ФЕРМЕНТЫ

Функции ферментов сводятся к ускорению химических реакций, причем ферменты отличаются от других катализаторов тремя уникальными свойствами:

∙ высокой эффективностью действия;

∙ специфичностью действия;

∙ способностью к регуляции;

В живой клетке множество разнообразных соединений, но реакции между ними не беспорядочны, а образуют строго определенные метаболические пути, характерные для данной клетки. Индивидуальность клетки в большой степени определяется уникальным набором ферментов, который она генетически запрограммирована производить. Отсутствие даже одного фермента или какой-нибудь его дефект могут иметь очень серьезные отрицательные последствия для организма.

Кофакторы ферментов

Все ферменты относятся к глобулярным белкам, причем каждый фермент выполняет специфическую функцию, связанную с присущей ему глобулярной структурой. Однако активность многих ферментов зависит от небелковых соединений, называемых кофакторами. Молекулярный комплекс белковой части (апофермента) и кофактора называется холоферментом. Роль кофактора могут выполнять ионы металлов (Zn2+ , Mg2+ , Mn2+ , Fe2+ , Cu2+ , K+ , Na+ ) или сложные органические соединения. Органические кофакторы обычно называют коферментами, некоторые из них являются производными витаминов. Тип связи между ферментом и коферментом может быть различным. Иногда они существуют отдельно и связываются друг с другом во время протекания реакции. В других случаях кофактор и фермент связаны постоянно и иногда прочными ковалентными связями. В последнем случае небелковая часть фермента называется простетической группой.

Некоторые коферменты

Роль кофактора в основном сводится к следующему:

∙ изменение третичной структуры белка и создание комплементарности между ферментом и субстратом;

∙ непосредственное участие 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.

Механизмы действия ферментов

Первоначальным событием при действии фермента является его специфическое связывание с лигандом - субстратом (S). Это происходит в области активного центра, который формируется из нескольких специфических R-групп аминокислот, определенным образом ориентированных в пространстве.

Важнейшие аминокислотные остатки в активном центре лизоцима

У некоторых ферментов в активном центре располагается и кофактор. Одни R- группы активного центра принимают участие в связывании субстрата, другие - в катализе. Некоторые группы могут делать и то, и другое. Детальный механизм действия каждого фермента уникален, но есть общие черты в «работе» ферментов, которые заключаются в следующем: высокая избирательность действия фермента обеспечивается тем, что субстрат связывается в активном центре фермента в нескольких точках и это исключает ошибки; активный центр располагается в углублении (нише) поверхности фермента и имеет комплементарную субстрату конфигурацию. В результате субстрат окружается функциональными группами активного центра фермента и изолируется от водной среды. Связывание субстрата с ферментом часто вызывает конформационные изменения, что ведет к правильному (оптимальному) расположению аминокислотных остатков, требуемому для протекания катализа, и тем самым увеличивает специфичность фермент-

субстратного взаимодействия (индуцированное соответствие). Так как максимальная активность фермента обусловлена оптимальной конформацией молекулы фермента в целом и активного центра в частности, то даже небольшие изменения окружающих условий, которые затрагивают связывание субстрата или конформацию третичной структуры белка, будут влиять на скорость ферментативной реакции. Например, изменение рН приводит к изменению степени ионизации ионогенных групп фермента и, следовательно, ведет к перераспределению межрадикальных связей в третичной структуре. Оптимальное рН для каждого фермента означает некоторое оптимальное состояние его ионизации, соответствующее наилучшей комплементарности. Изменение температуры вызывает противоречивый эффект: с одной стороны, при повышении температуры до 37 - 40о скорость ферментативной реакции увеличивается, что закономерно для катализа; с другой стороны, при температуре более 50о начинается денатурация фермента.

Кинетика ферментативных реакций определяется образованием ферментсубстратного комплекса:

Где Е - фермент, S - субстрат, ES - ферментсубстратный комплекс, реакция образования которого обратима и характеризуется константами К1 и К-1 соответственно.

Распад фермент-субстратного комплекса протекает по уравнению первого порядка, он практически необратим и характеризуется константой скорости К2. Эта стадия процесса является более медленной, т.е. лимитирующей. Начальная скорость (Vo). При обычных условиях, когда [S] >> [E], начальная скорость прямо пропорциональна концентрации фермента. Максимальная скорость (Vmax). При фиксированной концентрации фермента, скорость реакции стремится к конечному максимальному значению, в то время как концентрация субстрата растет. Насыщение фермента субстратом наступает, когда весь фермент включен в фермент-субстратный комплекс. Константа Михаэлиса (Km). В случае, когда все активные центры заняты, и свободные молекулы фермента отсутствуют, Vo=Vmax. При таком условии говорят о 100% насыщении. При 50% насыщении, когда Vo=1/2 Vmax из уравнения Михаэлиса - Ментен следует: Vmax / 2 = Vmax [S] / Km + [S], или в преобразованном виде: Km + [S] = 2 [S]; Km = [S]. Следовательно, Km имеет размерность концентрации. Таким образом, Кm – это такая концентрация субстрата, которая необходима для связывания половины имеющегося фермента и достижения половины максимальной скорости. Из этого определения следует, что Km можно использовать для оценки сродства фермента по отношению к данному субстрату. Оценить субстратную специфичность можно по такому правилу: чем ниже значение Km, тем лучше (предпочтительнее) субстрат для данного фермента. Km и Vmax - кинетические параметры, отражающие механизмы действия фермента.

