Ферментативный катализ

Ферменты или энзимы - особые белки, выполняющие функцию катализаторов химических реакций;
Практически все химические реакции в организме протекают с огромными скоростями благодаря участию ферментов.

Строение ферментов

Участок молекулы фермента, на котором происходит катализ, получил название «активный центр»;
Если фермент по строению является простым белком, то его активный центр формируется только остатками аминокислот;
У ферментов - сложных белков в состав активного центра часто входит их простетическая группа.

Адсорбционный участок (центр связывания, субстратный центр) по своему строению соответствует структуре реагирующих соединений, и поэтому к нему легко присоединяются молекулы субстрата;
Каталитический участок активного центра непосредственно осуществляет ферментативную реакцию;
Большинство ферментов содержат в своей молекуле только один активный центр.

Ферментативный катализ обычно протекает в три стадии
В 1894 г Эмиль Фишер выдвинул теорию о сторогом соответствии активного центра фермента строению субстрата

I стадия – образование фермент-субстратного комплекса
На этой стадии молекулы реагирующих веществ (субстрата) присоединяются к адсорбционному участку активного центра фермента за счет слабых связей, что приводит к возникновению благоприятной пространственной ориентации реагирующих молекул;
Эта стадия ферментативного катализа полностью обратима, так как фермент-субстратный комплекс может легко распадаться снова на фермент и субстрат:
Е + S ES

II стадия – химическое преобразование фермент-субстратного комплекса
На второй стадии с участием каталитического участка активного центра и молекул субстрата происходят различные реакции, имеющие низкую величину энергии активации и поэтому протекающие с высокой скоростью;
В результате этих реакций в конечном итоге образуется либо продукт реакции, или же почти готовый продукт, связанный с активным центром:
ЕS ES’
Химически преобразованный
фермент-субстратный комплекс

III стадия - образование конечного продукта
На третьей стадии происходит отделение продукта реакции от активного центра с образованием свободного фермента, способного присоединять к себе новые молекулы субстрата;
Если на второй стадии был получен почти готовый продукт, то он предварительно превращается в продукт, который затем отделяется от фермента:
ES’ E + P

Общая схема ферментативного катализа

Специфичность ферментов
Различают два вида специфичности ферментов:
специфичность действия или каталитическая специфичность и
субстратная специфичность;
Специфичность действия – это способность фермента катализировать только строго определенный тип химической реакции
Если субстрат может вступать в разные реакции, то для каждой реакции нужен свой фермент.

Каталитическая специфичность определяется в основном особенностями строения каталитического участка активного центра фермента.

Субстратная специфичность – способность фермента действовать только на определенные субстраты;
Различают две разновидности субстратной специфичности: абсолютную и относительную.

Фермент, обладающий абсолютной субстратной специфичностью, катализирует превращения только одного субстрата;
На другие вещества, даже очень близкие по строению к этому субстрату, фермент не действует;
Примером фермента с абсолютной субстратной специфичностью является аргиназа – фермент, отщепляющий от аминокислоты аргинина мочевину;
Аргинин – единственный субстрат аргиназы.

Относительная (групповая) субстратная специфичность – это способность фермента катализировать превращения нескольких похожих по строению веществ;
Обычно эти вещества обладают одним и тем же типом химической связи и одинаковой структурой одной из химических группировок, соединенных этой связью;
Субстратная специфичность обусловлена, главным образом, структурой адсорбционного участка активного центра фермента.

Кинетика ферментативного катализа
Скорость ферментативных реакций существенно зависит от многих факторов;
К ним относятся концентрации участников ферментативного катализа (фермента и субстрата) и условия среды, в которой протекает ферментативная реакция (температура, рН, присутствие ингибиторов и активаторов).

Зависимость скорости ферментативной
реакции от концентрации фермента

Зависимость скорости ферментативной
реакции от температуры

Зависимость скорости ферментативной
реакции от рН
1 – пепсин
2 – амилаза
3 – щелочная фосфатаза

Ингибиторы и активаторы
ферментов
Ингибиторы (I) - это химические соединения (обычно низкомолекулярные), которые, находясь в низких концентрациях, избирательно тормозят определенные ферментативные реакции;
При этом ингибитор всегда присоединяется к ферменту с образованием фермент-ингибиторного комплекса;
Фермент, связанный с ингибитором, теряет свою каталитическую активность.

