Биологически активные вещества: ферменты

Ферменты

Содержание

• Определение ферментов
• Значение ферментов
• Историческая справка
• Строение ферментов
• Каталитический центр
• Субстратный центр
• Аллостерический центр
• Уровни организации молекул ферментов: первичная структура
• Вторичная структура
• Третичная структура

• Четвертичная структура
• Зависимость активности ферментов от температуры
• Зависимость активности ферментов от рН – среды
• Классификация ферментов
• Свойства ферментов
• Механизм действия ферментов
• Применение ферментов
• Тест «Ферменты»

Определение ферментов

Ферме́нты или энзи́мы

(от лат.   fermentum , греч. ζύμη, ἔνζυμον — дрожжи , закваска) — обычно белковые молекулы или молекулы РНК

( рибозимы ) или их комплексы,

ускоряющие

( катализирующие )

химические реакции в живых системах

Значение ферментов

• В каждой клетке имеются сотни различных ферментов
• С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые могут с большой скоростью идти при температурах, подходящих для данного организма, то есть в пределах от 5 о до 40 о
• Ферменты – это биологические катализаторы, то есть вещества, которые ускоряют биохимические реакции
• Они абсолютно необходимы, потому что без них реакции в клетке протекали бы слишком медленно

Из истории

• Термин фермент предложен в XVII веке химиком ван Гельмонтом при обсуждении механизмов пищеварения
• В кон. ХVIII — нач. XIX вв. уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком , а крахмал превращается в сахар под действием слюны
• Однако механизм этих явлений был неизвестен
• В XIX в. Луи Пастер , изучая превращение углеводов в этиловый спирт под действием дрожжей , пришел к выводу, что этот процесс ( брожение ) катализируется некой жизненной силой, находящейся в дрожжевых клетках

Наука о ферментах

• Термины «фермент» и «энзим» давно используют как синонимы (первый в основном в русской и немецкой научной литературе, второй — в англо- и франкоязычной) Наука о ферментах называется энзимологией , а не ферментологией

Строение ферментов

• Простые (однокомпонентные) ферменты и сложные (двухкомпонентные) ферменты
• Простой фермент состоит из белковой части
• Сложные ферменты называют холоферментами: белковая часть – апофермент, небелковая – коферемент
• Роль коферементов играют витамины или вещества, построенные с участием витаминов
• В составе как простого, так и сложного фермента, выделяют субстратный, аллостерический и каталитический центры

Каталитический центр

• Каталитический центр простого фермента представляет собой уникальное сочетание нескольких аминокислотных остатков, расположенных на разных участках полипептидной цепи
• Образование каталитического центра происходит одновременно с формированием третичной структуры белковой молекулы фермента
• Чаще всего в состав каталитического центра простого фермента входят остатки серина, цистеина, тирозина, гистидина, аргинина, аспарагиновой и глутаминовой кислот
• В сложных ферментах роль каталитического центра выполняет кофермент, который связывается с апоферментом в определенном участке – коферемент связывающем домене

Субстратный центр

• Субстратный центр простого фермента – это участок белковой молекулы фермента, который отвечает за связывание субстрата.
• Субстрат с ферментом связывается посредством ионных взаимодействий, водородных связей; иногда субстрат и фермент связываются ковалентно.
• В простых ферментах субстратный центр может совпадать с каталитическим; тогда говорят об активном центре фермента

Аллостерический центр

• Представляет собой участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому какого – то низкомолекулярного вещества изменяется третичная структура белковой молекулы фермента, что влечет за собой изменение его активности.
• Аллостерический центр является регуляторным центром фермента

Уровни организации молекул ферментов Первичная структура

• Под первичной структурой понимают порядок чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи.
• Первичная структура детерминируется генами.

Вторичная структура

• Под вторичной структурой понимают способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную структуру.
• По конфигурации выделяют следующие элементы вторичной структуры: а – спираль и в-складчатый слой.
• Полипептидная цепь сворачивается в а-спираль таким образом, что витки спирали регулярны, поэтому спиральная конфигурация имеет винтовую симметрию.
• В – складчатый слой имеет линейную форму, которая удерживается благодаря возникновению водородных связей между пептидными группами.