Кинетика ферментативных реакций

Vmax отражает эффективность действия фермента. Для сравнения каталитической активности различных ферментов необходимо выразить Vmax через количество каждого фермента. Такое преобразование приводит к величине, которую называют молярной активностью (или числом оборотов фермента). Она выражается числом моль субстрата, реагирующего с одним моль фермента за единицу времени. Активность фермента можно выразить также в единицах (ед. или Е) активности. Одна единица катализирует превращение субстрата со скоростью1 мкмоль /мин. Удельная активность - это активность в единицах, отнесённая к 1 мг белка.

Ингибиторы ферментов

Действие ферментов можно полностью или частично подавить (ингибировать) определенными химическими веществами (ингибиторами). По характеру действия ингибиторы могут быть обратимыми и необратимыми. В основе этого деления лежит прочность соединения ингибитора с ферментом. Другой способ деления ингибиторов основывается на характере места их связывания. Одни из них связываются с ферментом в активном центре, а другие - в удаленном от активного центра месте. Они могут связывать и блокировать функциональную группу молекулы фермента, необходимую для проявления его активности. При этом они необратимо, часто ковалентно, связываются с ферментом или фермент - субстратным комплексом и необратимо изменяют нативную конформацию. Это, в частности, объясняет действие Hg2+ , Pb2+ , соединений мышьяка. Ингибиторы такого рода могут быть полезны при изучении природы ферментативного катализа. Например, диизопропилфторфосфат ингибирует ферменты, имеющие серин в активном центре. Таким ферментом является ацетилхолинэстераза, катализирующая следующую реакцию:

Реакция происходит каждый раз после проведения нервного импульса, прежде чем второй импульс будет передан через синапс. Диизопропилфторфосфат - одно из отравляющих веществ нервно-паралитического действия, так как приводит к утрате способности нейронов проводить нервные импульсы.

Действие диизопропилфторфосфата на фермент

Терапевтическое действие аспирина как жаропонижающего и противовоспалительного средства объясняется тем, что аспирин ингибирует один из ферментов, катализирующий синтез простагландинов (ПГ). Простагландины - вещества, участвующие в развитии воспаления. Ингибирование обусловлено ковалентной модификацией одной из аминогрупп фермента - простагландинсинтетазы.

Взаимодействие аспирина с ферментом простагландинсинтетазой

Обратимые ингибиторы. Существует два типа подобных ингибиторов - конкурентные и неконкурентные. Конкурентный ингибитор конкурирует с субстратом за связывание с активным центром. Это происходит потому, что ингибитор и субстрат имеют сходные структуры:

Конкурентное ингибирование: S- субстрат, I- ингибитор (своей трехмерной структурой похож на субстрат).

В отличие от субстрата связанный с ферментом конкурентный ингибитор не подвергается ферментативному превращению. Более того, образование EI уменьшает число молекул свободного фермента, и скорость реакции снижается. Связывание S и I происходит взаимоисключающим образом. Образуется либо ES, либо EI, но не EIS. Так как конкурентный ингибитор обратимо связывается с ферментом, то можно сдвинуть

равновесие реакции E + I ↔ EI влево простым увеличением концентрации субстрата. Конкурентными ингибиторами являются многие химиотерапевтические средства. Например, сульфамидные препараты, используемые для лечения инфекционных болезней. Сульфаниламиды – это структурные аналоги парааминобензойной кислоты, из которой в клетке микроорганизма синтезируется кофермент (Н4 - фолат), участвующий в биосинтезе нуклеиновых оснований. Нарушение синтеза нуклеиновых кислот приводит к гибели микроорганизмов.

Неконкурентное обратимое ингибирование не может быть ослаблено или устранено повышением концентрации субстрата, так как эти ингибиторы присоединяются к ферменту не в активном центре, а в другом месте.

E + S ↔ ES → E + P; E + I ↔ EI; ES + I → ESI. Неконкурентное обратимое ингибирование

Связывание приводит к изменению конформации фермента и нарушению комплементарности к субстрату. Неконкурентные ингибиторы могут обратимо связываться как со свободным ферментом, так и с комплексом ES. Наиболее важными неконкурентными ингибиторами являются образующиеся в живой клетке промежуточные продукты метаболизма, способные обратимо связываться с определенными участками ферментов (аллостерические центры) и изменять их активность, что является одним из способов регуляции метаболизма. Исследование действия ингибиторов используется при изучении механизма действия фермента, кроме того, помогает в поисках более эффективных лекарственных средств, так как лечебное действие многих лекарств обусловлено тем, что они являются ингибиторами определенных ферментов. Структурные аналоги коферментов тоже могут быть ингибиторами. Кинетические тесты позволяют отличить конкурентное ингибирование от неконкурентного.

Зависимость I/V от I/S. 1 - без ингибитора, 2 - в присутствии ингибитора (а - конкурентное; б - неконкурентное ингибирование)

Регуляция действия ферментов

В живой клетке скорость ферментативных реакций находится под строгим контролем, что позволяет каждой метаболической цепочке реакций постоянно изменяться, приспосабливаясь к меняющимся потребностям клетки в продукте.

Метаболическая цепь: А, В, С, D - метаболиты, Е1, Е2, Е3, Е4 - ферменты

В каждой метаболической цепи есть фермент, который задает скорость всей цепочке реакций. Он называется регуляторным ферментом. Существует несколько способов регуляции действия ферментов:

∙ изменение активности фермента при его постоянной концентрации;

∙ изменение концентрации фермента, обычно в результате ускорения (индукции) или торможения (репрессии) синтеза фермента;

Основные способы регуляции активности ферментов

Аллостерическая регуляция . Фермент изменяет активность с помощью

нековалентно связанного с ним эффектора. Связывание происходит в участке, пространственно удаленном от активного (каталитического) центра. Это связывание вызывает конформационные изменения в молекуле белка, приводящие к изменению определенной геометрии каталитического центра. Активность может увеличиться - это активация фермента, или уменьшиться - это ингибирование.

