Лекція 15. Ферменти: будова, властивості, функції.

План лекції:

1. Загальна характеристика ферментів.

2. Будова ферментів.

3. Механізм ферментативного каталізу.

4. Властивості ферментів.

5. Номенклатура ферментів.

6. Класифікація ферментів.

7. ізоферменти

8. Кінетика ферментативних реакцій.

9. Одиниці виміру ферментативної активності

1. Загальна характеристика ферментів.

У нормальних фізіологічних умовах біохімічні реакції в організмі протікають з високими швидкостями, що забезпечується біологічними каталізаторами білкової природи - ферментами.

Їх вивченням займається наука ензимологія - наука про ензими (ферменти), специфічних білках - каталізаторах, синтезованих будь-який живий кліткою і активують різні біохімічні реакції, що протікають в організмі. Деякі клітини можуть містити до 1000 різних ферментів.

2. Будова ферментів.

Ферменти - це білки з високою молекулярною масою. Як всякі білки, ферменти мають первинний, вторинний, третинний і четвертинний рівні організації молекул. первинна структура являє собою послідовне з'єднання амінокислот і обумовлена \u200b\u200bспадковими особливостями організму, саме вона в значній мірі характеризує індивідуальні властивості ферментів. вторинна структура ферментів організована у вигляді альфа - спіралі. третинна структура має вигляд глобули і бере участь у формуванні активного і інших центрів. Багато ферменти мають четвертинних структуру і являють собою об'єднання декількох субодиниць, кожна з яких характеризується трьома рівнями організації молекул відрізняються один від одного, як в якісному, так і в кількісному співвідношенні.

Якщо ферменти представлені простими білками, т. Е. Складаються тільки з амінокислот, їх називають простими ферментами. До простих ферментам відносять пепсин, амілазу, ліпазу (практично всі ферменти шлунково-кишкового тракту).

Складні ферменти складаються з білкової і небілкової частин. Білкова частина ферменту називається - апоферментом, небілкова - коферментом. Кофермент з апоферментом утворюють холоферменту. Кофермент може з'єднаються з білкової частиною або тільки на час реакції, або зв'язуватися один з одним постійної міцної зв'язком (тоді небілкова частина називається - простетичної групою). У будь-якому випадку небілкові компоненти беруть безпосередню участь в хімічних реакціях шляхом взаємодії з субстратом. Коферменти можуть бути представлені:

Нуклеозидтрифосфат.

Мінеральними речовинами (цинк, мідь, магній).

Активними формами вітамінів (В 1 входить до складу ферменту - декарбоксилази, В2 - входить в дегідрогеназу, В 6 - входить в трансферази).

Основні функції коферментів:

Участь в акті каталізу.

Здійснення контакту між ферментом і субстратом.

Стабілізація апофермента.

Апофермент, в свою чергу підсилює каталітичну активність небілкової частини і визначає специфічність дії ферментів.

У кожному фермент виділяють кілька функціональних центрів.

активний центр - зона молекули ферменту, яка специфічно взаємодіє з субстратом. Активний центр представлений функціональними групами кількох залишків амінокислот, саме в ньому відбувається приєднання і хімічне перетворення субстрату.

аллостерічеський центр або регуляторний - це зона ферменту відповідальна за приєднання активаторів і інгібіторів. Даний центр бере участь в регуляції активності ферменту.

Ці центри знаходяться на різних ділянках молекули ферменту.

Перша ферментативна реакція оцукрювання крохмалю солодом була досліджена вітчизняним ученим К. Ментен розробили теорію ферментативного каталізу. Самнер вперше виділив очищений препарат ферменту уреази в кристалічному стані. Мерріфілд вдалося здійснити штучний синтез ферменту РНК-ази.

Поділіться роботою в соціальних мережах

Якщо ця робота Вам не підійшла внизу сторінки є список схожих робіт. Так само Ви можете скористатися кнопкою пошук

реферат

СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ І МЕХАНІЗМ ДІЇ ФЕРМЕНТІВ

Коротка історія ферментології

Експериментальне вивчення ферментів в 19 столітті збіглося за часом з вивченням процесів дріжджового бродіння, що знайшло відображення в термінах «ферменти» і «ензими». Назва ферменти виникло від латинського слова fermentatio бродіння. Термін ензими походить від поняття en zyme - з дріжджів. Спочатку цим назвам надавали різний зміст, але в даний час вони є синонімами.

Перша ферментативна реакція оцукрювання крохмалю солодом була досліджена вітчизняним ученим К.С. Кірхгофф в 1814 році. Згодом були зроблені спроби виділення ферментів з дріжджових клітин (Е. Бюхнер, 1897 рік). На початку ХХ століття Л. Міхаеліс та М. Ментен розробили теорію ферментативного каталізу. У 1926 році Д. Самнер вперше виділив очищений препарат ферменту уреази в кристалічному стані. У 1966 році Б. Мерріфілд вдалося здійснити штучний синтез ферменту РНК-ази.

структура ферментів

Ферменти це високоспеціалізовані білки, здатні підвищувати швидкість реакції в живих організмах. Ферменти - біологічні каталізатори.

Всі ферменти є білками, як правило, глобулярними. Вони можуть ставитися як до простих, так і до складних білок. Білкова частина ферменту може складатися з однієї поліпептидного ланцюга мономерні білки ферменти (наприклад, пепсин). Ряд ферментів є олігомерними білками, включають в свій склад кілька протомеров або субодиниць. Протомери, об'єднуючись в олігомерних структуру, з'єднуються мимовільно неміцними нековалентними зв'язками. У процесі об'єднання (кооперації) відбуваються структурні зміни окремих протомеров, в результаті чого активність ферменту помітно зростає. Відділення (дисоціація) протомеров і їх об'єднання в олігомерного білок є механізмом регуляції активності ферментів.

Субодиниці (протомери) в олігомер можуть бути або однаковими або відмінними за первинної - третинної структурі (конформації). У разі з'єднання різних протомеров в олігомерних структуру ферменту виникають множинні форми одного і того ж ферментуізоферменти.

Ферменти каталізують одну і ту ж реакцію, але відрізняються по набору субодиниць, фізико-хімічними властивостями, електрофоретичної рухливості, по спорідненості до субстрату, активаторам, інгібіторів. наприклад,лактатдегидрогеназа (ЛДГ) фермент, що окислює молочну кислоту в пировиноградную кислоту, є тетрамером. Він складається з чотирьох протомеров двох типів. Один вид протомеров позначається Н (виділений з серцевого м'яза), другий протомеров позначається М (виділено з скелетної мускулатури). Можливо 5 поєднань цих протомеров в складі ЛДГ:Н 4, Н 3 М, Н 2 М 2, Н 1 М 3, М 4.

Біологічна роль ізоферментів.

• Ферменти забезпечують протікання хімічних реакцій відповідно до умов в різних органах. Так, ізофермент ЛДГ1 володіє високою спорідненістю до кисню, тому він активний в тканинах з високою швидкістю окислювальних реакцій (еритроцити, міокард). ізофермент ЛДГ5 активний в присутності високої концентрації лактату, найбільш характерний для тканини печінки
• Виражена органоспецифичность використовується для діагностики захворювань різних органів.
• Ферменти змінюють свою активність з віком. Так, у плода при нестачі кисню переважає ЛДГ3 , А зі збільшенням віку, збільшенням надходження кисню зростає частка ЛДГ2 .

Якщо фермент є складним білком, то він складається з білкової та небілкової частини. Білкова частина є високомолекулярної, термолябільной частиною ферменту і називаєтьсяапоферментом . Він має своєрідну структуру і визначає специфічність ферментів.

Небілкова частина ферменту називаєтьсякофактором (коферментом) . Кофактором найчастіше є іони металів, які можуть міцно зв'язуватися з апоферментом (наприклад,Zn в ферменті карбоангидразой, Сu в ферменті цитохромоксидази). Коферменти найчастіше є органічними речовинами, менш міцно пов'язаними з апоферментом. Коферментами є нуклеотиди НАД, ФАД. коферментнизькомолекулярна, термостабильная частина ферменту. Його роль полягає в тому, що він визначає просторову укладання (конформацію) апофермента, і визначає його активність. Кофактори можуть переносити електрони, функціональні групи, брати участь в утворенні додаткових зв'язків між ферментом і субстратом.

У функціональному відношенні в ферменті прийнято виділяти два важливих ділянки в молекулі ферменту: активний центр і аллостерічеський ділянку

активний центр це ділянка молекули ферменту, який взаємодіє з субстратом і бере участь в каталітичному процесі. Активний центр ферменту утворений радикалами амінокислот, віддалених одна від одної в первинній структурі. Активний центр має тривимірну укладку, найчастіше в його складі виявляються

ВІН групи серину

SH цистеїну

NH 2 лізину

- γ -СООН глютамінової кислоти

В активному центрі розрізняють дві зони зону зв'язування з субстратом і каталітичну зону.

зона зв'язування зазвичай має жорстку структуру, до якої комплементарно приєднується субстрат реакції. Наприклад, трипсин розщеплює білки в ділянках, багатих позитивно зарядженої амінокислотою лізином, так як в його зоні зв'язування містяться залишки негативно зарядженої аспарагінової кислоти.

Каталітична зона -це ділянка активного центру, безпосередньо впливає на субстрат і здійснює каталітичну функцію. Це зона більш рухлива, в ній можлива зміна взаємного розташування функціональних груп.

У ряді ферментів (частіше олігомерних) крім активного центру присутнійаллостерічеський ділянку ділянку молекули ферменту, віддалений від активного центру і взаємодіє ні з субстратом, а з додатковими речовинами (регуляторами, ефекторами). У аллостеріческіх ферментах в одній субодиниці може перебувати активний центр, в іншій - аллостерічеський ділянку. Аллостерічеськіє ферменти змінюють свою активність таким чином: ефектор (активатор, інгібітор) діє на аллостеріческого субодиницю і змінює її структуру. Потім зміна конформації аллостерічеськой субодиниці за принципом кооперативних змін опосередковано змінює структуру каталітичної субодиниці, що супроводжується зміна активності ферменту.

Механізм дії ферментів.

Ферменти мають ряд общекаталітіческіх властивостей:

• не зміщувати каталітичне рівновагу
• не витрачаються в процесі реакції
• каталізують тільки термодинамічно реальні реакції. Такими реакціями є ті, в яких вихідний енергетичний запас молекул більше, ніж фінальний.

В ході реакції долається високий енергетичний бар'єр. Різниця між енергією цього порога і вихідним енергетичним рівнем - енергія активації.

Швидкість ферментативних реакцій визначається енергією активації і рядом інших факторів.

