центра фермента, более точному соответствию между их пространственными конфигурациями. Такое соответствие - не заранее "готовое", а формирующееся в ходе взаимодействия - американский ученый Кошленд положил в основу теории ИНДУЦИРОВАННОГО СООТВЕТСТВИЯ (или «НАВЕДЕННОГО» СООТВЕТСТВИЯ), которая преодолела ограниченность существовавшей ранее теории КЛЮЧА И ЗАМКА (жесткого соответствия структуры субстрата структуре адсорбционного центра).
Очевидно, что именно структура адсорбционного центра определяет субстратную специфичность фермента, то есть требования фермента к молекуле химического вещества, чтобы она могла стать для него подходящим субстратом.
Некоторые вещества, обладающие подходящими характеристиками (то есть похожие на субстрат), могут тоже связываться с адсорбционным центром фермента. Но если в их молекуле нет такой химической связи, на которую может воздействовать каталитический центр данного фермента, то химических превращений этого вещества не произойдет. Занимая активный центр фермента, такие молекулы блокируют его работу, то есть являются ОБРАТИМЫМИ ИНГИБИТОРАМИ данного фермента (обратимыми, потому что связаны с ферментом слабыми типами связей). Повышая концентрацию субстрата, их можно ВЫТЕСНИТЬ из адсорбционного центра. Поэтому такие ингибиторы называют КОНКУРЕНТНЫМИ. Они конкурируют с истинным субстратом данного фермента за обладание его адсорбционным центром.
АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ ЦЕНТРАМИ называют такие участки молекулы фермента вне его активного центра, которые способны связываться СЛАБЫМИ ТИПАМИ СВЯЗЕЙ (значит - обратимо) с тем или иным веществом (лигандом). Причем такое связывание приводит к такой конформационной перестройке молекулы фермента, которая распространяется и на активный центр, облегчая, либо затрудняя (замедляя) его работу. Соответственно такие вещества называются АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ АКТИВАТОРАМИ или АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ ИНГИБИТОРАМИ данного фермента.
Термин "аллостерический" (то есть "имеющий иную пространственную структуру") появился в связи с тем, что эти эффекторы по своей пространственной конфигурации совсем не похожи на молекулу субстрата данного фермента (и потому не могут связываться с активным центром фермента). Было сделано заключение, что и аллостерический центр не похож по своей структуре на активный центр фермента.
Аллостерические центры найдены не у всех ферментов. Они есть у тех ферментов, работа которых может изменяться под действием гормонов, медиаторов и других биологически активных веществ. Некоторые искусственно синтезированные лекарства обладают биологической активностью потому, что их молекулы комплементарны аллостерическому центру некоторых ферментов организма.
СПЕЦИФИЧНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ
Различают два главных вида специфичности ферментов: СУБСТРАТНУЮ СПЕЦИФИЧНОСТЬ и СПЕЦИФИЧНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ.
СУБСТРАТНАЯ СПЕЦИФИЧНОСТЬ.
Это способность фермента катализировать превращения только одного определенного субстрата или же группы сходных по строению субстратов. Определяется структурой адсорбционного участка активного центра фермента.
Различают 3 типа субстратной специфичности:
1) АБСОЛЮТНАЯ субстратная специфичность - это способность фермента катализировать превращение только одного, строго определенного субстрата.
2) ОТНОСИТЕЛЬНАЯ субстратная специфичность - способность фермента катализировать превращения нескольких, сходных по строению, субстратов.
3) СТЕРЕОСПЕЦИФИЧНОСТЬ - способность фермента катализировать превращения определенных стереоизомеров.
Например, фермент оксидаза L-аминокислот способен окислять все аминокислоты, но относящиеся только к L-ряду. Таким образом, этот фермент обладает относительной субстратной специфичностью и стереоспецифичностью одновременно.
СПЕЦИФИЧНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ.
Специфичность действия - это способность фермента катализировать только определенный тип химической реакции.
В соответствии со специфичностью действия все ферменты делятся на 6 классов. Классы ферментов обозначаются латинскими цифрами. Название каждого класса ферментов соответствует этой цифре.
КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
I класс - ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ.
К данному классу относятся ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. При окислении может происходить либо отнятие водорода от окисляемого вещества, либо присоединение кислорода к окисляемому веществу. В зависимости от способа окисления различают следующие подклассы оксидоредуктаз:
1) ДЕГИДРОГЕНАЗЫ. Катализируют реакции, при которых происходит отнятие водорода от окисляемого вещества. Пример:
2) ОКСИГЕНАЗЫ. Ферменты этого подкласса катализируют включение кислорода в окисляемое вещество.
a) Монооксигеназы - включают один атом кислорода в окисляемое вещество.
б)Диоксигеназы - включают 2 атома кислорода в окисляемое вещество. Часто это сопровождается разрывом циклической структуры. По месту разрыва связи (на рисунке обозначено стрелкой) присоединяются атомы кислорода.
II класс - ТРАНСФЕРАЗЫ
Катализируют реакции переноса химических групп с молекулы одного вещества на молекулу другого вещества.