Аллостерическая активация фермента

«Сообщение» о присоединении аллостерического активатора передается посредством конформационных изменений каталитической субъединице, которая становится комплементарной субстрату, и фермент «включается». При удалении активатора фермент вновь переходит в неактивную форму и «выключается». Аллостерическая регуляция является основным способом регуляции метаболических путей.

Регуляция активности ферментов путем фосфорилированиядефосфорилирования . Фермент изменяет активность в результате ковалентной модификации.

Регуляция активности липазы

В этом случае фосфатная группа - ОРО 3 2- присоединяется к гидроксильным группам

в остатках серина, треонина или тирозина. В зависимости от природы фермента фосфорилирование может его активировать или, наоборот, инактивировать. Реакция присоединения фосфатной группы и ее отщепление катализируют специальные ферменты - протеинкиназы и протеинфосфатазы.

Регуляция путем ассоциации-диссоциации субъединиц в олигомерном ферменте.

Этот процесс иногда начинается с ковалентной или нековалентной модификации одной из субъединиц. Например, фермент протеинкиназа в неактивной форме построена как тетрамер R2C2 (R и С - разные субъединицы). Активная протеинкиназа представляет собой субъединицу С, для освобождения которой необходима диссоциация комплекса. Активация фермента происходит при участии cAMP (циклоаденозинмонофосфорная кислота), которая способна присоединиться к субъединице R, после чего изменяется конформация, комплементарность субъединиц R и С и происходит диссоциация комплекса: R2C2 + 2cАМР 2С + 2(R -сАМР) Циклический АМР является продуктом АТР, превращение которой катализирует фермент аденилатциклаза: АТРс АМР + Н4 Р2 О7

Аденилатциклазная система . Аденилатциклаза и протеинкиназа катализируют взаимосвязанные реакции, которые составляют единую регуляторную систему.

Аденилатциклазная система

С помощью этой системы в клетку передаются сигналы из внеклеточной среды, и в нужном направлении изменяется метаболизм клетки. Внеклеточным вестником сигнала могут быть разные молекулы, в том числе и гормоны. Эти молекулы не проникают внутрь клетки, но «узнаются» мембранными рецепторами. При активации аденилатциклазы происходят следующие этапы:

∙ изменение конформации рецептора после присоединения к нему сигнальной молекулы и увеличение его сродства к регуляторному G-белку. В результате образуется комплекс рецептора и протомеров G-белка;

∙ образование этого комплекса приводит к изменению конформации a -протомера G- белка, который теряет сродство к GDP и происходит замена GDP на GTP. В результате комплекс протомеров G-белка распадается;

∙ a -протомер взаимодействует с аденилатциклазой, что ведет к изменению ее конформации и как следствие этого - активации;

∙ после этого аденилатциклаза катализирует синтез cAMP, который в свою очередь активирует cAMP-зависимую протеинкиназу. Активация последней связана с диссоциацией комплекса входящих в нее протомеров после присоединения cAMP. Протеинкиназа фосфорилирует соответствующие ферменты, изменяет их активность и, следовательно, скорость метаболизма в клетке.

Активация ферментов путем частичного протеолиза. Некоторые ферменты

синтезируются первоначально неактивными и лишь после секреции из клетки переходят в активную форму. Неактивный предшественник называется проферментом. Активация профермента включает модификацию первичной структуры с одновременным изменением конформации. Например, трипсиноген, синтезированный в поджелудочной железе, затем в кишечнике превращается в трипсин путем удаления фрагмента с N-конца: энтеропептидаза трипсиногентрипсин + Val-(Acn) -Lys Расщепление определенных пептидных связей «запускает» новые взаимодействия R-групп по всей молекуле, приводя к новой конформации, в которой R-группы активного центра занимают оптимальное положение для катализа. Нарушения структуры какого-либо фермента, ведущие к снижению его активности, приводят к нарушению метаболических путей, в которых участвует этот фермент. Такие нарушения почти всегда проявляются как болезни. Повреждения ферментов бывают двух типов: наследственные дефекты строения фермента и повреждения, вызванные попадающими в организм токсическими веществами, ингибирующими фермент.

Ферменты

Ферменты, или энзимы – это белковой природы, образующиеся и функционирующие во всех живых организмах. Слово фермент происходит от лат. fermentum – закваска, другое название ферментов – энзимы от греч. en zyme – в дрожжах.

Впервые ферментативные процессы были открыты в бродильном производстве. Современная ферментология или энзимология – это наука о ферментах, их структурной организации. Она решает задачи изучения механизмов действия ферментов, путей регуляции ферментной активности. Такой интерес к биокатализаторам не случаен. Ферменты – это важнейшие компоненты клетки, без них невозможны синтез, распад и взаимопревращения в живых организмах. Через ферментный аппарат и регуляцию его активности происходит и регуляция скорости метаболических реакций. Изучение важно для биологии, медицины, фармации, многих областей народного хозяйства. Установлено, что многие заболевания человека связаны с нарушением деятельности ферментов, целый ряд ферментов является лекарственными препаратами.