Константа швидкості хімічної реакції визначається за рівнянням:

К \u003d P * Z * e - (Ea / RT)

К - константа швидкості реакції

Р просторовий (стерическое) коефіцієнт

Z кількість взаємодіючих молекул

Е а енергія активації

R газова постійна

Т універсальна абсолютна температура

е основа натуральних логарифмів

У цьому рівнянніZ, е, R, T постійні величини, а Р і Е а - змінні. Причому, між швидкістю реакції та стеріческім коефіцієнтом залежність пряма, а між швидкістю і енергією активації зворотна і статечна залежність (чим нижче Еа, тим вище швидкість реакції).

Механізм дії ферментів зводиться до збільшення ферментами стеричного коефіцієнта і зменшення енергії активації.

Зниження ферментами енергії активації.

Наприклад, енергія розщеплення Н2 Про 2 без ферментів і каталізаторів 18 000 ккал на моль. Якщо використовується платина і висока температура, вона знижується до 12 000 ккал / моль. За участю ферментукаталази енергія активації становить лише 2 000 Ккал / моль.

Зменшення Еа відбувається в результаті утворення проміжних фермент-субстратні комплексів за схемою:F + S<=> FS-комплекс → F + Продукти реакції. Вперше можливість утворення фермент субстратні комплексів була доведена Міхаелісом, Ментеном. Згодом багато фермент-субстратні комплекси були виділені. Для пояснення високої вибірковості ферментів при взаємодії з субстратом запропонованатеорія «ключа і замка» Фішера. Відповідно до неї, фермент взаємодіє з субстратом тільки при абсолютній відповідності їх один одному (компліментарність) на зразок ключа і замка. Дана теорія пояснювала специфічність ферментів, але не розкривала механізми їх впливу на субстрат. Пізніше розроблена теорія індукованої відповідності ферменту і субстрату -теорія Кошланда (Теорія «гумової рукавички»). Її суть полягає в наступному: активний центр сформований і містить всі функціональні групи ще до взаємодії з субстратом. Однак ці функціональні групи знаходяться в неактивному стані. У момент приєднання субстрату оніндуцірует зміни положення, структури радикалів в активному центрі ферменту. В результаті активний центр під дією субстрату переходить в активний стан і, в свою чергу, починає впливати на субстрат, тобто відбуваєтьсявзаємодія активного центру ферменту і субстрату. Внаслідок цього субстрат переходить в нестабільний, нестійкий стан, що веде до зменшення енергії активації.

Взаємодія ферменту і субстрату може полягати в реакціях нуклеофільного заміщення, електрофільного заміщення, дегідратації субстрату. Можливо також короткочасне ковалентное взаємодія функціональних груп ферменту з субстратом. В основному відбувається геометрична переорієнтація функціональних груп активного центру.

Збільшення ферментами стеричного коефіцієнта.

Стерическое коефіцієнт вводиться для реакцій, в яких беруть участь великі молекули, що мають просторову структуру. Стерическое коефіцієнт показує частку вдалих зіткнень активних молекул. Наприклад, він дорівнює 0,4, якщо 4 з 10 зіткнень активних молекул привели до утворення продукту реакції.

Ферменти збільшують стерическое коефіцієнт, так як вони змінюють будову молекули субстрату в фермент - субстратном комплексі, в результаті чого компліментарність ферменту і субстрату зростає. Крім того, ферменти за рахунок своїх активних центрів впорядковують розташування молекул субстрату в просторі (до взаємодії з ферментом молекули субстрату розташовуються хаотично) і полегшують перебіг реакції.

номенклатура ферментів

Ферменти мають кілька типів назв.

1. Тривіальні назви (трипсин, пепсин)
2. Робоча номенклатура. У цій назві ферменту присутній закінчення аза, яке додається:
   • до назви субстрату (сахараза, амілаза),
   • до виду зв'язку, на яку діє фермент (пептидаза, глікозідаза),
   • до типу реакції, процесу (синтетаза, гідролаза).

3) У кожного ферменту є класифікаційне назва, в якому відбивається тип реакції, вид субстрату і коферменту. Наприклад: ЛДГL лактат-НАД + - оксидоредуктаза.

Класифікація ферментів.

Класифікація ферментів розроблена в 1961 році. Відповідно до класифікації кожен фермент розташований в певному класі, підкласі, подподкласса і має порядковий номер. У зв'язку з цим кожен фермент має цифровий шифр, в якому перша цифра позначає клас, друга підклас, третя подподкласса, четверта порядковий номер (ЛДГ: 1,1,1,27). Всі ферменти класифікуються на 6 класів.

1. оксидоредуктази
2. трансферази
3. гідролази
4. ліази
5. ізомерази
6. Синтетази (лігази)

оксидоредуктази.

Ферменти, що каталізують окислювально - відновлювальні процеси. Загальний вигляд реакції: Аок + В вос \u003d А сх + В ок . Цей клас ферментів включає кілька підкласів:

1. дегідрогінази, каталізують реакції шляхом відщеплення водню від окисляемого речовини. Вони можуть бути аеробними (переносять водень на кисень) і анаеробними (переносять водень нема на кисень, а на якесь інше речовина).

2. оксигенази - ферменти каталізують окислення шляхом приєднання кисню до окисляемому речовини. Якщо приєднується один атом кисню, беруть участь монооксигенази, якщо два атома кисню діоксигенази.

3. Пероксидази ферменти, що каталізують окислення речовин за участю пероксидов.

Трансферази.

Ферменти, які здійснюють внутрішньомолекулярний і міжмолекулярної перенесення функціональних груп з однієї речовини на іншу за схемою: АВ + С \u003d А + ВС. Підкласи трансфераз виділяють в залежності від виду переносяться груп: амінотрансферази, метилтрансферази, сульфотрансферази, ацілтрансферази (переносять залишки жирних кислот), фосфотрансферази (переносять залишки фосфорної кислоти).

Гідролази.

Ферменти цього класу каталізують розрив хімічного зв'язку з приєднанням води за місцем розриву, тобто реакції гідролізу за схемою: АВ + НОН \u003d АН + ВОН. Підкласи гидролаз виділяють в залежності від виду розриваються зв'язків: пептідази розщеплюють пептидні зв'язки (пепсин), глікозідази - гликозидні зв'язку (амілаза), естерази складноефірні зв'язку (ліпаза).

Ліази.

Ліази каталізують розрив хімічного зв'язку без приєднання води за місцем розриву. При цьому в субстратах утворюються подвійні зв'язки за схемою: АВ \u003d А + В. Підкласи ЛіАЗ залежать від того, між якими атомами розривається зв'язок і які речовини утворюються. Альдолази розривають зв'язок між двома атомами вуглецю (наприклад, фруктоза 1,6-ді-фосфатальдолаза «розрізає» фруктозу і дві тріози). До ЛіАЗ відносять ферменти декарбоксилази (отщепляют вуглекислий газ), дегідратази «вирізають» молекули води.

Ізомерази.

Ізомерази каталізують взаємоперетворення різних ізомерів. Наприклад, фосфогексоізімераза переводить фруктозу в глюкозу. До подклассам ізомераз відносяться мутази (фосфоглюкомутаза переводить глюкозо 1 фосфат в глюкозо-6-фосфат), епімерази (наприклад, переводять рибозу в ксилулозо), таутомерази

Синтетази (лігази).

Ферменти цього класу каталізують реакції синтезу нових речовин за рахунок енергії АТФ за схемою: А + В + АТФ \u003d АВ. Наприклад, глютамінсінтетаза з'єднує глютамінову кислоту,NH 3 + За участю АТФ з утворенням глютамина.

Властивості ферментів.

Ферменти, крім загальних з неорганічними каталізаторами, властивостей мають певні відмінності від неорганічних каталізаторів. До них відносяться:

• більш висока активність
• більш висока специфічність
• м'якші умови для каталізу
• здатність до регуляції активності

Висока каталітична активність ферментів.

Ферменти відрізняються високою каталітичної активністю. Наприклад, одна молекула карбоангідрази за одну хвилину каталізує утворення (або розщеплення) 36 мільйонів молекул вугільної кислоти (Н2 СО 3 ). Висока активність ферментів пояснюється механізмом їх дії: вони зменшують енергію активації і збільшують просторовий (стерическое коефіцієнт). Висока активність ферментів має важливе біологічне значення, яке у тому, що вони забезпечують високу швидкість хімічних реакцій в організмі.

Висока специфічність ферментів.

Всі ферменти мають специфічністю, проте ступінь специфічності в різних ферментах різна. Виділяють кілька видів специфічності ферментів.

абсолютна Субстратна специфічність, при якій фермент діє тільки на одне певну речовину. Наприклад, фермент уреаза розщеплює тільки сечовину.

абсолютна групова специфічність, при якій фермент надає один і той же каталітичний ефект на групу сполук, близьких за структурою. Наприклад, фермент алкогольдегидрогеназа окисляє не тільки З2 Н 5 ВІН, а й його гомологи (метиловий, бутиловий та інші спирти).

відносна груповаспецифічність, при якій фермент здійснює каталіз різних класів органічних речовин. Наприклад, фермент трипсин проявляє пептідазная і естеразной активність.

Стереохімічнаспецифічність (оптична специфічність), при якій розщеплюється тільки певна форма ізомерів (D, L форми, α, β, цис - транс-ізомери). Наприклад, ЛДГ діє тільки наL -лактат, L -амінокіслотоксідази діють наL -ізомер амінокислот.

Висока специфічність пояснюється унікальною для кожного ферменту структурою активного центру.

Термолябільность ферментів.

Термолябільность - залежність активності ферментів від температури. При підвищенні температури від 0 до 40 градусів активність ферментів зростає відповідно до правила Вант-Гоффа (при зростанні температури на 10 градусів швидкість реакції збільшується в 2 4 рази). При подальшому підвищенні температури активність ферментів починає знижуватися, що пояснюється теплової денатурацією білкової молекули ферменту. Графічно термозалежні ферментів має вигляд:

Інактивація ферменту при 0 градусів оборотна, а при високій температурі інактивація набуває незворотного характеру. Це властивість ферментів визначає максимальну швидкість реакції в умовах температури тіла людини. Термолябільность ферментів повинна враховуватися в практичній медичної діяльності. Наприклад, при проведенні ферментативної реакції в пробірці, необхідно створювати оптимальну температуру. Це властивість ферментів може бути застосоване в кріохірургії, коли складна тривала операція проводиться при зниженні температури тіла, що уповільнює швидкість протікають в організмі реакцій, знижує споживання кисню тканинами. Зберігати ферментативні препарати необхідно при низькій температурі. Для знешкодження, знезараження мікроорганізмів використовують високі температури (автоклавирование, кип'ятіння інструментарію).

Фотолябільность.