Третичная структура

• Это способ укладки полипептидной цепи в пространстве.
• Чтобы белок приобрел присущие ему функциональные свойства, полипептидная цепь должна определенным образом свернуться в пространстве, сформировав функционально активную структуру. Такая структура называется нативной.
• Сворачивание белка приводит к образованию глобулы

Четвертичная структура

• Это структура, состоящая из определенного числа полипептидных цепей, занимающих строго фиксированное положение относительно друг друга, вследствие чего молекула обладает той или иной активностью.
• Молекула, обладающая такой структурой, называется эпимолекулой или мультимером, а составляющие его полипептидные цепи – субъединицами или протомерами
• Стабилизация четвертичной структуры происходит за счет полярных взаимодействий между боковыми радикалами аминокислотных остатков, локализованных на поверхности субъединиц

Свойства ферментов Зависимость активности ферментов от температуры

• При высоких значениях температуры может происходить денатурация белковой части фермента, что негативно сказывается на его активности.
• при определенных (оптимальных) значениях температура может влиять на скорость образования фермент-субстратного комплекса, вызывая увеличение скорости реакции.
• Температура, при которой каталитическая активность фермента максимальна, называется температурным оптимумом фермента

Зависимость активности фермента от рН-среды

СРЕДА

Значение

рН

ЖЕЛУДОЧНЫЙ СОК

ОТКЛОНЕНИЯ

1,7

Желчь печеночная

0,9 – 2,0

Желчь пузырная

7,4

Кровь (плазма)

6,2 – 8,5

6,8

5,6 – 8,0

7,4

Моча

Пот

7,25 – 7,44

5,8

Слезная жидкость

5,0 – 6,5

7,4

7,7

слюна

4,2 – 7,8

Спинномозговая жидкость

7,6 – 7,8

6,8

Сок поджелудочной железы

7,6

5,6 – 7,9

7,4 – 7,8

8,8

Сок тонкого кишечника

8,6 – 9,0

6,5

5,1 – 7,1

• Большинство ферментов проявляет максимальную активность при значениях рН, близких к нейтральным. Лишь отдельные ферменты «работают» в сильно кислой или сильно щелочной среде.
• Изменение оптимального для данного фермента значения рН-среды может привести к изменению третичной структуры фермента, что скажется на его активности.
• При изменении рН может измениться ионизация субстрата, что повлияет на образование фермент- субстратного комплекса

Классификация ферментов

• В 1961 году специальной комиссией международного биохимического союза была предложена систематическая номенклатура ферментов.
• Ферменты были подразделены на 6 групп в соответствии с общим типом реакции, которую они катализируют.
• Каждый фермент получил систематическое наименование, точно описывающее катализируемую им реакцию.
• Однако, поскольку многие из этих систематических названий оказались очень длинными и сложными, каждому ферменту было присвоено рабочее название для повседневного употребления.
• Рабочее название складывалось из названия субстрата, типа катализируемой реакции и окончания –аза.

Например:

Лактат + дегидрогенизация + аза = лактатдегидрогеназа

• Но для давно известных ферментов оставлены следующие названия, т.е. прежние названия пепсин, трипсин.

Классификация ферментов

Группа

Катализируемая реакция

Оксидоредуктазы. 480 ферментов, большая роль в энергетических процессах

Катализирует реакции окисления – восстановления, перенос атомов H и O или электронов от одного к другому.

Трансферазы

Перенос определенных группы атомов от одного вещества к другому

Гидролазы. 460 ферментов, к ним относятся пищеварительные ферменты, входящие в состав лизосом и других органоидов, где они способствуют распаду более крупных биомолекул на простые

Реакции гидролиза, при которых из субстрата образуются два продукта.

Лиазы. 230 ферментов, участвующих в регуляциях синтеза и распада промежуточных продуктов обмена

Ферменты, катализируемые реакции разрыва связей, в субстрате без присоединения воды или окисления.

Изомеразы. 80 ферментов

Ферменты, катализирующие превращения в пределах одной молекулы, они вызывают внутримолекулярные перестройки.

Лигазы (синтетазы) (около 80 ферментов)

Катализируемое соединение 2-х молекул с использованием энергии фосфатной связи, сопряжено с распадом АТФ.

Свойства ферментов

Рассмотрим действие ферментов как биокатализаторов на примере реакции, знакомой всем владельцам кошек. Речь идет о разложении мочевины, содержащейся в кошачьей моче, на диоксид углерода и аммиак. (Именно аммиаком пахнет кошачий ящик с песком, если песок в нем долго не менять.) Эта реакция катализируется ферментом уреазой . В присутствии уреазы скорость реакции превосходит нормальную во много триллионов раз:

• Одна молекула уреазы за 1 секунду расщепляет до 30 000 молекул мочевины. Не будь катализатора, на расщепление потребовалось бы примерно 30 млн лет. Ферментам свойственна высокая активность, но она меняется в зависимости от рН (концентрации ионов водорода), температуры, давления. Специфичность ферментов состоит в том, что каждый из них действует только на одну реакцию (например, уреаза расщепляет только мочевину). Фермент обладает способностью различать среди множества молекул именно те, которые должны вступать в реакцию, – эти молекулы называют субстратом (S). В контакт с субстратом вступает лишь очень небольшая часть молекулы фермента (3–5 аминокислотных остатков). Эта часть – активный центр фермента (рис. 1).