Общие и специфические свойства ферментов.
Являясь катализаторами, то есть веществами, ускоряющими реакции, ферменты имеют ряд общих свойств с химическими небиологическими катализаторами.
1. Ферменты и входят в состав конечных Р и выходят из реакции в неизменном виде, они не расходуются в процессе катализа.
2. Ферменты не могут возбудить реакций, противоречащим законам термодинамики, они ускоряют только те реакции, которые могут протекать и без них.
3. Ферменты, как правило, не смещают положения равновесия реакции, а лишь ускоряют его достижение.
Вместе с тем ферменты обладают и специфическими свойствами:
1. По химическому строению ферменты являются белками (99,9).
2. Эффективность ферментов на несколько порядков выше, чем небиологических катализаторов.
Например: H2O2  H2O + ½ O2
а) если реакция протекает без катализатора, то Еа = 75,7 кдж/моль, пузырьки О2 почти не видны;
б) если прибавить катализатор небиологический то Еа = 54,1 кдж/моль, пузырьки отчетливо видны;
в) если прибавить биологический катализатор каталазу, то Еа = 18 кдж/моль, раствор просто «кипит».
3. Высокая специфичность – каждый фермент катализирует одну единственную реакцию или одну группу реакций, тогда как неорганические катализаторы действуют при различных типах реакций.
4. Ферменты катализируют реакции в «мягких» условиях: при нормальном Р, рН = 7,0. Для неорганических катализаторов присуща необходимость экстремальных значений рН, нагревание до очень высоких температур.

Химическая природа и строение ферментов.
Важным доказательством белковой природы ферментов явились работы Пастера (инактивация ферментов брожения при кипячении), Павлова (доказал белковую природу пепсина – фермента желудочного сока) и т.д.
1) важный признак белковой природы ферментов – их большая Mr. Например, у ДГ Mr = 4 106; 4,8 105 и т.д.
2) растворы ферментов имеют коллоидный характер – они не проходят через полунепроницаемую мембрану, осаждаются из растворов теми же реактивами, что и белки;
3) ферменты денатурируют и теряют свою активность под влиянием высокой температуры, УЗ, сильных щелочей и других факторов;
4) ферменты, как и белки, обладают амфотерными свойствами, электрофоретической подвижностью и рI.
5) как и белки, ферменты обладают высокой специфичностью;
6) наконец, прямым доказательством белковой природы ферментов явился искусственный синтез ферментов (рибонуклеаза, лизоцим), которые не отличаются по свойствам и биологической активности от природных аналогов.
Ферменты

простые белки сложные белки
состоят только из ППЦ состоят из ППЦ + небелковый компонент
(гидролитические ферменты – пепсин, трипсин, уреаза и др.)
или ферменты–протеины (ацетил КоА, лактат ДГ и т.д.)
или ферменты–протеиды
В ферментах-протеидах белковая часть называется апоферментом, а небелковая – простетической группой. Общее название сложных ферментов – холофермент.
Если простетическая группа слабо связана с белковой частью и легко диссоциирует, она называется коферментом. Кофермент может соединяться с разными белками, и именно белковая часть определяет специфичность действия сложных ферментов. Вместе с тем, без кофермента сложный фермент не может функционировать, так как кофермент, как правило, непосредственно контактирует с субстратом (S) и служит в качестве переносчика ē, атомов или группы атомов.
Кофакторы, или коферменты это:
1) ионы Me – Mg2+, Ca2+, Cu2+, Mn2+ b lh/$
2) витамины и их фосфорные эфиры – витамин Н (биотин)(в составе коферментов карбоксилирования), липоевая, фолиевая кислоты, В1 и др.;
3) мононуклеотиды ФМН, АТФ, ГТФ и т.д.;
4) большая часть коферментов – это динуклеотиды НАД, НАДФ, HS-KoA и др.
При гиповитаминозах и авитаминозах недостаток витаминов ослабляет биосинтез многих ферментов и вызывает гипокоферментоз. Коферменты выполняют также важную роль в стабилизации и охране апоферментов. Последние без коферментов скорее разрушаются протеолитическими ферментами.
Таким образом, сами по себе ни коферменты, ни апоферменты каталитической активностью не обладают, а только в комплексе друг с другом.
Молекулы S-в чаще всего имеют небольшие размеры по сравнению с молекулами ферментов, поэтому при образовании Е-S-го комплекса в контакт с S вступает ограниченная часть аминокислот ППЦ, которая называется активным центром (АЦФ). У Е-протеидов в состав АЦФ входят также и простетические группы.
Таким образом, активный центр фермента – это уникальная комбинация аминокислотных остатков, обеспечивающих непосредственное взаимодействие Е и S и прямое участие в акте катализа.
АЦФ

связывающий центр каталитический центр
участок, где происходит связывание S и Е – это контактная или «якорная» площадка участок, где происходит превращение S после его связывания
При сближении Е и S и образовании ЕS-комплекса нуклеофильные и электрофильные группы АЦФ, отдавая или принимая ē-ны, тем самым как бы «расшатывают» электронную структуру S, активируя его и ускоряя химическую реакцию. Есть ферменты, имеющие несколько АЦФ – уреаза–3; алкоголь ДГ–4; ацетилхолингетераза – 25-30 АЦФ у разных животных.

Аллостерические центры ферментов.
Кроме АЦФ, у ферментов имеются и аллостерические (греч. allos – другой) или инопространственные центры. Это место воздействия на ферменты разных регуляторных факторов. Взаимосвязь между АЦФ и АЛЦФ называется аллостерическими взаимодействиями. Важная особенность АЛЦФ – их более высокая по сравнению с АЦФ чувствительность к различным воздействиям.
Например, при повышении температуры и применении рН раньше затормаживается функция АЛЦФ. В частности, при повышении температуры аллостерический центр гексокиназы теряет чувствительность к регуляторному воздействию инсулина и глюкокортикоидов, а функциональная активность ферментов сохраняется и продолжает фосфорилировать глюкозу за счет АТФ.