Фотолябільность - залежність активності ферментів від дії ультрафіолетових променів. УФЛ викликають фотоденатурацію білкових молекул і зменшують активність ферментів. Це властивість ферментів використовують в бактерицидну ефекті ультрафіолетових ламп.

Залежність активності від рН.

У всіх ферментів є певний інтервал рН, в якому активність ферменту максимальна - оптимум рН. Для багатьох ферментів оптимум близько 7. У той же час, для пепсину оптимальне середовище 1-2, для лужноїфосфатази близько 9. При відхиленні рН від оптимуму активність ферменту знижується, що видно з графіка. Це властивість ферментів пояснюється зміною іонізації йоногенних груп в молекулах ферменту, що веде до зміни іонних зв'язків в молекулі білкової молекули ферменту. Це супроводжується зміною конформації молекули ферменту, а це, в свою чергу, призводить до зміни його активності. В умовах організму рН - залежність визначає максимальну активність ферментів. Це властивість знаходить і практичне застосування. Ферментативні реакції поза організмом проводяться при оптимумі рН. При зниженій кислотності шлункового соку з лікувальною метою призначають розчин НСl.

Залежність швидкості ферментативної реакції від концентрації ферменту і концентрації субстрату

Залежність швидкості реакції від концентрації ферменту і концентрації субстрату (кінетика ферментативних реакцій) представлена \u200b\u200bна графіках.

Графік 1 графік 2

У ферментативної реакції (F + S 2  1 FS → 3 F + P) виділяють швидкості трьох складових етапів:

1 освіту фермент-субстратного комплексуFS,

2 зворотний розпад фермент субстратного комплексу,

3 розпад фермент-субстратного комплексу з утворенням продуктів реакції. Швидкість кожної з цих реакцій підкоряється закону діючих мас:

V 1 \u003d До 1 [F] * [S]

V 2 \u003d K 2 * [FS]

V 3 \u003d K 3 * [FS]

У момент рівноваги швидкість реакції освітиFS дорівнює сумі швидкостей його розпаду:V 1 \u003d V 2 + V 3. З трьох етапів ферментативної реакції найбільш важливим і повільним є третій, так як він пов'язаний з утворенням продуктів реакції. За наведеною вище формулою знайти швидкістьV 3 неможливо, так як фермент субстратної комплекс дуже нестійкий вимір його концентраціізатруднено. У зв'язку з цим, Міхаеліс-Ментен ввели Доm константу Міхаеліса і перетворили рівняння для вимірюванняV 3 в нове рівняння, в якому присутні реально вимірювані величини:

V 3 \u003d K 3 * [F 0] * [S] / Km + [S] або V 3 \u003d V max * [S] / Km + [S]

[F 0] вихідна концентрація ферменту

До m константа Міхаеліса.

Фізичний сенс Доm: До m \u003d (К 2 + К 3) / К 1 . Вона показує співвідношення констант швидкостей розпаду фермент-субстратного комплексу і константи швидкості його утворення.

Рівняння Міхаеліса-Ментен є універсальним. Воно ілюструє залежність швидкості реакції від [F 0] від [S]

1. Залежність швидкості реакції від концентрації субстрату. Ця залежність виявляється при малих концентраціях субстрату [S]< Km . В цьому випадку концентрацією субстрату в рівнянні можна знехтувати і рівняння набуває вигляду:V 3 \u003d K 3 * [F 0] * [S] / Km. В даному рівнянніK 3, F 0], Km константи і можуть бути замінені нової константою К *. Таким чином, при малій концентрації субстрату швидкість реакції прямо пропорційна цій концентраціїV 3 \u003d K * * [S]. Ця залежність відповідає першої ділянки графіка 2.
2. Залежність швидкості від концентрації ферменту проявляється при високій концентрації субстрату.S ≥ Km . В цьому випадку можна знехтуватиKm і рівняння перетворюється в наступне:V 3 \u003d K 3 * (([F 0] * [S]) / [S]) \u003d K 3 * [F 0] \u003d V max. Таким чином, при високій концентрації субстрату швидкість реакції визначається концентрацією ферменту і досягає максимального значенняV 3 \u003d K 3 [F 0] \u003d V max. (Третя ділянка графіка 2).
3. Дозволяє визначити чисельне значенняKm за умови V 3 \u003d V max / 2. У цьому випадку рівняння набуває вигляду:

V max / 2 \u003d ((V max * [S]) / Km + [S ]), Звідки випливає, щоKm \u003d [S]

Таким чином, К m чисельно дорівнює концентрації субстрату при швидкості реакції, яка дорівнює половині максимальної. Доm є дуже важливою характеристикою ферменту, вона вимірюється в молях (10-2 10 -6 моль) і характеризують специфічність ферменту: чим нижчеKm , Тим вище специфічність ферменту.

Графічне визначення константи Міхаеліса.

Зручніше використовувати графік, який представляє пряму лінію. Такий графік запропонований Лайнуівером Берко (графік подвійних зворотних величин), який відповідає зворотному рівняння Міхаеліса - Ментен

Залежність швидкості ферментативних реакцій від присутності активаторів та інгібіторів.

активатори речовини, що підвищують швидкість ферментативних реакцій. Розрізняють специфічні активатори, що підвищують активність одного ферменту (НСl - активатор пепсиногена) і неспецифічні активатори, що збільшують активність цілого ряду ферментів (іониMg активатори гексокінази, К,Na АТФ-ази та інших ферментів). Як активаторів можуть служити іони металів, метаболіти, нуклеотиди.

Механізм дії активаторів.

1. Добудовування активного центру ферменту, в результаті чого полегшується взаємодія ферменту з субстратом. Таким механізмом мають в основному іони металів.
2. Аллостерічеський активатор взаємодіє з аллостерическим ділянкою (субодиницею) ферменту, через його зміни опосередковано змінює структуру активного центру і збільшує активність ферменту. Аллостеріческім ефектом володіють метаболіти ферментативних реакцій, АТФ.
3. Аллостерічеський механізм може поєднуватися зі зміною олігомерного ферменту. Під дією активатора відбувається об'єднання декількох субодиниць в олігомерних форму, що різко збільшує активність ферменту. Наприклад, ізоцитрат є активатором ферменту ацетил-КоА карбоксилази.
4. Фосфолірірованія - дефосфолірірованіе ферментів відноситься до оборотної модифікації ферментів. приєднання Н3 РО 4 найчастіше різко збільшує активність ферменту. Наприклад, два неактивних димера ферменту фосфорілази з'єднуються з чотирма молекулами АТФ і утворюють активну тетрамерную фосфорильовану форму ферменту. Фосфолірірованія ферментів може поєднуватися зі зміною їх олігомерного. У деяких випадках фосфорилювання ферменту, навпаки, знижує його активність (наприклад, фосфорилювання ферменту глікогенсинтетазу)
5. Частковий протеоліз (необоротна модифікація). При цьому механізмі від неактивної форми ферменту (профермента) отщепляется фрагмент молекули, що блокує активний центр. Наприклад, неактивний пепсиноген під дієюHCL переходить в активний пепсин.

інгібітори речовини, що знижують активність ферменту.

за специфічності виділяють специфічні і неспецифічні інгібітори

за оборотності ефекту розрізняють оборотні та необоротні інгібітори.

За місцем дії зустрічаються інгібітори, що діють на активний центр і поза активного центру.

За механізмом дії розрізняють на конкурентні і неконкурентні інгібітори.

конкурентне інгібування.

Інгібітори цього типу мають структуру, близьку до структури субстрату. В силу цього інгібітори і субстрат конкурують за зв'язування активного центру ферменту. Конкурентне інгібування - це оборотне інгібування Ефект конкурентного інгібітора може бути зменшений шляхом підвищення концентрації субстрату реакції

Прикладом конкурентного гальмування може служити пригнічення активності сукцинатдегідрогенази, що каталізує окислення дикарбоновой бурштинової кислоти, дикарбоновой малоновою кислотою, схожою за структурою з бурштинової кислотою.

Принцип конкурентного гальмування широко використовується при створенні лікарських засобів. Наприклад, сульфаніламідні препарати мають структуру, близьку до структури параамінобензойної кислоти, необхідної для зростання мікроорганізмів. Сульфаніламіди блокують ферменти мікроорганізмів, необхідні для засвоєння параамінобензойноїкислоти. Деякі протипухлинні препарати є аналогами азотистих основ і, тим самим, пригнічують синтез нуклеїнових кислот (фторурацил).

Графічно конкурентне інгібування має вигляд:

неконкурентное інгібування.

Неконкурентні інгібітори структурно не мають схожості з субстратами реакцій і тому не можуть витіснятися при високій концентрації субстрату. Існує кілька варіантів дії неконкурентних інгібіторів:

1. Блокування функціональної групи активного центру ферменту і, внаслідок цього, зменшення активності. Наприклад, активністьS Н - груп можуть пов'язувати тіоловою отрути можна зупинити (солі металів, ртуті, свинцю) і незворотньо (монойодацетатом). Ефект пригнічення тіолових інгібіторів може бути зменшений введенням додаткових речовин, багатихSH групами (наприклад, унітіол). Зустрічаються і використовуються серинові інгібітори, блокуючі ОН - групи активного центру ферментів. Таким ефектом володіють органічні фосфофторсодержащіе речовини. Ці речовини можуть, зокрема, інгібувати ОН - групи в ацетилхолінестерази, яка руйнує нейромедіатор ацетилхолін.
2. Блокування іонів металів, що входять до складу активного центру ферментів. Наприклад, ціаніди блокують атоми заліза, ЕДТА (етилендіамінтетраацетат) блокує іони Са,Mg.
3. Аллостерічеський інгібітор взаємодіє з аллостерическим ділянкою, опосередковано через нього за принципом кооперативності, змінюючи структуру і активність каталітичної ділянки. Графічно неконкурентное інгібування має вигляд:

Максимальна швидкість реакції при неконкурентном ингибировании не може бути досягнута шляхом підвищення концентрації субстрату.

Регуляція активності ферментів в процесі метаболізму.

Адаптація організму до мінливих умов (режим харчування, екологічні впливи та ін.) Можлива завдяки зміні активності ферментів. Існує кілька можливостей регуляції швидкості ферментних реакцій в організмі:

1. Зміна швидкості синтезу ферментів (цей механізм вимагає тривалого відрізка часу).
2. Збільшення доступності субстрату і фермент шляхом зміни проникності клітинних мембран.
3. Зміна активності ферментів, вже наявних в клітинах і тканинах. Цей механізм здійснюється з великою швидкістю і має оборотний характер.

У багатоступеневих ферментативних процесах виділяютьрегуляторні, ключові ферменти, які обмежують сумарну швидкість процесу. Найчастіше це ферменти початкової і кінцевої стадій процесу. Зміна активності ключових ферментів відбувається за різними механізмами.