III класс - ГИДРОЛАЗЫ
Катализируют реакции разрушения химических связей с участием воды.
IV класс - ЛИАЗЫ
Катализируют реакции разрушения химических связей без участия воды.
V класс - ИЗОМЕРАЗЫ
Катализируют реакции изомерных превращений.
ИНГИБИТОРЫ ФЕРМЕНТОВ
Ингибиторы ферментов - это вещества, замедляющие ферментативные реакции.
СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ
ФЕРМЕНТЫ (энзимы) - это высокоспецифичные белки, выполняющие функции биологических катализаторов . Катализатор - это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само в ходе этой реакции не расходуется.
Какие условия необходимы для химического взаимодействия молекул, чтобы произошла химическая реакция?
1) Молекулы должны сблизиться (столкнуться) . Но не всякое столкновение приводит к взаимодействию.
2) Необходимо, чтобы это столкновение стало эффективным - завершилось бы химическим превращением . Обязательное условие для эффективности столкновения - чтобы запас энергии молекул в момент столкновения был не ниже энергетического уровня реакции .
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ РЕАКЦИИ - это запас энергии, которым должны обладать молекулы, чтобы их столкновение стало эффективным (чтобы произошла химическая реакция) . Этот запас энергии является постоянной характеристикой (константой) для каждой данной реакции.
СРЕДНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ МОЛЕКУЛ – это энергия, которой обладает большинство молекул системы в данный момент времени. Этасредняя величина энергетического запаса, которая характеризует совокупность данных молекул в данных конкретных условиях (температура, давление и другие). Энергетический запас молекул - это понятие статистическое (вероятностное). Молекулы постоянно находятся в тепловом движении. Поэтому энергетический запас каждой из них все время изменяется, колеблется около величины, которая и представляет собой СРЕДНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ МОЛЕКУЛ.
 |
В каждый момент времени наибольшая доля молекул данной совокупности обладает именно таким СРЕДНИМ запасом энергии. И чем больше отличается энергия определенной группы молекул от среднего энергетического уровня (в любую сторону), тем малочисленнее эта группа. В любой совокупности молекул ее определенная доля обладает такой энергией, которая выше среднего энергетического уровня и достаточна для протекания химической реакции.
РАЗНОСТЬ между СРЕДНИМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УРОВНЕМ МОЛЕКУЛ и ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УРОВНЕМ РЕАКЦИИ называется энергетическим барьером или ЭНЕРГИЕЙ АКТИВАЦИИ (П акт. ). Чем больше эта энергия активации, тем медленнее идет химическая реакция.
КАК УСКОРИТЬ ХИМИЧЕСКУЮ РЕАКЦИЮ? Повышение среднего энергетического уровня молекул (повышение температуры, давления и других параметров среды, которое используют на химических заводах и фабриках) НЕВОЗМОЖНО для живых организмов, которые нормально функционируют только при постоянных значениях температуры, давления и других параметров. Невозможен и другой путь - уменьшение энергии активации путем снижения энергетического уровня реакции, поскольку эта величина является постоянной характеристикой данной реакции.
Поэтому, только явление катализа (применение катализаторов) может обеспечить ускорение химических реакций в живых организмах. Рассмотрим две реакции (смотрите рисунок).
 |
В общем случае энергии активации реакций 1, 2а и 2б не совпадают между собой, и все разнообразие возможных вариантов можно разделить на две группы:
1) Еакт 2а и/или Еакт 2б БОЛЬШЕ, чем Еакт 1 .
Во всех таких случаях реакция образования вещества "АВ" с участием вещества "К" пойдет медленнее. Значит, вещество "К" является ИНГИБИТОРОМ (замедлителем) этой реакции.
2) Еакт 2а и/или Еакт 2б МЕНЬШЕ, чем Еакт 1 .
В этих случаях реакция с участием вещества "К" пойдет быстрее, чем без него. Значит, вещество "К" является КАТАЛИЗАТОРОМ (ускорителем) данной химической реакции.
КАТАЛИЗАТОР - это вещество, которое направляет реакцию по такому обходному пути, на котором энергетические барьеры ниже.
Рассмотренные реакции можно представить в виде "вертикального среза" через вершину вулкана, кратер которого имеет неодинаковые по высоте края.
 |
На этом рисунке видно, что энергия, которую надо затратить для "подъема" молекулы от среднего энергетического уровня реакции, полностью компенсируется при самостоятельном "скатывании" молекулы по склону "вулкана". При дальнейшем самопроизвольном "скатывании" до подошвы "вулкана" (то есть, до среднего энергетического уровня молекул, которые являются продуктами данной реакции). Энергия, которая при этом выделяется, называется "ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИТОГ РЕАКЦИИ".
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИТОГ РЕАКЦИИ - это разность между энергетическим уровнем исходных веществ (субстратов) и энергетическим уровнем продуктов реакции.
Энергетический итог реакции не зависит от пути, по которому идет реакция (он одинаков и для реакции с участием катализатора, и для реакции без его участия). Он не зависит и от величины энергии активации - от нее зависит только скорость протекания каждого из путей этой реакции.