Если связи между ферментом и ингибитором прочные, то действие ингибитора носит необратимый характер, и торможение нарастает во времени вплоть до полного прекращения ферментативной реакции:
E + I EI
Такие ингибиторы называются необратимыми.

Если ингибитор присоединяется к ферменту за счет непрочных связей, то торможение фермента является обратимым и не зависит от времени:
E + I EI
Ингибиторы такого типа называются обратимыми.

Обратимые ингибиторы
конкурентные неконкурентные

Конкурентные ингибиторы присоединяются к активному центру фермента, т.е. к тому же участку поверхности фермента, что и субстрат;
Поэтому между ингибитором и субстратом идет конкуренция за присоединение к активному центру;
Занимая активный центр, ингибитор тем самым препятствует образованию фермент-субстратного комплекса - первой стадии ферментативного катализа;
Конкурентные ингибиторы обычно по строению похожи на субстрат.

Неконкурентные ингибиторы присоединяются к ферменту в аллостерическом центре
Присоединение неконкурентного ингибитора к аллостерическому центру вызывает неблагоприятное изменение пространственной структуры (конформации) всей молекулы фермента, в т.ч. и активного центра;
В результате каталитические свойства фермента снижаются.

Активаторы - вещества, избирательно повышающие скорость определенных ферментативных реакций;
Активаторы, подобно неконкурентным ингибиторам, присоединяются обратимо к аллостерическому центру фермента;
В этом случае изменение конформации фермента является благоприятным для функционирования активного центра, что приводит в итоге к повышению скорости ферментативной реакции;

Эффекторами ферментативной активности являются некоторые гормоны, промежуточные или конечные продукты путей метаболизма, ионы металлов, АТФ, АДФ, АМФ, лекарственные препараты и т.п.
Одни и те же соединения для одних ферментов могут выполнять роль активаторов, а для других ингибиторов
Для каждого фермента существуют свои активаторы и ингибиторы

Регуляция скорости ферментативных реакций
Особенностью ферментативных реакций является наличие механизмов регуляции их скорости;
Благодаря регуляторным механизмам ферментативные реакции протекают со скоростями, соответствующими потребностям организма.

Основные механизмы регуляции скорости ферментативных реакций
Изменение скорости синтеза ферментов;
Модификация ферментов;
Изменение конформации ферментов;

Классификация и индексация ферментов
Современная классификация ферментов основывается на характере химической реакции, катализируемой ферментом;
Все ферменты делятся на шесть классов в зависимости от типа катализируемой реакции.

Современные классификация и номенклатура ферментов были разработаны Комиссией по ферментам Международного биохимического союза. И утверждены на V Международном биохимическом конгрессе в 1961 г. в Москве.
• В соответствии с этой классификацией все ферменты делятся:
– на 6 классов – по типу катализируемой реакции;
– каждый класс подразделяется на подклассы – по природе атакуемой химической группы;
– подклассы делятся на подподклассы – по характеру атакуемой связи или по природе акцептора.
В настоящее время классификация ферментов периодически обновляется Комиссией по ферментам (англ. Enzyme commission, отсюда термин «EC number», принятый в англоязычной литературе) при Международном союзе
биохимии и молекулярной биологии.
Каждый шифр КФ ассоциирован также с рекомендованным названием соответствующего фермента.

Транслоказы (EC 7.X.X.X).
В августе 2018 г. учеными Университета Маккуори (Macquarie University, Австралия) был предложен 7-й класс ферментов – Транслоказы, объединивший мембранные ферменты, функцией которых являлся перенос ионов.
Предлагаемые подклассы
EC 7.1 — ферменты, катализирующие транслокации (переносы) протонов (ионов водорода)
EC 7.2 — ферменты, катализирующие транслокации неорганических катионов и их хелатов
EC 7.3 — ферменты, катализирующие транслокации неорганических анионов
EC 7.4 — ферменты, катализирующие транслокации аминокислот и пептидов
EC 7.5 — ферменты, катализирующие транслокации углеводов и их производных
EC 7.6 — ферменты, катализирующие транслокации других соединений