1. Аллостерічеський механізм:

1. Зміна олігомерного ферменту:

Мономери неактивними ↔ олігомери активні

1. Фосфолірірованія - дефосфорілірованіе:

Фермент (неактивний) + Н3 РО 4 ↔ фосфорілірованний активний фермент.

У клітинах широко поширений авторегуляторний механізм. Авторегуляторним механізмом є, зокрема, ретроінгібірованіе, при якому продукти ферментативного процесу пригнічують ферменти початкових стадій. Наприклад, високі концентрації пуринових і піримідинових нуклеотидів пригнічують початкові в стадії їх синтезу.

Іноді вихідні субстрати активують кінцеві ферменти, на схемі: субстрат А активуєF 3 . Наприклад, активна форма глюкози (глюкозо-6-фосфат) активує кінцевий фермент синтезу глікогену з глюкози (гликогенсинтетазу).

Структурна організація ферментів в клітці

Злагодженість обмінних процесів в організмі можлива завдяки структурній роз'єднаності ферментів в клітинах. Окремі ферменти розташовуються в тих чи інших внутрішньоклітинних структурахкомпартменталізація.Наприклад, в плазматичної мембрані активний фермент калій - натрієва АТФ-аза. В мітохондріях активні ферменти окислювальних реакцій (сукцинатдегідрогеназа, цитохромоксидаза). В ядрі активні ферменти синтезу нуклеїнових кислот (ДНК-полімераза). У лізосомах активні ферменти розщеплення різних речовин (РНК - аза, фосфатаза і інші).

Ферменти, найбільш активні в даній клітинній структурі, називаютьсяіндикаторними або маркерними ферментами. Їх визначення в клінічній практиці відображає глибину структурних пошкоджень тканини. Деякі ферменти об'єднуються в поліферментні комплекси, наприклад, піруватдегідрогеназний комплекс (ГДК), який здійснює окислення піровиноградної кислоти.

Принципи виявлення і кількісного визначення ферментів:

Виявлення ферментів засноване на їх високу специфічність. Ферменти виявляють по виробленому ними чинності, тобто за фактом протікання тієї реакції, яку каталізує даний фермент. Наприклад, амілазу виявляють по реакції розщеплення крохмалю до глюкози.

Критеріями протікання ферментативної реакції можуть бути:

• зникнення субстрату реакції
• поява продуктів реакції
• зміна оптичних властивостей коферменту.

Кількісне визначення ферментів

Так як концентрація ферментів в клітинах дуже низька, то визначають не їх справжню концентрацію, а про кількість ферменту судять побічно, за активністю ферменту.

Активність ферментів оцінюють за швидкістю ферментативної реакції, що протікає в оптимальних умовах (оптимум температури, РН, надмірно висока концентрація субстрату). У цих умовах швидкість реакції прямо пропорційна концентрації ферменту (V \u003d K 3 [F 0]).

Одиниці активності (кількості) ферменту

У клінічній практиці використовують кілька одиниць активності ферменту.

1. Міжнародна одиниця то кількість ферменту, яке каталізує перетворення 1 мікромоля субстрату за хвилину при температурі 250 С.
   1. Катав (в системі СІ) то кількість ферменту, яке каталізує перетворення 1 моля субстрату за секунду.
   2. Питома активність відношення активності ферменту до маси білка ферменту.
   3. Молекулярна активність ферменту показує, скільки молекул субстрату перетворюється під дією 1 молекули ферменту.

клінічна ферментологія

Застосування відомостей про ферментах в медичній практиці становить розділ медичної ензимології. Вона включає 3 розділи:

1. Ензимодіагностика
   1. Ензімопотологія
      1. ензимотерапія

Ензимодіагностика розділ, що вивчає можливості дослідження активності ферментів для діагностики захворювань. Для оцінки пошкодження окремих тканин використовують органоспецифічні ферменти, ізоферменти.

У педіатричній практиці при проведенні ферментодіагностікі необхідно враховувати дитячі особливості. У дітей активність деяких ферментів вище, ніж у дорослих, Наприклад, висока активність ЛДГ відображає переважання анаеробних процесів в ранньому післяпологовому періоді. Зміст трансаміназ в плазмі крові дітей підвищено в результаті збільшеної судинно-тканинної проникності. Активність глюкоза-6-фосфатдегідрогенази збільшена в результаті посиленого розпаду еритроцитів. Активність інших ферментів, навпаки, нижче, ніж у дорослих. Наприклад, активність пепсину, ферментів підшлункової залози (ліпази, амілази) знижена в силу незрілості секреторних клітин.

З віком можливий перерозподіл окремих ізоферментів. Так, у дітей переважає ЛДГ3 (Більш анаеробна форма), а у дорослих ЛДГ2 (Більш аеробне форма).

ензімопатологія розділ ферментології, що вивчає захворювання, провідним механізмом розвитку яких є порушення активності ферментів. До них відносяться порушення обміну вуглеводів (галактоземія, глікогенози, мукополісахаридози), амінокислот (фенілкетонурія, цистинурия), нуклеотидів (оротатацідурія), порфіринів (порфірії).

ензимотерапія розділ ферментології, що вивчає застосування ферментів, коферментів, активатори, інгібіторів з лікувальною метою. Ферменти можуть застосовуватися з замісної метою (пепсин, ферменти підшлункової залози), з литической метою для видалення некротичних мас, тромбів, для розрідження в'язких ексудатів.

література

1. Авдєєва, Л.В. Біохімія: Підручник / Л.В. Авдєєва, Т.Л. Алейникова, Л.Є. Андріанова; Під ред. Е.С. Северин. - М .: ГЕОТАР-МЕД, 2013. - 768 c.

2. Ауерман, Т.Л. Основи біохімії: Навчальний посібник / Т.Л. Ауерман, Т.Г. Генералова, Г.М. Суслянок. - М .: НДЦ ИНФРА-М, 2013. - 400 c.

3. Базарнова, Ю.Г. Біохімічні основи переробки та зберігання сировини тваринного походження: Навчальний посібник / Ю.Г. Базарнова, Т.Є. Бурова, В.І. Марченко. - СПб .: Просп. Науки, 2011. - 192 c.

4. Баишев, І.М. Біохімія. Тестові запитання: Навчальний посібник / Д.М. Зубаиров, І.М. Баишев, Р.Ф. Байкеев; Під ред. Д.М. Зубаиров. - М .: ГЕОТАР-Медіа, 2008. - 960 c.

5. Бокуть, С.Б. Біохімія філогенезу і онтогенезу: Навчальний посібник / А.А. Чиркин, Е.О. Данченко, С.Б. Бокуть; За заг. ред. А.А. Чиркин. - М .: НДЦ ИНФРА-М, Нов. знання, 2012. - 288 c.

6. Гідрановіч, В.І. Біохімія: Навчальний посібник / В.І. Гідрановіч, А.В. Гідрановіч. - Мн .: ТетраСистемс, 2012. - 528 c.

7. Голощапов, А.П. Генетико-біохімічні аспекти адаптації людини до умов міста з розвинутою хімічною промисловістю / А.П. Голощапов. - М .: КМК, 2012. - 103 c.

8. Гунькова, П.І. Біохімія молока і молочних продуктів / К.К. Горбатова, П.І. Гунькова; За заг. ред. К.К. Горбатова. - СПб .: ГИОРД, 2010. - 336 c.

9. Димитриев, А.Д. Біохімія: Навчальний посібник / А.Д. Димитриев, Е.Д. Амбросьева. - М .: Дашков і К, 2013. - 168 c.

10. Єршов, Ю.А. Загальна біохімія та спорт: Навчальний посібник / Ю.О. Єршов. - М .: МГУ, 2010. - 368 c.

11. Єршов, Ю.А. Основи біохімії для інженерів: Навчальний посібник / Ю.О. Єршов, М. І. Зайцева; Під ред. С.І. Щукін. - М .: МГТУ ім. Баумана, 2010. - 359 c.

12. Камишніков, В.С. Довідник по клініко-біохімічної лабораторної діагностики: У 2 томах. У 2-х т.Справочнік по клініко-біохімічної лабораторної діагностики: У 2 томах / В.С. Камишніков. - Мн .: Білорусь, 2012. - 958 c.

13. Клопов, М.І. Біологічно активні речовини в фізіологічних і біохімічних процесах в організмі тварини: Навчальний посібник / М.І. Клопов, В.І. Максимов. - СПб .: Лань, 2012. - 448 c.

14. Михайлов, С.С. Спортивна біохімія: Підручник для вузів і коледжів фізичної культури / С.С. Михайлов. - М .: Сов. спорт, 2012. - 348 c.

15. Репніков, Б.Т. Товарознавство та біохімія рибних товарів: Навчальний посібник / Б.Т. Репніков. - М .: Дашков і К, 2013. - 220 c.

16. Рогожин, В.В. Біохімія молока і м'яса: Підручник / В.В. Рогожин. - СПб .: ГИОРД, 2012. - 456 c.

17. Рогожин, В.В. Біохімія рослин: Підручник / В.В. Рогожин. - СПб .: ГИОРД, 2012. - 432 c.

18. Рогожин, В.В. Практикум з фізіології і біохімії рослин: Навчальний посібник / В.В. Рогожин, Т.В. Рогожина. - СПб .: ГИОРД, 2013. - 352 c.

19. Тагановіч, А.Д. Патологічна біохімія: Монографія / А.Д. Тагановіч. - М .: БІНОМ, 2013. - 448 c.

20. Пилипович, Ю.Б. Біохімічні основи життєдіяльності людини: Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів / Ю.Б. Пилипович, А.С. Коніч, Г.А. Севастьянова, Н.М. Кутузова. - М .: ВЛАДОС, 2005. - 407 c.

21. Щербаков, В.Г. Біохімія і товарознавство олійної сировини / В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов. - М .: Колос, 2012. - 392 c.