Это видно из УРАВНЕНИЯ АРРЕНИУСА:
Вывод из уравнения Аррениуса: так как энергия активации в этом уравнении входит в показатель степени, то даже маленькое изменение энергии активации приводит к большим изменениям скорости реакции.
Материал из Юнциклопедии
Ферментами называются белковые вещества (см. Белки), ускоряющие жизненно важные химические реакции в клетках организмов. Являясь катализаторами, они образуют с исходными веществами неустойчивые промежуточные соединения: эти соединения, распадаясь, дают конечный продукт данной реакции и освобождают ферменты.
Действие некоторых ферментов легко наблюдать в опыте. Так, фермент каталаза значительно ускоряет разложение пероксида водорода Н2О2 на воду и кислород. Это жизненно важная реакция, так как пероксид водорода образуется в результате обмена веществ в клетке и сам по себе оказывает на клетку вредное действие. Каталаза содержится почти во всех клетках животных и растительных организмов.
Известно очень много ферментов, и каждый из них ускоряет только одну какую-либо реакцию или группы однотипных реакций. Эту особенность ферментов называют специфичностью или селективностью (избирательностью) действия. Направленность их действия позволяет организму быстро и точно выполнять сложную химическую работу по перестройке молекул пищевых веществ в нужные ему соединения.
Уже во рту во время пережевывания пищи под влиянием фермента амилазы сложные сахара, в частности крахмал, начинают разлагаться на менее сложные. Эта работа в дальнейшем будет продолжена в кишечнике ферментами карбогидразами. В желудке и кишечнике разложению с участием пепсина, трипсина, химотрипсина подвергаются белки пищи. Жиры разлагаются на глицерин и карбоновые кислоты (или их соли) под влиянием ферментов, называемых липазами. Все эти реакции разложения протекают по одному принципу: разрывается определенная химическая связь в молекуле белка, углевода или жира, и освободившиеся валентности используются для присоединения групп ОН- и иона Н+ из молекул воды. Происходит процесс гидролиза. Для молекулы белка эту реакцию можно представить так:
R 1 -CO-NH-R 2 - + НОН = -R 1 COOH + NH 2 -R 2 -
Известны ферменты, оказывающие иное действие на молекулы. Некоторые из них ускоряют окислительно-восстановительные реакции: они способствуют переносу электрона от одной молекулы (окисляемой) к другой (восстанавливаемой). Существуют ферменты, соединяющие молекулы друг с другом; ферменты, переносящие большие и сложные группы атомов от одной молекулы к другой, и т. д.
Располагая богатым набором ферментов-катализаторов, клетка разлагает молекулы пищевых белков, жиров и углеводов на небольшие фрагменты и из них заново строит белковые и иные молекулы, которые будут точно соответствовать потребностям данного организма. Вот почему великий русский физиолог И. П. Павлов назвал ферменты носителями жизни.
Активность большего числа ферментов определяется строением белковой молекулы. Определенное пространственное расположение остатков аминокислот, образующих цепеобразную молекулу белка (полипептидная цепь, см. Пептиды), создает условия для протекания катализируемой ферментом реакции. Длинная цепочка остатков аминокислот свернута в сложный клубок так, что аминокислоты, расположенные в цепи далеко друг от друга, могут оказаться соседями. Некоторые из возникших таким путем группировок остатков аминокислот проявляют каталитические свойства и образуют активный центр фермента.
Пепсин, химотрипсин, принимающие участие в пищеварении, могут служить примером ферментов, в которых активная группа является частью молекулы белка.
Другие ферменты для проявления активности нуждаются в веществах небелковой природы - так называемых кофакторах. Кофактором может быть ион металла (цинка, марганца, кальция и др.) или молекула органического соединения; в последнем случае ее часто называют коферментом. Иногда для действия фермента бывает необходимо присутствие как ионов металлов, так и коферментов. В отдельных случаях кофермент очень прочно соединен с белком; это наблюдается, например, у фермента каталазы, где кофермент представляет собой комплексное соединение железа (гем). В некоторых ферментах коферменты - это вещества, близкие по строению молекулы к витаминам. Витамины, таким образом, являются предшественниками коферментов. Так, из витамина В1 (тиамина) в клетках образуется тиамин-пирофосфат - кофермент важного фермента (его называют декарбоксилаза), превращающего пиро-виноградную кислоту в оксид углерода (IV) и ацетальдегид; из витамина В2 получаются коферменты флавиновых ферментов, осуществляющих в клетках перенос электронов - одну из стадий окисления пищевых веществ; из витамина В12 образуются коферменты, необходимые в процессе кроветворения, и т. д.
В последние годы широко используются так называемые иммобилизованные (неподвижные) ферменты. Для ускорения нужной реакции их закрепляют на поверхности инертного «носителя». В качестве его обычно используют силикагель - пористую белую массу, по составу - оксид кремния (IV) -или полимерные материалы. Через эту массу фильтруют исходные вещества. Фермент быстро и точно производит высокоспецифичную «химическую работу», в результате которой получаются продукты, почти не содержащие посторонних соединений.