Ферменты

Общие свойства ферментов и неорганических катализаторов:
Катализируют только термодинамически возможные реакции.
Не расходуются в процессе реакции.
Не меняют положение равновесия обратимых реакций, способствуют достижению положения равновесия.
Снижают энергию активации.

Отличия ферментов от неорганических катализаторов

П Р О С Т Ы Е
Белковая часть-
АПОФЕРМЕНТ
С Л О Ж Н Ы Е
состоят только из аминокислот
в состав фермента входит добавочная группа небелковой природы
Виды ферментов
Небелковая часть-
КОФАКТОР
органический или неорганический

Непрочно связаны с апоферментом
Прочно (ковалентно) связаны с апоферментом
Виды кофакторов
делятся по прочности связи с апоферментом
КОФАКТОРЫ

Активный центр фермента
Активный центр – это участок фермента, в котором происходит специфическое связывание субстрата и его превращение в продукт;
У простых ферментов активный центр состоит из аминокислот;
У сложных ферментов, кроме аминокислот, в состав активного центра входит кофактор.

Механизм действия ферментов

Факторы, влияющие на каталитическую эффективность ферментов
Сближение и ориентация реакционного центра субстрата под каталитическую группу фермента.

Факторы, влияющие на каталитическую эффективность ферментов
Напряжение и деформация, как субстрата, так и фермента, приводящие к увеличению энергии фермент-субстратного комплекса, что делает невыгодным его существование.
Кислотно-основный катализ.
Ковалентный катализ.

Зависимость активности фермента от температуры

Зависимость активности фермента
от рН среды

Зависимость скорости реакции (V) от концентрации субстрата (S)

Зависимость скорости реакции V от концентрации фермента E
При насыщающих концентрациях субстрата зависимость прямая
V
Е

Определение активности фермента
Активность ферментов определяют:
по скорости убывания субстрата
по скорости накопления продукта

1 катал (кат) соответствует такому количеству фермента, которое превращает 1 моль субстрата в 1 с.
1 кат = 6 х 107 МЕ
Определение активности фермента
Единица активности любого фермента (МЕ)
такое его количество, которое катализирует превращение 1 мкмоль вещества в 1 минуту.
=

Изоферменты - это разновидности ферментов, катализирующие одну реакцию, но отличающиеся по своему составу и физико-химическим свойствам.
Изоферменты имеются у ферментов с четвертичной структурой.
ИЗОФЕРМЕНТЫ

Изоферменты различаются
1. По кинетическим параметрам (Vмакс и
Км).
2. Тканевой локализации.
3. Электрофоретической подвижности.
4. Чувствительности к регуляторам и т.д.
Определение в сыворотке крови активности определенных изоферментов используется для диагностики.

Аллостерический механизм регуляции
Регулятор действует на аллостерический центр.
Аллостерический центр – это участок фермента, пространственно не совпадающий с активным центром. Присоединение регулятора к аллостерическому центру приводит к изменению конформации фермента, а, следовательно, и активного центра.
Аллостерическими регуляторами являются метаболиты, макроэрги, коферменты, катионы металлов, цАМФ, субстраты.

Изменение химической структуры фермента путем присоединения или отщепления за счет ковалентных связей каких-либо химических групп в любом месте фермента.
Химическое изменение фермента вызывает изменение конформации, а, следовательно, активности.
Химическая или ковалентная модификация

Химическая или ковалентная модификация
Может осуществляться путем:
- фосфорилирования - дефосфорилирования;
- метилирования - деметилирования;
- аденилирования – деаденилирования.

Это процесс отщепления какой-либо части фермента в виде олиго- или полипептида. В результате формируется активный центр.
Ограниченный протеолиз

цАМФ
цАМФ
Неактивная протеинкиназа
Аллостерические центры
Взаимодействие «белок-белок»
(на примере протеинкиназы)
Активная протеинкиназа
R R
цАМФ
цАМФ

Ингибиторы не имеют физиологического значения (являются ферментными ядами)
ИНГИБИРОВАНИЕ
1. Ингибитор похож на субстрат по форме
2. Конкурирует с субстратом за активный центр
1. Не является структурным аналогом субстрата
2. Не присоединяется к активному центру
3. Действует на аллостерический центр или как химический модификатор

Сопряжение ферментов:
1) содружественное (Е1, Е2,,Е3 и Е1, Е2,Е4);
2) конкурентное (Е3 и Е4)
Регуляция ферментативных цепей

Ключевыми ферментами являются:
а) фермент, стоящий в начале цепи;
б) лимитирующий фермент (имеет наименьшую скорость в цепи);
в) ферменты, стоящие на развилке цепи.