Інші схожі роботи, які можуть вас заінтересовать.вшм\u003e
3791.		Ринковий механізм: сутність, структура, функції	86.49 KB
	Ринковий механізм - це механізм взаємодії продавців і покупців з приводу встановлення цін, обсягів виробництва, його структури і якості продукції, це механізм розподілу ресурсів і доходів на основі об'єктивних економічних законів ринку.
5233.		Сегнетоелектрики - структура властивості і застосування	2.33 MB
	Сегнетоелектрики - діелектрики, що володіють в певному інтервалі температур спонтанної (мимовільної) поляризованістю, т. Е. Поляризованістю за відсутності зовнішнього електричного поля. Свою назву сегнетоелектрики отримали від назви мінералу
7848.		Сімейство ретровірусів. ВІЛ, його властивості, антигенна структура. Епідеміологія і патогенез ВІЛ-інфекції, методи діагностики. Проблеми лікування і специфічної профілактики ВІЛ-інфекції	16.75 KB
	ВІЛ його властивості антигенна структура. Епідеміологія і патогенез ВІЛ-інфекції методи діагностики. Проблеми лікування і специфічної профілактики ВІЛ-інфекції Спеціальність Лікувальна справа Підготувала викладач Коледа В. Мінськ Актуалізація теми: ВІЛінфекція інфекційний процес в організмі людини викликається вірусом імунодефіциту людини ВІЛ характеризується повільним перебігом ураженням імунної та нервової систем подальшим розвитком на цьому тлі опортуністичних інфекцій ...
3755.		Дії над числами	16.02 KB
	При додаванні двійкових чисел в кожному розряді відповідно до таблиці двійкового складання проводиться складання двох чисел доданків або двох цих цифр і 1, якщо є перенос з сусіднього молодшого розряду
10885.		слідчі дії	41.97 KB
	В інших випадках коли акцент робився на пізнавальний аспект слідчими іменувалися лише ті дії які служили способами дослідження обставин справи і встановлення істини. За дорученням слідчого пропонованого в установленому в уголовнопроцессуальном законі порядку окремі слідчі дії у справі перебуває в його провадженні можуть виробляти органи дізнання або інші слідчі. Як правило слідчі дії проводяться за ініціативою слідчого або особи яка провадить дізнання.
5406.		Психологічна характеристика групового дії	16.13 KB
	ассматріваемие нами явища можна розділити на три основні групи: характеристики групи як суб'єкта дії, засновані на самосвідомості групи, характеристики морально-психологічних відносин в процесі групової дії
533.		Поєднання дії шкідливих факторів	4.94 KB
	Встановлено що токсичність отрут може посилюватися як при підвищенні так і при зниженні температури повітря. Розширення судин шкіри і слизових підвищує швидкість всмоктування токсичних речовин через шкіру і дихальні шляхи Посилення токсичної дії при підвищених температурах повітря відзначено щодо багатьох летючих отрут парів бензину і ртуті оксидів азоту та інших. Причиною цього служить посилення процесів гідролізу підвищення затримки отрут на поверхні слизових оболонок зміна агрегатного стану отрут. При підвищеному ...
7422.		ДОСЛІДЖЕННЯ ДІЇ геліогеофізичної ФАКТОРІВ НА БІОСИСТЕМИ	1.34 MB
	В результаті виконання дипломної роботи вивчена реакція волютиновими гранул на геогеліофізіческіе впливу. Отримано графіки, які виражають залежності типу реакції метахромазії від різних геліофізичних факторів. Спостереження 3 типи реакції метахромазії часто відбувається через 2-3 діб після максимумів Ар, Кр індексів геомагнітної збуреності. Отримано дані кореляційних залежностей по Пирсону
3643.		Принципи дії кут. закону в просторі	2.96 KB
	Це питання визна території на якій застосовується УЗ. Особа яка вчинила пре на території РФ підлягає кут. Громадяни РФ і постійно проживають в РФ особи без громадянства вчинили пре поза межами РФ підлягають УО по КК якщо вчинене ними діяння визнано премії в Госвамі на території якої він був скоєний і якщо ці особи не були засуджені в іноземній Госвамі. При засудженні зазначених осіб наказі не може перевищувати верхньої межі санкції передбаченої законом іноземної Госвамі на території КМО було скоєно пре.
17448.		Дослідження овощеочістітельной машини періодичної дії МОК-250	364.1 KB
	Їжа є однією з основ у житті людей як джерело енергії для життєдіяльності організму людина повинна харчуватися від 1 до 5 разів на день. Повноцінна їжа її раціон містить всі незамінні елементи їжі це такі елементи які їжа повинна включати для того щоб забезпечити нормальне функціонування організму людини. Розділ Безпека життєдіяльності приділяє особливу увагу техніці безпеки а також всім заходам приймаються для того щоб робота на досліджуваній машині приносила якомога менше шкоди і небезпеки ...

ферменти, або ензими (Від лат. Fermentum - закваска) - зазвичай білкові молекулиілімолекули РНК (рибозими) або їх комплекси, що прискорюють (каталізують) хімічні реакції вжівихсістемах.Реагентив реакції, що каталізується ферментами, називаютсясубстратамі, а отримувані речовини - продуктами. Ферменти специфічні до субстратів (АТФаза каталізує розщеплення тільки АТФ, а киназа фосфорілазифосфоріліруеттолько фосфорилазу).

Ферментативна активність може регулюватися актіваторамііінгібіторамі (активатори - підвищують, інгібітори - знижують).

Білкові ферментисінтезіруются нарібосомах, а РНК - в ядрі.

Терміни «фермент» і «ензим» давно використовують як синоніми (перший в основному в російській і німецькій науковій літературі, другий - в англо- та франкомовній).

Наука про ферментах називається ензимологія, А не ферментології (щоб не змішувати коріння слів латинської та грецької мов).

Історія вивчення

термін фермент запропонований в XVII столітті хіміком ван Гельмонтомпрі обговоренні механізмовпіщеваренія.

В кін. ХVIII - поч. XIX ст. вже було відомо, що м'ясо перетравлюється шлунковим соком, акрахмалпревращается всахарпод дією слини. Однак механізм цих явищ був невідомий.

У XIX ст. Луї Пастер, вивчаючи превращеніеуглеводовветіловий спіртпод действіемдрожжей, прийшов до висновку, що цей процес (бродіння) каталізується якоюсь життєвою силою, що перебуває в дріжджових клітинах.

Понад сто років тому терміни фермент і ензим відображали різні точки зору в теоретичній суперечці Л. Пастерас одного боку, їм. БертлоіЮ. Лібіха- з іншого, про природу спиртового бродіння. власне ферментами (Від лат. fermentum - закваска) називали «організовані ферменти» (тобто самі живі мікроорганізми), а термін ензим (Від греч.ἐν- - в- і ζύμη - дріжджі, закваска) запропонований в1876 годув. Кюне для «неорганізованих ферментів», секретується клітинами, наприклад, в шлунок (пепсин) або кишечник (трипсин, амілаза). Через два роки після смерті Л. Пастера в1897 годуЕ. Бухнер опубліковалработу «Спиртове бродіння без дріжджових клітин», в якій експериментально показав, що безклітковий дріжджовий сік здійснює спиртове бродіння так само, як і незруйновані дріжджові клітини. В1907 годуза цю роботу він був удостоєний Нобелівської премії. Вперше високоочищений кристалічний фермент (уреаза) був виділений в 1926 годуДж. Самнером. Протягом наступних 10 років було виділено ще кілька ферментів, і білкова природа ферментів була остаточно доведена.

Каталітична активність РНК вперше була виявлена \u200b\u200bв 1980-і роки у пре-рРНК Томасом Чеком, ізучавшімсплайсінгРНК уінфузоріі Tetrahymena thermophila. Рібозімомоказался ділянку молекули пре-рРНК Tetrahymena, кодіруемийінтрономвнехромосомного гена РДНК; цю ділянку здійснював аутосплайсінг, тобто сам вирізав себе при дозріванні рРНК.

функції ферментів

Ферменти присутні у всіх живих клітинах і сприяють перетворенню одних речовин (субстратів) в інші (продукти). Ферменти виступають в ролі каталізаторів практично у всіх біохімічних реакціях, що протікають в живих організмах. До 2013 року було описано понад 5000 різних ферментів. Вони грають найважливішу роль у всіх процесах життєдіяльності, направляючи і регулюючи обмін веществорганізма.

Подібно до всіх каталізаторів, ферменти прискорюють як пряму, так і зворотну реакцію, знижуючи енергію актівацііпроцесса.Хіміческое равновесіепрі цьому не зміщується ні в пряму, ні в зворотну сторону. Відмінною особливістю ферментів в порівнянні з небілковими каталізаторами є їх високаяспеціфічность-константа связиваніянекоторих субстратів з білком може досягати 10 -10 моль / л і менше. Кожна молекула ферменту здатна виконувати від декількох тисяч до декількох мільйонів «операцій» в секунду.

Наприклад, одна молекула ферменту реніну, що міститься в слизовій оболонці шлунка теляти, створаживаться близько 10 6 молекул ніжімунітет молока за 10 хв при температурі 37 ° C.

При цьому ефективність ферментів значно вище ефективності небілкових каталізаторів - ферменти прискорюють реакцію в мільйони і мільярди разів, небілкові каталізатори - в сотні і тисячі разів. Див. Також Каталітично досконалий фермент

Класифікація ферментів

За типом каталізуються реакцій ферменти підрозділяються на 6 класів згідно ієрархічної класифікації ферментів Класифікація була запропонована Міжнародним союзом біохімії і молекулярної біології (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Кожен клас містить підкласи, так що фермент описується сукупністю чотирьох чисел, розділених крапками. Наприклад, пепсінімеет назва ЄС 3.4.23.1. Перше число грубо описує механізм реакції, що каталізується ферментом:

КФ 1: оксидоредуктази, Каталізують окислення або відновлення. Приклад: каталаза, алкогольдегидрогеназа.

КФ 2: трансферази, Що каталізують перенесення хімічних груп з однієї молекули субстратана іншу. Серед трансфераз особливо виделяюткінази, які переносять фосфатну групу, як правило, з молекулиАТФ.

КФ 3: гідролази, Що каталізують гідролізхіміческіх зв'язків. Приклад: естерази, пепсин, трипсин, амілаза, ліпопротеінліпази.

КФ 4: ліази, Що каталізують розрив хімічних зв'язків без гідролізас образованіемдвойной зв'язковим одному з продуктів.

КФ 5: ізомерази, Що каталізують структурні або геометричні зміни в молекулі субстрату.

КФ 6: лігази, Що каталізують утворення хімічних зв'язків між субстратами за рахунок гідролізу АТФ. Приклад: ДНК-полімераза.

оксіредуктази - це ферменти, що каталізують реакції окислення і відновлення, тобто перенос електронів від донора до акцептора. Окислення є відібрання атомів водню від субстрату, а відновлення це приєднання атомів водню до акцептору.

До Оксидоредуктази відносяться: дегідрази, оксидази, оксигенази, гідроксилази, пероксидази, каталази. Наприклад, ферменталкогольдегідрогеназакаталізірует реакцію перетворення спирту в альдегід.