Регуляторное воздействие на аллостерический центр оказывают: различные метаболиты ферментативных реакций, гормоны и продукты их обмена, медиаторы НС и т.д. Они называются эффекторами или модификаторами. Их молекулы не сходны с молекулами S-в.
Связываясь с аллостерическим центром, эффекторы изменяют ТС и ЧС ферментов, тем самым изменяют конфигурацию АЦФ, что приводит к повышению (активированию) или понижению (ингибированию) ферментативной активности.
Изоферменты – это молекулярные формы ферментов, возникающие вследствие генетических различий в ПС ферментного белка. Это группа ферментов, которые присутствуют внутри одного вида (ЛДГ) или внутри одной клетки (аминотрансферазы), имеют одинаковый механизм действия, но отличаются по некоторым физико-химическим свойствам: электрофоретической подвижности, иммунобиологическим реакциям. Например, существует в виде пяти изоферментов. Хотя они катализируют одну и ту же реакцию, отличаются по своей Кт. У них одинаковая Mr (134.000) и по 4 ППЦ с Mr 33.500. Пять изоферментов соответствую пяти различным комбинациям двух разных типов ППЦ, названных M – (muscle) и H– (heart) цепями. Изофермент М4 – находится в мышечной ткани, содержит идентичные 4М-цепи; Н4 – находится в сердце, содержит идентичные 4Н-цепи. Остальные три изофермента – это различные сочетания М3Н; М2Н2; МН3. Два типа цепей – М и Н, кодируются двумя различными генами, сочетание ППЦ находится под генетическим контролем. Наличие изоферментов и изменение их соотношения в организме – один из способов регуляции ферментов.

Современная классификация ферментов и их номенклатура
Согласно классификации, разработанной Международной комиссией по ферментам (1961г.) все ферменты делят на шесть классов. Классы делятся на подклассы, а последние – на подподклассы, внутри которых ферменту присваивается свой порядковый номер. Например, ЛДГ имеет шифр. 1.1.1.27. 1- название класса – оксидоредуктазы – указывает тип ферментной реакции; 2-я цифра показывает номер подкласса; подкласс уточняет действие фермента, так как указывает в общих чертах на природу химической группы S. Подподкласс – уточняет природу атакуемой химической связи S или природу акцептора. № 27 – порядковый № ЛДГ в подподклассе.
1) Оксидоредуктазы – катализируют реакции окисления-восстановления – содержат 17 подклассов и ~ 480 Е. Например: ЛДГ.
2) Трансферазы – катализируют реакции переноса различных групп от одного S (донор) к другому (акцептор). 8 подклассов в зависимости от вида переносимых групп и ~ 500 Е. Например: фермент холинацетилтрансфераза – катализирует перенос остатка уксусной кислоты на холин  ацетилхолин.
3) Гидролазы – катализируют разрыв связей в S с присоединением воды. Содержат 11 подклассов и ~ 460 Е. К гидролазам относятся пищеварительные ферменты, а также ферменты, входящие в состав лизосом и других органоидов клетки, где они способствуют распаду крупных молекул на более мелкие.
4) Лиазы – катализируют реакции разрыва связей в S без присоединения воды или окисления. Содержат 4 подкласса и ~ 230 Е – участвуют в промежуточных реакциях синтеза (синтазы) или распада (дегидратазы).
5) Изомеразы – катализируют превращение изомеров друг в друга. От типа реакции изомеризации – различают мутазы (рацемазы). Содержат 5 подклассов и ~ 80 Е.
6) Лигазы (синтетазы) – катализируют реакции соединения двух молекул S с использованием Е фосфатных связей. Источником ферментов является АТФ и др. Содержат 5 подклассов, ~ 80 Е (например, гексокиназа, фосфофруктокиназа).

Номенклатура ферментов.
Существует два типа названий ферментов:
1) рабочее, или тривиальное;
2) систематическое.
Рабочее название – название S + тип реакции + окончание аза. Лактат + реакция дегидрогенизации + аза ЛДГ.
Для некоторых ферментов оставлены их рабочие названия: пепсин, трипсин и т.д.
Систематическое название – название обоих S + тип реакции + аза.
-Лактат (S1): НАД+ (S2) – оксидоредуктаза.
Систематическое название дается только тем ферментам, структура которых полностью изучена. В одной клетке находится ~ 104 молекул ферментов, катализируется ~ 2000 разных реакций. В настоящее время известно около 1800 ферментов, в кристаллическом виде получено ~ 150 ферментов.
Общие представления о катализе
Вероятность протекания химической реакции определяется разницей между свободной Е исходных веществ и свободной Е продуктов реакции. Ферменты ускоряют химические реакции за счет энергии активации – Еа.
Еа – это дополнительная энергия, необходимая для перевода всех молекул одного вещества в активное состояние при данной температуре. (Аррениус – понятие об Еа).
Таким образом, Vфр зависит от энергетического барьера, который необходимо преодолеть реагирующим веществам, причем высота этого барьера неодинакова для различных реакций.
Чем выше энергия активации, тем медленнее протекает реакция. Ea не виляет на изменение свободных ферментов исходных веществ и продуктов реакции, то есть ∆G, то есть энергетическая возможность реакции не зависит от фермента.
Фермент понижает Ea (пик 2), то есть снижает высоту барьера в результате чего возрастает доля реакционноспособных молекул, а, следовательно, увеличивается Vфр. Чем больше снижается Ea, тем эффективнее действует катализатор и тем больше ускоряется реакция.
S - исходный субстрат