В настоящее время разрабатывается номенклатура для каждого фермента транслоказы.
• Номенклатурные номера ферментов АТФ-аз скоро изменятся c [КФ 3.6.1.3], на [КФ 7.2.2.x].
• В 7-й класс ферментов не были включены транспортёры ионов, работающие по принципу обмена и не зависящие от реакций, катализируемых ферментами.
• Точный список и положение ферментов в 7-м классе будет опубликован на сайте :
http://www.enzyme-database.org/news.php

Индексация (нумерация) ферментов
Индекс (шифр) каждого фермента состоит из четырех чисел, разделенных точками;
Первая цифра индекса указывает к какому из шести классов принадлежит данный фермент;
Второе и третье числа индекса обозначают соответственно порядковые номера подклассов и подподклассов;
Четвертое число индекса – порядковый номер индивидуального фермента внутри своего подподкласса.
EC (международная) 1.1.1.27
КФ (русскоязычная) 1.1.1.27 лактатдегидрогеназа

NB! ИЗОФЕРМЕНТЫ КОДИРУЮТСЯ РАЗНЫМИ ГЕНАМИ

Тест 1
Ферменты в организме выполняют функцию:
а) каталитическую б) структурную
в) транспортную
г) энергетическую

Тест 2
Ферменты проявляют оптимальную активность при температуре:
а) 0-10 ̊̊̊С
б) 35-40 ̊̊̊С
в) 55-75 ̊̊̊С
г) 90-100 ̊̊̊С

Тест 3
Первой стадией ферментативного катализа является:
а) возвращение фермента в исходное состояние
б) образование фермент-субстратного комплекса
в) освобождение продукта реакции
г) химическое преобразование фермент-субстратного комплекса

Тест 4
Ферменты обладают наибольшей активностью:
а) в кислой среде б) в нейтральной среде
в) в щелочной среде
г) при строго определенном для каждого фермента значении рН

Тест 5
Скорость ферментативной реакции зависит от:
а) аминокислотного состава фермента
б) концентрации фермента
в) молекулярной массы фермента
г) молекулярной массы субстрата

Тест 6
Конкурентные ингибиторы снижают скорость ферментативных реакций вследствие:
а) присоединения к активному центру фермента
б) присоединения к аллостерическому центру фермента
в) увеличения количества фермента
г) уменьшения количества фермента

Тест 7
Неконкурентные ингибиторы снижают скорость ферментативных реакций
вследствие:
а) изменения конформации фермента
б) изменения химического состава фермента
в) увеличения количества фермента
г) уменьшения количества фермента

Тест 8
В состав коферментов входят:
а) α-аминокислоты
б) витамины
в) гормоны
г) жирные кислоты

Тест 9
Название класса ферментов указывает на:
а) конформацию фермента
б) молекулярную массу фермента
в) тип кофермента
г) тип химической реакции

Тест 10
Ферменты, катализирующие реакции расщепления с участием воды, относятся к классу: а) гидролаз б) изомераз
в) оксидоредуктаз
г) трансфераз

Тест 11
Ферменты, катализирующие реакции внутримолекулярного переноса, относятся к классу:
а) гидролаз б) изомераз
в) оксидоредуктаз
г) трансфераз

Тест 12
Ферменты, катализирующие реакции межмолекулярного переноса, относятся к классу:
а) гидролаз б) изомераз
в) оксидоредуктаз
г) трансфераз

Тест 13
Ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, относятся к классу:
а) гидролаз б) изомераз
в) оксидоредуктаз
г) трансфераз

Тест 14
Каждый фермент имеет индекс:
а) двухзначный б) трехзначный
в) четырехзначный
г) пятизначный

Тест 15
Фермент с индексом 1.1.1.27 относится к классу:
а) гидролаз б) изомераз
в) оксидоредуктаз
г) трансфераз

Тест 16
Фермент с индексом 3.1.1.7 относится к классу:
а) гидролаз б) изомераз
в) оксидоредуктаз
г) трансфераз

Тест 17
Фермент лактатдегидрогеназа имеет индекс:
а) 1.1.1.1
б) 2.1.1.10 в) 3.1.1.3
г) 5.4.1.1