Оксіредуктази, які переносять атом водню або електрони безпосередньо на атоми кисню, називаються аеробними дегідрогеназ (оксидазами), тоді як оксидоредуктаз, які переносять атом водню або електрони від одного компонентадихательной ланцюга ферментів до іншого, називаються анаеробними дегідрогеназ. Поширеним варіантом окислювально-відновного процесу в клітинах є окислення атомів водню субстрату за участю оксіредуктази. Оксидоредуктази є двокомпонентними ферментами, у яких один і той же кофермент може зв'язуватися з різними апоферментами. Наприклад, багато оксидоредуктаз в якості коферменту містять НАД і НАДФ. В кінці численного класу оксіредуктази (на 11 позиції) знаходяться ферменти типу каталаз і пероксидаз. З усієї кількості білків пероксисом клітин до 40 відсотків припадає на каталазу. Каталаза і пероксидаза розщеплюють пероксид водню в наступних реакціях: Н2О2 + Н2О2 \u003d О2 + 2Н2О H2O2 + HO - R - OH \u003d O \u003d R \u003d O + 2H2O З даних рівнянь відразу стають видні як аналогія, так і суттєва відмінність між цими реакціями і ферментами . У цьому смислекаталазное розщеплення пероксиду водню являє собою особливий випадок пероксидазною реакції, коли пероксид водню служить і як субстрат, і акцептора в першій реакції.

трансферази - окремий клас ферментів, що каталізують перенесення функціональних груп і молекулярних залишків від однієї молекули до іншої. Широко поширені в рослинних і тваринних організмах, беруть участь у перетвореннях вуглеводів, ліпідів, нуклеїнових і амінокислот.

Реакції, що каталізуються трансферазу, в загальному випадку виглядають так:

A-X + B ↔ A + B-X.

молекула Aтут виступає в якості донора групи атомів ( X), А молекула Bє акцептором групи. Часто в якості донора в подібних реакціях переносу виступає один ізкоферментов. Багато з каталізуються трансферазу реакцій є оборотними. Систематичні назви ферментів класу утворюються за схемою:

«Донор: акцептор + група + трансфераза».

Або ж використовуються трохи більше загальні назви, коли в назву ферменту включається ім'я або донора, або акцептора групи:

«Донор + група + трансфераза»Або« акцептор + група + трансфераза».

Наприклад, аспартатамінотрансферазакаталізірует переносамінной группис молекулиглутаміновой кислоти, катехол-О-метілтрансферазаосуществляет переносметільной группиS-аденозілметіонін на бензольне кільце разлічнихкатехоламінов, агістон-ацетілтрансферазапереносіт ацетильную групу з ацетил-коферменту А нагістонв процесі актіваціітранскріпціі.

Крім того ферменти 7 подгруппитрансфераз, які переносять залишок фосфорної кислоти, використовуючи в якості донора фосфатної группиАТФ, часто називають також кіназами; амінотрансферази (6 підгрупа) часто називаюттрансаміназамі

гідролази (КФ3) - це классферментов, каталізірующійгідролізковалентной зв'язку. Загальний вигляд реакції, що каталізується гідролазою виглядає наступним чином:

A-B + H 2 O → A-OH + B-H

Систематичне назва гідролаз включає назва розщеплюєтьсясубстрату з подальшим додаванням -гідролаза. Однак, як правило в тривіальному назві слово гідролаза опускається і залишається тільки суфікс «аза».

найважливіші представники

Естерази: нуклеаза, фосфодіестерази, ліпаза, фосфотаза;

Глікозідази: амілаза, лізоцим та ін;

Протеази: трипсин, хімотрипсин, еластаза, тромбін, ренін та ін;

Кислотний ангідрид-гідролаза (ХЕЛІКАЗИ, ГТФаза)

Будучи каталізаторами, ферменти прискорюють як пряму, так і зворотну реакцію, тому, наприклад, ліази здатні каталізувати і зворотну реакцію - приєднання по подвійних зв'язках.

ліази - окремий клас ферментів, що каталізують реакції негідролітіческім і неокислювального розриву різних хімічних зв'язків ( C-C, C-O, C-N, C-S та інших) субстрату, оборотні реакції освіти і розриву подвійних зв'язків, що супроводжуються відщепленням або приєднанням груп атомів по її місцю, а також утворенням циклічних структур.

У загальному вигляді назви ферментів утворюються за схемою « субстрат + ЛіАЗ ». Однак частіше в назві враховують підклас ферменту. Ліази відрізняються від інших ферментів тим, що в каталізують реакції в одному напрямку беруть участь два субстрату, а в зворотної реакції тільки один. У назві ферменту присутні слова "декарбоксилаза" і "альдолаза" або "ЛіАЗ" (піруват-декарбоксилаза, оксалат-декарбоксилаза, оксалоацетат-декарбоксилаза, треонін-альдолаза, фенілсерін-альдолаза, ізоцитрат-ЛіАЗ, аланін-ЛіАЗ, АТФ-цитрат-ЛіАЗ і ін.), а для ферментів, які каталізують реакції відщеплення води від субстрату - "дегідратази" (карбонат-дегідратази, цитрат-дегідратази, серин-дегідратази і ін.). У тих випадках, коли виявлено тільки зворотна реакція, або цей напрямок в реакціях більш істотно, в назві ферментів присутністю слово "синтаза" (малат-синтаза, 2-ізопропілмалат-синтаза, цитрат-синтаза, гідроксіметілглутаріл-CoA-синтаза і ін.) .

Приклади: гістідіндекарбоксілаза, фумаратгідратаза.

ізомерази - ферменти, каталізірующіеструктурние превращеніяізомеров (рацемізації або епімерізація). Ізомерази каталізіруютреакціі, подібні наступною: A → B, де B є ізомером A.

У назві ферменту присутнє слово " рацемази"(Аланін-рацемази, метіонін-рацемази, гидроксипролин-рацемази, лактат-рацемази і ін.)," епімерази"(Альдозами-1-епімерази, рібулозофосфат-4-епімерази, УДФ-глюкуронати-4-епімерази і ін.)," ізомерази"(Рібозофосфат-ізомерази, ксілозоізомераза, глюкозамінфосфат-ізомерази, еноіл-СоА ізомерази і ін.)," мутази"(Фосфогліцерат-мутази, метіласпартат-мутази, фосфоглюкомутазаі ін.).

лігаза (Лат. ligāre - зшивати, з'єднувати) - фермент, каталізірующійсоедіненіе двох молекул з утворенням нової хімічної зв'язку ( лігування ). При цьому зазвичай відбувається відщеплення (гідроліз) невеликої хімічної групи від однієї з молекул.

Лігази відносяться до класу ферментів EC 6.

У молекулярній біології лігази підкласу 6.5 класифікують на РНК-лігази і ДНК-лігази.

ДНК-лігази

ДНК-лігаза, що здійснює репараціюДНК

ДНК-лігази - ферменти (EC 6.5.1.1), каталізірующіековалентное сшіваніецепейДНКв дуплексі пріреплікаціі, репарацііірекомбінаціі. Вони утворюють фосфодіефірні містки між 5 "-фосфорільной і 3" -гідроксільной групами соседніхдезоксінуклеотідовв місцях розриву ДНК або між двома молекулами ДНК. Для утворення цих містків лігази використовують енергіюгідролізапірофосфорільной связіАТФ. Один з найпоширеніших комерційно доступних ферментів - ДНК-лігазабактеріофагаТ4.

ДНК-лігази ссавців

У ссавців класифікують три основні типи ДНК-лігази.

ДНК-лігаза I ЛІГІР фрагментів Окадзакі ходереплікацііотстающей ланцюга ДНК і бере участь в ексцизійної репарації.

ДНК-лігаза III в комплексі з білком XRCC1участвует вексцізіонной репарацій в рекомбінації.

ДНК-лігаза IV в комплексі з XRCC4каталізірует остаточний етап негомологічних з'єднання (non-homologous end joining - NHEJ) двунітевих розривів ДНК. Також потрібно для V (D) J рекомбінації геновіммуноглобулінов.

Раніше виділяли ще один тип лигаз - ДНК-лігази II, яка пізніше була визнана артефактом виділення білків, а саме продуктом протеолізу ДНК-лігази III.

Угоди про найменування ферментів

Зазвичай ферменти іменують за типом каталізуються реакції, додаючи суфікс -аза до назви субстрату ( наприклад, Лактаза- фермент, який бере участь в превращеніілактози). Таким чином, у різних ферментів, що виконують одну функцію, буде однакову назву. Такі ферменти розрізняють по інших властивостях, наприклад, по оптімальномуpH (лужна фосфатаза) або локалізації в клітині (мембраннаяАТФаза).

Структура і механізм дії ферментів

Активність ферментів визначається їх тривимірної структурою.

Як і всі білки, ферменти синтезуються у вигляді лінійного ланцюжка амінокислот, яка згортається певним чином. Кожна послідовність амінокислот згортається особливим чином, і що виходить молекула (білкова кулька) володіє унікальними властивостями. Кілька білкових ланцюгів можуть об'єднуватися в білковий комплекс.Третічная структурабелков руйнується при нагріванні або дії деяких хімічних речовин.

Активний центр ферментів

Вивчення механізму хімічної реакції, що каталізується ферментом поряд з визначенням проміжних і кінцевих продуктів на різних стадіях реакції на увазі точне знання геометрії третинної структури ферменту, природи функціональних груп егомолекули, що забезпечують специфічність дії і високу каталітичну активність на даннийсубстрат, а також хімічної природи ділянки (ділянок) молекули ферменту, який забезпечує високу швидкість каталітичної реакції. Зазвичай молекули субстрату, які беруть участь у ферментативних реакціях, в порівнянні з молекулами ферментів мають відносно невеликі розміри. Таким чином, при утворенні фермент-субстратні комплексів в безпосереднє хімічну взаємодію вступають лише обмежені фрагменти амінокислотноїпослідовності поліпептидного ланцюга - «активний центр» - унікальна комбінація залишків амінокислот в молекулі ферменту, що забезпечує безпосередню взаємодію з молекулою субстрату і пряма участь в акті каталізу.

В активному центрі умовно виділяють:

каталітичний центр - безпосередньо хімічно взаємодіє з субстратом;

зв'язує центр (контактна або «якірна» майданчик) - забезпечує специфічна спорідненість до субстрату і формування комплексу фермент-субстрат.

Щоб каталізувати реакцію, фермент повинен зв'язатися з одним або декількома субстратами. Білкова ланцюг ферменту згортається таким чином, що на поверхні глобули утворюється щілина, або западина, де зв'язуються субстрати. Ця область називається сайтом зв'язування субстрату. Зазвичай він збігається з активним центром ферменту або знаходиться поблизу нього. Деякі ферменти містять також сайти зв'язування кофакторовілі іонів металів.

Фермент, з'єднуючись з субстратом:

очищає субстрат від водяної «шуби»

має реагують молекули субстратів в просторі за потрібне для протікання реакції чином

готує до реакції (наприклад, поляризує) молекули субстратів.