1. Оксидоредуктазы – катализируют окислительно-
восстановительные реакции.
2. Трансферазы – катализируют реакции переноса химических групп.
3. Гидролазы – катализируют расщепление связей с
присоединением воды по месту разрыва.
4. Лиазы – катализируют расщепление связей без помощи воды с образованием или расщеплением двойных связей.
5. Изомеразы – катализируют изомерные превращения.
6. Лигазы – катализируют реакции синтеза с затратой
энергии.
Классификация ферментов

Значение ферментов в медицине
Энзимо-патология
Энзимо-диагностика
Изучает значение нарушений активности ферментов в развитии заболеваний.
1. Определение ферментов в сыворотке крови и моче
2. Использование ферментов для определения концентрации глюкозы, холестерина, мочевины и др.

Энзимотерапия.
Использование ферментов в качестве лекарств:
при нарушении пищеварения (фестал, энзистал, креон, мезим-форте и другие);
для очистки гнойных ран (трипсин, химотрипсин);
для лечения вирусных заболеваний (рибонуклеаза, дезоксирибонуклеаза для лечения аденовирусных конъюнктивитов, герпетических кератитов);
для лечения тромбозов и тромбоэмболий
(фибринолизин, стрептолиаза, стрептодеказа,
урокиназа);
для рассасывания контрактур рубцов после операций и ожогов.

Энзимодиагностика
1. Применение ферментов для определения различных веществ в биологических жидкостях.
- глюкозооксидазу используют для определения глюкозы в крови и моче;
- уреазу - для определения мочевины в крови и моче;
- различные дегидрогеназы - для определения соответствующих субстратов (пирувата, лактата, этанола и других).

Энзимодиагностика
2. Определение активности ферментов в биологических жидкостях

Общие сведения
Окисление - это отщепление от вещества электронов; восстановление - это присоединение электронов.
Метаболизм - это обмен веществ. Он имеет две стороны: катаболизм и анаболизм.
Катаболизм - это расщепление сложных органических веществ до более простых.
Анаболизм - это синтез сложных веществ из простых веществ с использованием энергии.
Биологическое окисление – это все окислительно-восстановительные реакции, происходящие в организме.

Способы передачи электронов
Fe2+ + Cu2+ → Fe3+ + Cu+
Прямой перенос электронов:
Перенос электронов в составе гидридиона
(НАД+ - и НАДФ+ - зависимые дегидрогеназы)
Перенос электронов в составе атомов водорода:
SН2 + В → S + ВН2 (флавинзависимые дегидрогеназы)
Перенос путем прямого взаимодействия органического восстановителя с кислородом, приводящий к образованию продукта, в котором содержится ковалентно связанный кислород: R-СН3 + ½ О2 → R-СН2ОН

Отличия биологического окисления от окисления в неживой природе
Процесс передачи водорода на кислород происходит поэтапно, через промежуточные акцепторы.
Большая часть энергии запасается в виде АТФ (энергии химических связей).
Все реакции протекают в мягких условиях и катализируются ферментами.
Активность ферментов регулируется.

Этапы катаболизма (схема)
Цикл
Кребса
Дыхательная цепь
Жирные кислоты
Жиры
Полисахариды
Белки
Моносахариды
Аминокислоты
Глицерин
Пируват
Оксалоацетат
2оксоглутарат
HS-KoA
Ацетил-KoA
АТФ
АТФ
СО2
Н2
Н2О

Окислительное декарбоксилирование пирувата
НS--КоА
НАД+
НАДН + Н+
Пируватдегидрогеназа
+
Ацетил-КоА
Пируват

Цикл Кребса
(цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты)

Ацетил-КоА
ФАДН2
Оксалоацетат
Малат
Цитрат
Изоцитрат
α-Кетоглутарат
Сукцинил-КоА
Сукцинат
Фумарат
НАДН + Н+
АТФ
НАДН + Н+
НАДН + Н+
СО2
СО2
2СО2 + 3НАДН + 3Н+ + ФАДН2 + АТФ
Цикл Кребса

Регуляция цикла Кребса

Регуляция цикла Кребса
Регуляция гормонами
Активируют цикл Кребса: инсулин, катехоламины, глюкагон, йодтиронины.