P – конечный продукт

ΔG – стандартное изменение свободной энергии

Еа нфр – энергия активации неферментативной реакции

Еа фр – энергия активации ферментативной реакции

Механизм действия ферментов
Большую роль в развитии представлений о механизме действия ферментов сыграли классические работы Михаэлиса и Ментен, которые развили положения о Е-S-х комплексах. Согласно их представлениям (1915г.), ферменты обратимо соединяются со своим S, образуя нестойкий промежуточный продукт – Е-S-комплекс, который в конце реакции распадается на ферменты и продукты реакции (Р). Фактически в природе идет ступенчатое превращение S через целый ряд промежуточных реакций: ES1→ ES2→ ES3 … → E + P. Схематически преобразование S в Р можно представить таким образом:

АЦФ, как правило, располагается в глубине молекулы Е.
Математическая обработка реакции образование ЕS-комплекса позволила вывести уравнение, которое называется уравнением Михаэлиса-Ментен:

где Vфр – наблюдаемая скорость фр;
Vmax – максимальная скорость фр при неполном насыщении фермента S-том;
[S] – концентрация S;
Км – константа Михаэлиса-Ментен.
Графически уравнение Михаэлиса-Ментен имеет следующий вид:

При низкой [S] Vфр прямо пропорциональна [S] в каждый данный момент времени (реакция 1-го порядка).
Из уравнения Михаэлиса-Ментен также следует, что при низком значении Км и высоком значении [S] Vфр является максимальной (в) и не зависит от [S] – это реакция нулевого порядка. Реакция нулевого порядка соответствует явлению, которое называется полным насыщением фермента субстратом.
Гипербола, выражающая зависимость Vфр от [S], называется кривой Михаэлиса. Чтобы правильно определить активность ферментов, нужно добиться реакции нулевого порядка, то есть определять Vфр при насыщающих концентрациях S.
Км численно равна [S] (моль(л)), при которой V реакции равна половине от максимальной.
Для определения численного значения Км находят ту [S], при которой Vфр составляет от ½ от Vmax.
Таким образом, определение Км играет важную роль для выяснения МД модификаторов на активность фермента.

Иногда график строят методом двойных обратных величин – метод Лайнуивера-Бэрка:
Значение как Vmax, так и Км более точно определяется методом двойных обратных величин.

Субстрат (S) - вещество, химические превращения которого в продукт (Р) катализирует фермент (Е).

S + E --> P, фермент снижает энергию активации; за счет этого реакция ускоряется.

Активный центр фермента - участок поверхности молекулы фермента, непосредственно взаимодействующий с молекулой субстрата. Образован из остатков аминокислот, находящихся в составе различных участков полипептидной цепи или различных полипептидных цепей, пространственно сближенных. Возникает на уровне третичной структуры белка-фермента.

В его пределах различают три области:

1) каталитический центр - область (зона) активного центра фермента, непосредственно участвующая в химических преобразованиях субстрата. Формируется за счет радикалов 2–3 аминокислот, расположенных в разных местах полипептидной цепи фермента, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи. Если фермент - сложный белок, то в формировании каталитического центра нередко участвует простетическая группа молекулы фермента - кофермент (например, все водорастворимые витамины и жирорастворимый витамин K);

2) адсорбционный центр - участок активного центра молекулы фермента, на котором происходит сорбция (связывание) молекулы субстрата. Формируется 1, 2, чаще 3 радикалами аминокислот, расположенными рядом с каталитическим центром. Главная функция - связывание молекулы субстрата и передача этой молекулы каталитическому центру в наиболее удобном положении (для каталитического центра). Сорбция происходит только за счет слабых типов связей и потому обратима. 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. Именно структура адсорбционного центра определяет субстратную специфичность фермента;

3) аллостерические центры - такие участки молекулы фермента вне его активного центра, которые способны связываться слабыми типами связей (значит - обратимо) с тем или иным веществом (лигандом). Это 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. Аллостерические центры найдены не у всех ферментов.

• 
  Строение ферментов фермент (Е).


• 
  Строение ферментов . Субстрат (S) - вещество, химические превращения которого в продукт (Р) катализирует фермент . (Ферменты как биологические катализаторы.


• 
  Субстратная специфичность - способность фермента катализировать превращения только одного определенного субстрата или же группы сходных по строению субстратов.


• 
  Разберем их строение на примере молекулы IgG.
  Классификация белков-ферментов плазмы крови: 1) ферменты плазмы - выполняют специфичные метаболические функции в плазме.


• 
  Строение молекулы белка. макромолекулы белка имеют вид шариков (глобул). каждому
  Номенклатура и классификаия ферментов ,В настоящее время известно более 2400 ферментов .


• 
  Строение ядра: В состав ядра входит ядерная оболочка(нуклеоплазма) содержащая хроматин и ядрышки.
  Нуклеоплазма содержит белки, ферменты , нуклеотиды, ионы и т.д. Функции ядра...


• 
  Используя знания о строении и функциях пищеварительной системы, раскройте роль ферментов в пищеварении, назовите профилактику пищевых отравлений, кишечных инфекций.

Ферменты (энзимы) - это высокоспецифичные белки, выполняющие функции биологических катализаторов. Катализатор - это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само в ходе этой реакции не расходуется.

Условия необходимые 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 уроовень молекул - это энергия, которой обладает большинство молекул системы в данный момент времени. Эта средняя 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 активациии. 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.