Зазвичай приєднання ферменту до субстрату відбувається за рахунок іонних або водневих зв'язків, рідко - за рахунок ковалентних. В кінці реакції її продукт (або продукти) відділяються від ферменту.

В результаті фермент знижує енергію активації реакції. Це відбувається тому, що в присутності ферменту реакція йде іншим шляхом (фактично відбувається інша реакція), наприклад:

За відсутності ферменту:

У присутності ферменту:

• АФ + В \u003d АВФ

  АВФ \u003d АВ + Ф

де А, В - субстрати, АВ - продукт реакції, Ф - фермент.

Ферменти не можуть самостійно забезпечувати енергією ендергонічеськие реакції (для протікання яких потрібна енергія). Тому ферменти, які здійснюють такі реакції, сполучають їх з екзергонічеськие реакціями, що йдуть з виділенням великої кількості енергії. Наприклад, реакції синтезу біополімеровчасто сполучаються з реакціейгідролізаАТФ.

Для активних центрів деяких ферментів характерне явище кооперативності.

специфічність

Ферменти зазвичай проявляють високу специфічність по відношенню до своїх субстратів (Субстратна специфічність). Це досягається частковою комплементарностью форми, розподілу зарядів і гідрофобних областей на молекулі субстрату і в центрі зв'язування субстрату на ферменті. Ферменти зазвичай демонструють також високий рівень стереоспеціфічность (утворюють як продукт тільки один з можливих стереоізомерів або використовують як субстрат тільки один стереоизомер), регіоселективності (утворюють або розривають хімічний зв'язок тільки в одному з можливих положень субстрату) і хемоселектівності (каталізують тільки одну хімічну реакцію з декількох можливих для даних умов). Незважаючи на загальний високий рівень специфічності, ступінь субстратной і реакційної специфічності ферментів може бути різною. Наприклад, ендопептідазатріпсінразривает пептидний зв'язок тільки послеаргінінаілілізіна, якщо за ними не слід пролин, апепсінгораздо менш специфічний і може розривати пептидний зв'язок, наступну за багатьма амінокислотами.

У 1890 р Еміль Фішерпредположіл, що специфічність ферментів визначається точною відповідністю форми ферменту і субстрату. Таке припущення називається моделлю «ключ-замок». Фермент з'єднується з субстратом з утворенням короткоживучого фермент-субстратного комплексу. Однак, хоча ця модель пояснює високу специфічність ферментів, вона не пояснює явища стабілізації перехідного стану, яке спостерігається на практиці.

Модель індукованої відповідності

У 1958 р Деніел Кошландпредложіл модифікацію моделі «ключ-замок». Ферменти, в основному - не жорсткі, а гнучкі молекули. Активний центр ферменту може змінити конформацію після зв'язування субстрату. Бічні групи амінокислот активного центру беруть такий стан, яке дозволяє ферменту виконати свою каталітичну функцію. У деяких випадках молекула субстрату також змінює конформацію після зв'язування в активному центрі. На відміну від моделі «ключ-замок», модель індукованої відповідності пояснює не тільки специфічність ферментів, але і стабілізацію перехідного стану. Ця модель отримала назву «рука-рукавичка».

модифікації

Багато ферменти після синтезу білкового ланцюга зазнають модифікації, без яких фермент не проявляє свою активність в повній мірі. Такі модифікації називаються посттрансляційної модифікації (процессингом). Один з найпоширеніших типів модифікації - приєднання хімічних груп до бічних залишків поліпептидного ланцюга. Наприклад, приєднання залишку фосфорної кислоти називається фосфорилюванням, воно каталізується ферментом кінази. Багато ферменти еукаріот глікозовані, тобто модифіковані олигомерами вуглеводної природи.

Ще один поширений тип посттранляціонних модифікацій - розщеплення поліпептидного ланцюга. Наприклад, хімотрипсин (протеаза, що бере участь впіщевареніі), виходить при вищепленію поліпептидного ділянки з химотрипсиногена. Хімотріпсіноген є неактивним попередником химотрипсина і синтезується вподжелудочной залозі. Неактивна форма транспортується вжелудок, де перетворюється на хімотрипсин. Такий механізм необхідний для того, щоб уникнути розщеплення підшлункової залози та інших тканин до надходження ферменту в шлунок. Неактивний попередник ферменту називають також «зімогенов».

кофактори ферментів

Деякі ферменти виконують каталітичну функцію самі по собі, без жодних додаткових компонентів. Однак є ферменти, яким для здійснення каталізу необхідні компоненти небілкової природи. Кофактори можуть бути як неорганічними молекулами (іони металів, залізо-сірчані кластери і ін.), Так і органічними (наприклад, флавінілігем). Органічні кофактор, міцно пов'язані з ферментом, називають також простетичної групами. Кофактори органічної природи, здатні відділятися від ферменту, називають коферментами.

Фермент, який вимагає наявності кофактора для здійснення каталітичної активності, але не пов'язаний з ним, називається апо-фермент. Апо-фермент в комплексі з кофактором носить назву холод-ферменту. Більшість кофакторов пов'язано з ферментом нековалентними, але досить міцними взаємодіями. Є й такі простетичноїгрупи, які пов'язані з ферментом ковалентно, наприклад, тіамінпірофосфат в піруватдегідрогенази.

Регуляція роботи ферментів

У деяких ферментів є сайти зв'язування малих молекул, вони можуть бути субстратами або продуктами метаболічного шляху, в який входить фермент. Вони зменшують або збільшують активність ферменту, що створює можливість для зворотного зв'язку.

Інгібування кінцевим продуктом

Метаболічний шлях - ланцюжок послідовних ферментативних реакцій. Часто кінцевий продукт метаболічного шляху є інгібітором ферменту, що прискорює першу з реакцій даного метаболічного шляху. Якщо кінцевого продукту надто багато, то він діє як інгібітор для самого першого ферменту, а якщо після цього кінцевого продукту стало занадто мало, то перший фермент знову активується. Таким чином, інгібування кінцевим продуктом за принципом негативного зворотного зв'язку-важливий спосіб поддержаніягомеостаза (відносногосталості умов внутрішнього середовища організму).

Вплив умов середовища на активність ферментів

Активність ферментів залежить від умов в клітці або організмі - тиску, кислотності середовища, температури, концентрації розчинених солей (іонної сили розчину) і ін.

Множинні форми ферментів

Множинні форми ферментів можна розділити на дві категорії:

Ферменти

Власне множинні форми (справжні)

Ферменти - це ферменти, синтез яких кодується різними генами, у них різна первинна структура і різні властивості, але вони каталізують одну і ту ж реакцію. Види ізоферментів:

Органні - ферменти гліколізав печінки і м'язах.

Клітинні - малатдегідрогеназацітоплазматіческая і мітохондріальна (ферменти різні, але каталізують одну і ту ж реакцію).

Гібридні - ферменти з четвертинної структурою, утворюються в результаті Нековалентні зв'язування окремих субодиниць (лактатдегідрогеназа- 4 субодиниці 2 типів).

Мутантні - утворюються в результаті одиничної мутації гена.

Аллоферменти - кодуються різними алелями одного і того ж гена.

Власне множинні форми (Справжні) - це ферменти, синтез яких кодується одним і тим же аллелем одного і того ж гена, у них однакова первинна структура і властивості, але після синтезу на рібосомахоні піддаються модифікації і стають різними, хоча і каталізують одну і ту ж реакцію.

Ферменти різні на генетичному рівні і відрізняються від первинної послідовності, а справжні множинні форми стають різними на посттрансляционном рівні.

медичне значення

Зв'язок між ферментами і спадковими хворобами обміну речовин була вперше встановлена \u200b\u200bА. Герродом в 1910-і рр. Геррод назвав захворювання, пов'язані з дефектами ферментів, «вродженими помилками метаболізму».

Якщо відбувається мутація в гені, що кодує певний фермент, може змінитися амінокислотна послідовність ферменту. При цьому в результаті більшості мутацій його каталітична активність знижується або повністю зникає. Якщо організм отримує два таких мутантних гена (по одному від кожного з батьків), в організмі перестає йти хімічна реакція, яку каталізує даний фермент. Наприклад, поява альбіносів пов'язано з припиненням вироблення ферменту тирозинази, який відповідає за одну зі стадій синтезу темного пігменту меланіна.Фенілкетонуріясвязана зі зниженою або відсутньою активністю ферменту фенілаланін-4-гідроксилази в печінці.

В даний час відомі сотні спадкових захворювань, пов'язані з дефектами ферментів. Розроблено методи лікування і профілактики багатьох з таких хвороб.

практичне використання

Ферменти широко використовуються в народному господарстві - харчовій, текстильній промисловості, у фармакології і медицині. Більшість ліків впливають на перебіг ферментативних процесів в організмі, запускаючи або припиняючи ті чи інші реакції.

Ще ширше область використання ферментів в наукових дослідженнях і в медицині.

ФЕРМЕНТИ, органічні речовини білкової природи, які синтезуються в клітинах і в багато разів прискорюють що протікають в них реакції, не зазнаючи при цьому хімічним перетворенням. Речовини, які надають подібну дію, існують і в неживій природі і називаються каталізаторами.

Ферменти (від лат. Fermentum - бродіння, закваска) іноді називають ензимами (від грец. En - всередині, zyme - закваска). Всі живі клітини містять дуже великий набір ферментів, від каталітичної активності яких залежить функціонування клітин. Практично кожна з безлічі різноманітних реакцій, що протікають в клітині, вимагає участі специфічного ферменту. Вивченням хімічних властивостей ферментів і каталізуються ними реакцій займається особлива, дуже важлива область біохімії - ензимології.

Багато ферменти знаходяться в клітці у вільному стані, будучи просто розчинені в цитоплазмі; інші пов'язані зі складними високоорганізованим структурами. Є і ферменти, в нормі що знаходяться поза клітиною; так, ферменти, що каталізують розщеплення крохмалю і білків, секретуються підшлунковою залозою в кишечник. Секретують ферменти і багато мікроорганізмів.

дія ферментів

Ферменти, що беруть участь в фундаментальних процесах перетворення енергії, таких, як розщеплення цукрів, освіта та гідроліз високоенергетичного з'єднання аденозинтрифосфату (АТФ), присутні в клітинах всіх типів - тварин, рослинних, бактеріальних. Однак є ферменти, які утворюються тільки в тканинах певних організмів.

Так, ферменти, що беруть участь в синтезі целюлози, виявляються в рослинних, але не в тваринних клітинах. Таким чином, важливо розрізняти «універсальні» ферменти і ферменти, специфічні для тих чи інших типів клітин. Взагалі кажучи, чим більше клітина спеціалізована, тим більша ймовірність, що вона буде синтезувати набір ферментів, необхідний для виконання конкретної клітинної функції.