Значение цикла Кребса
1. Катаболическое и энергетическое
Общий заключительный этап распада всех классов органических соединений
Образование АТФ (субстратное фосфорилирование)
Главный поставщик протонов для дыхательной цепи
2. Анаболическое или биосинтетическое

Значение цикла Кребса
3. Регуляторное (метаболиты - цитрат и АТФ - регуляторы других процессов: активируют синтез жирных кислот и ингибируют гликолиз).

Дыхательная цепь
Дыхательная цепь (цепь переноса электронов) - это цепь сопряженных окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых водород, отщепленный от субстратов, переносится на кислород с образованием воды и выделением энергии.
Назначение дыхательной цепи - генерирование энергии.

Схема дыхательной цепи

Организация компонентов дыхательной цепи митохондрий
2ẽ
1/2О2
2ẽ
Н2О
АТФ
2Н+
2Н+
2Н+
2Н+
2Н+
АТФ-
синтетаза
Фосфорилирование
МАТРИКС
Внутренняя мембрана
митохондрий

Ферментные комплексы дыхательной цепи

Пункты сопряжения окисления и фосфорилирования
Синтез АТФ, сопряженный с переносом электронов по дыхательной цепи, называется окислительным фосфорилированием.
Участки дыхательной цепи, где есть такой синтез, называют пунктами сопряжения окисления с фосфорилированием.

Пункты сопряжения окисления и фосфорилирования
1. между НАДН и КоQ,
2. на участке цитохромов b - c1,
на участке цитохромов a - a3.
Таким образом, окисление 1 молекулы НАДН приводит к синтезу 3 молекул АТФ, окисление 1 молекулы ФАДН2 - к образованию 2 молекул АТФ.

Сопряжение и разобщение в дыхательной цепи
Сопряжение в дыхательной цепи - это такое состояние, когда окисление (перенос электронов) сопровождается фосфорилированием, то есть синтезом АТФ.
Разобщение - это такое состояние дыхательной цепи, когда окисление идет, а фосфорилирование не происходит. В этом случае вся или какая-то часть образующейся энергии выделяется в виде тепла.

Сопряжение и разобщение в дыхательной цепи
Разобщители:
2,4-динитрофенол
яды промышленного производства
токсины
ионофоры
жирные кислоты (естественные разобщители)
набухание митохондрий
Разобщители повышают скорость переноса электронов по дыхательной цепи и выводят ее из под контроля АТФ.

Регуляция дыхательной цепи
АДФ стимулирует работу дыхательной цепи. Это явление называется дыхательным контролем.
АТФ тормозит работу дыхательной цепи и потребление кислорода.
Адреналин и глюкагон активируют работу дыхательной цепи.

Блокаторы дыхательной цепи
Ротенон блокирует дыхательную цепь на участке НАДН – КоQ.
Амитал, антимицин - на участке между цитохромами b и c1.
Цианиды, сероводород и окись углерода блокируют цитохромоксидазу, при этом вся дыхательная цепь не работает.

Нефосфорилирующее
(свободное) окисление
Это окисление без образования АТФ.
Ферменты свободного окисления:
- оксидазы,
- оксигеназы,
- некоторые дегидрогеназы.

Значение свободного окисления:
терморегуляция;
образование биологически важных соединений (катехоламинов, стероидных гормонов, коллагена, активного витамина Д и т.д);
обезвреживание ксенобиотиков (ядов, токсинов, лекарств, веществ бытовой химии).

Тканевые и возрастные особенности окислительных процессов
Анаэробные ткани получают энергию без кислорода. Анаэробные ткани:
Скелетные мышцы, эритроциты, периферические нервы, мозговое вещество почек, кость, хрящ, соединительная ткань.