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. Еакт2а и/или Еакт2б больше, чем Еакт1.
2. Во всех таких случаях реакция образования вещества "АВ" с участием вещества "К" пойдет медленнее. Значит, вещество "К" является ингибитором (замедлителем) этой реакции;
3. Еакт2а и/или Еакт2б меньше, чем Еакт1.

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.

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" (т. е., 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.

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.

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:
1. не влияют на направленность обратимой реакции, которая определяется только соотношением концентраций исходных веществ (субстратов) и конечных продуктов;
2. 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 относится следующее.

1. Высокая эффективность действия. Ферменты могут ускорять реакцию в 10 8 -10 12 раз.
2. Высокая избирательность ферментов к субстратам (субстратная специфичность) и к типу катализируемой реакции (специфичность действия).
3. Высокая чувствительность ферментов к неспецифическим физико-химическим факторам среды - температуре, рН, ионной силе раствора и т.д.
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.

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 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.

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, т. е. требования фермента к молекуле химического вещества, чтобы она могла стать для него подходящим субстратом.

Некоторые вещества, обладающие подходящими характеристиками (т. е. 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, т. е. 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 ингибаторами данного фермента.

Термин "аллостерический" (т. е. "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 - 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;
2. оксигеназы. Ферменты этого подкласса катализируют включение кислорода в окисляемое вещество:
1. монооксигеназы - включают один атом кислорода в окисляемое вещество;
2. диоксигеназы - включают 2 атома кислорода в окисляемое вещество. Часто это сопровождается разрывом циклической структуры. По месту разрыва связи 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.

VI класс - лигазы (сингазы, синтетазы)

Катализируют реакции синтеза.

Основные этапы ферментативного катализа

Любая ферментативная реакция протекает через ряд промежуточных стадий.

Различают три основных этапа ферментативного катализа.

1 этап. Ориентировочная сорбция субстрата на активном центре фермента с образованием обратимого E-S комплекса (фермент-субстратного). На этом этапе происходит взаимодействие адсорбционного центра фермента с молекулой субстрата. При этом и субстрат подвергается конформационной перестройке. Все это происходит за счет возникновения слабых типов связей между субстратом и адсорбционным центром фермента. В результате этого молекула субстрата подается на каталитический центр в наиболее удобном для него положении. Этот этап является легко обратимым, потому что здесь участвуют только слабые типы связей. Кинетическая характеристика 1-го этапа ферментативного катализа - константа Михаэлиса (Км).

2 этап. Химические превращения молекулы субстрата в составе фермент-субстратного комплекса с образованием комплекса фермента с химически преобразованным субстратом. На этом этапе разрываются одни ковалентные связи и возникают новые. Поэтому этот этап протекает значительно медленнее, чем 1-й и 3-й этапы. Именно скорость второго этапа определяет скорость всей ферментативной реакции в целом. Значит, скорость ферментативного процесса в целом характеризуется величиной k+2, которая является почти всегда самой маленькой из всех частных констант скоростей. Кинетическая характеристика 2-го этапа - максимальная скорость (Vmax).

3 этап. Десорбция готового продукта из его комплекса с ферментом. Этот этап протекает легче, чем 2-й. Он, как и 2-й этап, тоже необратим. Исключение - обратимые ферментативные реакции.

Специфика ферментативного катализа

Любая химическая реакция характеризуется, кроме принципиальной возможности ее протекания (обусловленной законами термодинамики), скоростью процесса. Скорость ферментативной реакции - изменение [S] или [P] в единицу времени. Измерив ее скорость, т. е. скорость в присутствии фермента, мы должны измерить скорость реакции и в отсутствии фермента (спонтанно протекающая реакция). Именно эта разность и характеризует работу фермента.

Измеряя скорость реакции всегда надо измерять начальную скорость процесса, т. е. скорость ферментативной реакции, в достаточно короткий промежуток времени, когда концентрация субстрата меняется, не настолько значительно, чтобы это отразилось на скорости процесса. Единицы измерения скорости реакции могут быть разными. Лучше пользоваться молярными единицами, а время - это минуты или секунды, реже часы. Поэтому скорость реакции может выражаться, например, в мкмоль/мин или ммоль/час. Величина скорости определяется законом действующих масс. В общем случае скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ. В случае ферментативной кинетики - одно из реагирующих веществ - фермент, концентрация которого на много порядков меньше, чем концентрация субстрата. Это определяет некоторые особенности кинетики ферментативного катализа.

V = k+2 [E] x [S].

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации ([E]) при постоянной и довольно большой концентрации субстрата ([S]>>[E], [S]=const).

Отклонение от линейности графика при очень высокой концентрации фермента возникает из-за нехватки субстрата, поэтому снижается скорость поступления субстрата на активный центр фермента. Определять скорость ферментативной реакции надо только в том диапазоне концентраций фермента, в котором график линеен.

Линейность этого графика позволяет выразить его одной цифрой - тангенс угла наклона к оси абсцисс. Этот тангенс представляет собой величину активности фермента. Именно работа (эффективность) каждого фермента количественно характеризуется величиной его активности, т. е. величиной скорости ферментативной реакции в расчете на единицу количества фермента. Единицы активности могут быть различными: мкмоль S/мин.мг или мкмоль S/мин.мл сыворотки крови.

Молекулярная активность - это количество молекул субстрата, которые превращаются одной молекулой фермента за одну минуту при 30 °С и прочих оптимальных условиях. Преимущество этой единицы - в том, что можно сравнивать не только активность ферментов из разных источников, но и эффективность разных ферментов. Например, молекулярная активность фермента каталазы составляет 5 х 10 6 , а карбоангидразы - 36 х 10 6 .