Особливістю ферментів є те, що вони мають високу специфічність, т. Е. Можуть прискорювати тільки одну реакцію або реакції одного типу.

У 1890 році Е. Г. Фішер припустив, що ця специфічність обумовлена \u200b\u200bособливою формою молекули ферменту, яка точно відповідає формі молекули субстрату. Ця гіпотеза отримала назву «ключа і замка», де ключ порівнюється з субстратом, а замок - з ферментом. Гіпотеза говорить: субстрат підходить до ферменту, як ключ підходить до замка. Вибірковість дії ферменту пов'язана з будовою його активного центру.

активність ферментів

В першу чергу, на активність ферменту впливає температура. З підвищенням температури швидкість хімічної реакції зростає. Збільшується швидкість молекул, у них з'являється більше шансів зіткнутися один з одним. Отже, збільшується ймовірність того, що реакція між ними відбудеться. Температура, що забезпечує найбільшу активність ферменту - оптимальна.

За межами оптимальної температури швидкість реакції знижується внаслідок денатурації білків. Коли температура знижується, швидкість хімічної реакції теж падає. У той момент, коли температура досягає точки замерзання, фермент інактивується, але при цьому не денатурує.

Класифікація ферментів

У 1961 році була запропонована систематична класифікація ферментів на 6 груп. Але назви ферментів виявилися дуже довгими і важкими в вимові, тому ферменти прийнято зараз називати за допомогою робочих назв. Робоча назва складається з назви субстрату, на який діє фермент, і закінчення «аза». Наприклад, якщо речовина - лактоза, тобто молочний цукор, то лактаза - це фермент який його перетворює. Якщо сахароза (звичайний цукор), то фермент, який його розщеплює, - сахараза. Відповідно, ферменти, які розщеплюють протеїни, звуться протеїнази.

· Структура і механізм дії ферментів · Множинні форми ферментів · Медичне значення · Практичне використання · Примітки · Література & middot

Активність ферментів визначається їх тривимірної структурою.

Як і всі білки, ферменти синтезуються у вигляді лінійного ланцюжка амінокислот, яка згортається певним чином. Кожна послідовність амінокислот згортається особливим чином, і що виходить молекула (білкова кулька) володіє унікальними властивостями. Кілька білкових ланцюгів можуть об'єднуватися в білковий комплекс. Третинна структура білків руйнується при нагріванні або дії деяких хімічних речовин.

Активний центр ферментів

Вивчення механізму хімічної реакції, що каталізується ферментом поряд з визначенням проміжних і кінцевих продуктів на різних стадіях реакції на увазі точне знання геометрії третинної структури ферменту, природи функціональних груп його молекули, що забезпечують специфічність дії і високу каталітичну активність на цей субстрат, і крім цього хімічної природи ділянки ( ділянок) молекули ферменту, який забезпечує високу швидкість каталітичної реакції. Зазвичай молекули субстрату, які беруть участь у ферментативних реакціях, в порівнянні з молекулами ферментів мають відносно невеликі розміри. Таким чином, при утворенні фермент-субстратні комплексів в безпосереднє хімічну взаємодію вступають лише обмежені фрагменти амінокислотноїпослідовності поліпептидного ланцюга - «активний центр» - унікальна комбінація залишків амінокислот в молекулі ферменту, що забезпечує безпосередню взаємодію з молекулою субстрату і пряма участь в акті каталізу.

В активному центрі умовно виділяють:

• каталітичний центр - безпосередньо хімічно взаємодіє з субстратом;
• зв'язує центр (контактна або «якірна» майданчик) - забезпечує специфічна спорідненість до субстрату і формування комплексу фермент-субстрат.

Щоб каталізувати реакцію, фермент повинен зв'язатися з одним або декількома субстратами. Білкова ланцюг ферменту згортається таким чином, що на поверхні глобули утворюється щілина, або западина, де зв'язуються субстрати. Ця область називається сайтом зв'язування субстрату. Зазвичай він збігається з активним центром ферменту або знаходиться поблизу нього. Деякі ферменти містять також сайти зв'язування кофакторів або іонів металів.

Фермент, з'єднуючись з субстратом:

• очищає субстрат від водяної «шуби»
• має реагують молекули субстратів в просторі за потрібне для протікання реакції чином
• готує до реакції (наприклад, поляризує) молекули субстратів.

Зазвичай приєднання ферменту до субстрату відбувається за рахунок іонних або водневих зв'язків, рідко - за рахунок ковалентних. В кінці реакції її продукт (або продукти) відділяються від ферменту.

В результаті фермент знижує енергію активації реакції. Це відбувається тому, що в присутності ферменту реакція йде іншим шляхом (за фактом відбувається інша реакція), наприклад:

За відсутності ферменту:

• А + В \u003d АВ

У присутності ферменту:

• А + Ф \u003d АФ
• АФ + В \u003d АВФ
• АВФ \u003d АВ + Ф

де А, В - субстрати, АВ - продукт реакції, Ф - фермент.

Ферменти не можуть самостійно забезпечувати енергією ендергонічеськие реакції (для протікання яких потрібна енергія). Тому ферменти, які здійснюють такі реакції, сполучають їх з екзергонічеськие реакціями, що йдуть з виділенням великої кількості енергії. Наприклад, реакції синтезу біополімерів часто сполучаються з реакцією гідролізу АТФ.

Для активних центрів деяких ферментів характерне явище кооперативності.

специфічність

Ферменти зазвичай проявляють високу специфічність по відношенню до своїх субстратів (Субстратна специфічність). Це досягається частковою комплементарностью форми, розподілу зарядів і гідрофобних областей на молекулі субстрату і в центрі зв'язування субстрату на ферменті. Ферменти зазвичай демонструють також високий рівень стереоспеціфічность (утворюють як продукт тільки один з можливих стереоізомерів або використовують як субстрат тільки один стереоизомер), регіоселективності (утворюють або розривають хімічний зв'язок тільки в одному з можливих положень субстрату) і хемоселектівності (каталізують тільки одну хімічну реакцію з декількох можливих для даних умов). Незважаючи на загальний високий рівень специфічності, ступінь субстратной і реакційної специфічності ферментів може бути різною. Наприклад, ендопептідаза трипсин розриває пептидний зв'язок тільки після аргініну або лізину, якщо за ними не слід пролин, а пепсин набагато менш специфічний і може розривати пептидний зв'язок, наступну за багатьма амінокислотами.

Модель «ключ-замок»

У 1890 р Еміль Фішер припустив, що специфічність ферментів визначається точною відповідністю форми ферменту і субстрату. Таке припущення називається моделлю «ключ-замок». Фермент з'єднується з субстратом з утворенням короткоживучого фермент-субстратного комплексу. У той же час, не дивлячись на те, що ця модель пояснює високу специфічність ферментів, вона не пояснює явища стабілізації перехідного стану, яке спостерігається на практиці.

Модель індукованої відповідності

У 1958 р Деніел Кошланд запропонував модифікацію моделі «ключ-замок». Ферменти, в основному - не жорсткі, а гнучкі молекули. Активний центр ферменту може змінити конформацію після зв'язування субстрату. Бічні групи амінокислот активного центру беруть такий стан, яке дає можливість ферменту виконати свою каталітичну функцію. У деяких випадках молекула субстрату також змінює конформацію після зв'язування в активному центрі. На відміну від моделі «ключ-замок», модель індукованої відповідності пояснює не тільки специфічність ферментів, але і стабілізацію перехідного стану. Ця модель отримала назву «рука-рукавичка».

модифікації

Багато ферменти після синтезу білкового ланцюга зазнають модифікації, без яких фермент не проявляє свою активність в повній мірі. Такі модифікації називаються посттрансляційної модифікації (процессингом). Один з найпоширеніших типів модифікації - приєднання хімічних груп до бічних залишків поліпептидного ланцюга. Наприклад, приєднання залишку фосфорної кислоти називається фосфорилюванням, воно каталізується ферментом кінази. Багато ферменти еукаріот глікозовані, тобто модифіковані олигомерами вуглеводної природи.

Ще один поширений тип посттранляціонних модифікацій - розщеплення поліпептидного ланцюга. Наприклад, хімотрипсин (протеаза, що бере участь в травленні), виходить при вищепленію поліпептидного ділянки з химотрипсиногена. Хімотріпсіноген є неактивним попередником химотрипсина і синтезується в підшлунковій залозі. Неактивна форма транспортується в шлунок, де перетворюється на хімотрипсин. Такий механізм необхідний для того, щоб уникнути розщеплення підшлункової залози та інших тканин до надходження ферменту в шлунок. Неактивний попередник ферменту називають також «зімогенов».

кофактори ферментів

Деякі ферменти виконують каталітичну функцію самі по собі, без жодних додаткових компонентів. Однак є ферменти, яким для здійснення каталізу необхідні компоненти небілкової природи. Кофактори можуть бути як неорганічними молекулами (іони металів, залізо-сірчані кластери і ін.), Так і органічними (наприклад, флавін або гем). Органічні кофактор, міцно пов'язані з ферментом, називають також простетичної групами. Кофактори органічної природи, здатні відділятися від ферменту, називають коферментами.

Фермент, який вимагає наявності кофактора для здійснення каталітичної активності, але не пов'язаний з ним, називається апо-фермент. Апо-фермент в комплексі з кофактором носить назву холод-ферменту. Велика частина кофакторов пов'язано з ферментом нековалентними, але досить міцними взаємодіями. Є й такі простетичноїгрупи, які пов'язані з ферментом ковалентно, наприклад, тіамінпірофосфат в піруватдегідрогенази.

Регуляція роботи ферментів

У деяких ферментів є сайти зв'язування малих молекул, вони можуть бути субстратами або продуктами метаболічного шляху, в який входить фермент. Вони зменшують або збільшують активність ферменту, що створює можливість для зворотного зв'язку.

Інгібування кінцевим продуктом

Метаболічний шлях - ланцюжок послідовних ферментативних реакцій. Найчастіше кінцевий продукт метаболічного шляху є інгібітором ферменту, що прискорює першу з реакцій даного метаболічного шляху. Якщо кінцевого продукту надто багато, то він діє як інгібітор для самого першого ферменту, а якщо після цього кінцевого продукту стало занадто мало, то перший фермент знову активується. Таким чином, інгібування кінцевим продуктом за принципом негативного зворотного зв'язку - важливий спосіб підтримки гомеостазу (відносної постійності умов внутрішнього середовища організму).

Вплив умов середовища на активність ферментів

Активність ферментів залежить від умов в клітці або організмі - тиску, кислотності середовища, температури, концентрації розчинених солей (іонної сили розчину) і ін.