Рис. 1. Захват молекулы субстрата активным центром фермента (показан пронумерованными кружками)

Свойства ферментов

• Не расходуются в процессе катализа
• Избирательное действие на вещества – специфичны
• Высокая каталитическая активность
• Проявляют активность при определенных условиях среды

Механизм действия ферментов

Взаимодействие субстрата (S) c ферментом впервые изучил немецкий ученый Эмиль Фишер. Он высказал гипотезу (1880), согласно которой субстрат подходит к активному центру фермента как «ключ к замку» (рис)

Фермент соединяется с субстратом с образованием короткоживущего фермент-субстратного комплекса. Однако, хотя эта модель объясняет высокую специфичность ферментов, она не объясняет явления стабилизации переходного состояния, которое наблюдается на практике.

Модель индуцированного соответствия

В 1958 г. Дениел Кошланд предложил модификацию модели «ключ-замок»

Ферменты, в основном, — не жесткие, а гибкие молекулы. Активный центр фермента может изменить конформацию после связывания субстрата. Боковые группы аминокислот активного центра принимают такое положение, которое позволяет ферменту выполнить свою каталитическую функцию. В некоторых случаях молекула субстрата также меняет конформацию после связывания в активном центре. В отличие от модели «ключ-замок», модель индуцированного соответствия объясняет не только специфичность ферментов, но и стабилизацию переходного состояния. Эта модель получила название «рука-перчатка»

Применение ферментов

Ферменты получили широкое применение в легкой, пищевой и химической промышленности, а также в медицинской практике

• В пищевой промышленности ферменты используют при приготовлении безалкогольных напитков, сыров, консервов, колбас, копченостей В животноводстве ферменты используют при приготовлении кормов Ферменты используют при изготовлении фотоматериалов Ферменты используют при обработке овса и конопли Ферменты используют для смягчения кожи в кожевенной промышленности Ферменты входят в состав стиральных порошков, зубных паст В медицине ферменты имеют диагностическое значение – определение отдельных ферментов в клетке помогает распознаванию природы заболевания (например вирусный гепатит – по активности фермента в плазме крови) их используют для замещения недостающего фермента в организме
• В пищевой промышленности ферменты используют при приготовлении безалкогольных напитков, сыров, консервов, колбас, копченостей
• В животноводстве ферменты используют при приготовлении кормов
• Ферменты используют при изготовлении фотоматериалов
• Ферменты используют при обработке овса и конопли
• Ферменты используют для смягчения кожи в кожевенной промышленности
• Ферменты входят в состав стиральных порошков, зубных паст
• В медицине ферменты имеют диагностическое значение – определение отдельных ферментов в клетке помогает распознаванию природы заболевания (например вирусный гепатит – по активности фермента в плазме крови) их используют для замещения недостающего фермента в организме

Тест «Ферменты»

1. Что такое фермент:

• А) вещества, замедляющие скорость протекания химических реакций
• Б) вещества, увеличивающие скорость протекания химических реакций
• В) питательные вещества клетки

2. Почему при низких температурах ферменты теряют свою активность:

• А) в клетке накапливаются ядовитые вещества
• Б) изменяется пространственная структура молекул
• В) уменьшается содержание ферментов в клетке

3. К какой группе веществ относится липаза, ускоряющая реакцию расщепления жиров:

• А) к ферментам
• Б) к аминокислотам
• В) к гормонам

4. Почему под влиянием высоких температур ферменты теряют свою активность:

• А) изменяется активность субстрата
• Б) изменяется пространственная структура молекул
• В) уменьшается содержание ферментов в клетке

5. Какую функцию выполняют ферменты, содержащиеся в клетках всех организмов:

• А) обеспечивают клетке строительный материал
• Б) служат энергетическим веществом клетки
• В) ускоряют химические реакции в клетке

6. Что собой представляет каталаза, увеличивающая скорость разложения пероксида водорода:

• А) гормон
• Б) полисахарид
• В) фермент

7. При какой температуре наступает оптимальная активность ферментов у животных:

• А) 40 – 50 о С
• Б) 30 – 40 о С
• В) 50 о С

8. Что происходит с ферментом при его взаимодействии с субстратом:

• А) фермент не изменяется
• Б) фермент превращается в новое вещество
• В) фермент мутирует

ОШИБКА …

ОТЛИЧНО!

Выводы

• Ферменты – это биологические катализаторы, то есть вещества, которые ускоряют биохимические реакции
• Не расходуются в процессе катализа
• Специфичны – избирательно действуют на вещества
• Высокая каталитическая активность
• Проявляют активность при определенных условиях среды