Из линейности графика следует, что по скорости реакции можно судить о количестве фермента:

1. катал - это количество фермента, которое обеспечивает превращение 1 моля субстрата за 1 с;
2. юнит - это количество фермента, которое превращает 1 мкмоль субстрата за 1 мин. 1 юнит = 16,67 нкатал.

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата при [E] = const и [S] >> [E]: чем выше концентрация субстрата, тем выше скорость реакции. Эта зависимость гиперболическая.

Предельное значение, к которому стремится гипербола - Vmax данной реакции - характеризует максимальную работоспособность фермента: Vmax=k+2 x [E].

Таким образом, Vmax - это предел, к которому стремится скорость реакции при бесконечном повышении концентрации субстрата.

kм - это константа Михаэлиса. Она численно равна той концентрации субстрата, при которой скорость реакции составляет половину от максимального значения.

Эта кривая описывается уравнением Михаэлиса-Ментен.

Физический смысл Км заключается в том, что она представляет собой константу равновесия между двумя реакциями, приводящими к распаду фермент-субстратного комплекса и той реакцией, которая ведет к образованию этого комплекса.

Ks - субстратная константа. Характеризует константу равновесия 1-го этапа ферментативной реакции. Следовательно, Км обычно тоже довольно близка к Кs. Следовательно, Км, как и Кs, характеризует сродство субстрата к данному ферменту. Но экспериментально определить k-1 и k+2 очень трудно, поэтому трудно определить и Кs. А вот Км можно просто определить, используя координаты Лайнуивера-Бэрка.

С помощью Км можно характеризовать сродство данного фермента к данному субстрату. Чем меньше Км, тем больше сродство фермента к данному субстрату, а значит тем больше равновесие первого этапа ферментативной реакции сдвинуто вправо - в сторону образования фермент-субстратного комплекса. Значит, будут созданы наилучшие условия для протекания и второго этапа ферментативного процесса. При таких условиях для достижения эффективного превращения субстрата требуется малая концентрация субстрата. Значит, и Vmax теоретически может быть достигнута при малых количествах субстрата.

Если Км высока, то это означает, что сродство фермента к такому субстрату низкое и реакция при небольших концентрациях субстрата протекает неэффективно.

Км и Vmax - это две кинетические константы, с помощью которых можно характеризовать эффективность работы фермента, в том числе и in vivo.

Лекция 15. Ферменты: строение, свойства, функции.

План лекции:

1. Общая характеристика ферментов.

2. Строение ферментов.

3. Механизм ферментативного катализа.

4. Свойства ферментов.

5. Номенклатура ферментов.

6. Классификация ферментов.

7. изоферменты

8. Кинетика ферментативных реакций.

9. Единицы измерения ферментативной активности

1. Общая характеристика ферментов.

В нормальных физиологических условиях биохимические реакции в организме протекают с высокими скоростями, что обеспечивается биологическими катализаторами белковой природы – ферментами.

Их изучением занимается наука энзимология – наука об энзимах (ферментах), специфических белках – катализаторах, синтезируемых любой живой клеткой и активирующих различные биохимические реакции, протекающие в организме. Некоторые клетки могут содержать до 1000 различных ферментов.

2. Строение ферментов.

Ферменты – это белки с высокой молекулярной массой. Как всякие белки, ферменты имеют первичный, вторичный, третичный и четвертичный уровни организации молекул. Первичная структура представляет собой последовательное соединение аминокислот и обусловлена наследственными особенностями организма, именно она в значительной степени характеризует индивидуальные свойства ферментов. Вторичная структура ферментов организованна в виде альфа – спирали. Третичная структура имеет вид глобулы и участвует в формировании активного и других центров. Многие ферменты имеют четвертичную структуру и представляют собой объединение нескольких субъединиц, каждая из которых характеризуется тремя уровнями организации молекул различающихся друг от друга, как в качественном, так и в количественном соотношении.

Если ферменты представлены простыми белками, т. е. состоят только из аминокислот, их называют простыми ферментами. К простым ферментам относят пепсин, амилазу, липазу (практически все ферменты ЖКТ).

Сложные ферменты состоят из белковой и небелковой частей. Белковая часть фермента называется - апоферментом, небелковая – коферментом. Кофермент с апоферментом образуют холофермент. Кофермент может соединятся с белковой частью или только на время реакции, или связываться друг с другом постоянной прочной связью (тогда небелковая часть называется – простетической группой ). В любом случае небелковые компоненты принимают непосредственное участие в химических реакциях путем взаимодействия с субстратом. Коферменты могут быть представлены:

Нуклеозидтрифосфатами.

Минеральными веществами (цинк, медь, магний).

Активными формами витаминов (В 1 входит в состав фермента – декарбоксилазу, В 2 – входит в дегидрогеназу, В 6 – входит в трансферазы).

Основные функции коферментов :

Участие в акте катализа.

Осуществление контакта между ферментом и субстратом.

Стабилизация апофермента.

Апофермент, в свою очередь усиливает каталитическую активность небелковой части и определяет специфичность действия ферментов.

В каждом ферменте выделяют несколько функциональных центров.

Активный центр – зона молекулы фермента, которая специфически взаимодействует с субстратом. Активный центр представлен функциональными группами нескольких остатков аминокислот, именно в нем происходит присоединение и химическое превращение субстрата.

Аллостерический центр или регуляторный – это зона фермента ответственная за присоединение активаторов и ингибиторов. Данный центр участвует в регуляции активности фермента.

Эти центры находятся на разных участках молекулы фермента.