Ферменты

ФЕРМЕНТЫ – БИОЛОГИЧЕСКИЕ КАТАЛИЗАТОРЫ БЕЛКОВОЙ ПРИРОДЫ.
Термин «фермент» введен в начале 17 века Ван Гельмонтом. Синонимом слова фермент является энзим.

Fermentum – закваска
En zyme – в дрожжах

Начало XVII века – Ван Гельмонт вводит название «фермент», как вещество влияющее на спиртовое брожение
Конец XVIII – Реомюр и Спалланцани показали, что растворение мяса желудочным соком процесс химический
1814г. – К.С. Кирхгоф обнаружил способность вытяжки из солода превращать крахмал в более простые сахара
1836г. – Шванн обнаружил в желудочном соке фермент пепсин
1837г. – Берцелиус ввел термин «катализ» и сравнил ферменты с неорганическими катализаторами

конец XIX века – М.М. Манассеина и братья Бухнер доказали несостоятельность деления ферментов на «организованные» и «неорганизованные»
1913г. – Михаэлис и Ментен создали учение о кинетике ферментативных реакций
1926г. – Самнер получает в кристаллическом виде фермент уреазу
1957г. - Виланд и Пфлейдерер открыли изоферменты
1960г. - Филлипс установил при помощи рентгеноструктурного анализа трехмерную структуру лизоцима

1955г. – Мур и Стейн полностью расшифровали, а в 1969г. В лаборатории Мерифилда искусственно синтезировали фермент рибонуклеаза, состоящая из 124 а/к остатков
1989г. – С.Альтману и Т. Цеху вручена Нобелевская премия за открытие ферментативных свойств РНК (первый и пока единственный случай, когда ферментативной активностью обладала небелковая система).

Основная биологическая роль ферментов – это обеспечение протекания химических реакций в живом организме. Вместе с тем ферменты обладают рядом существенных отличий от небиологических катализаторов:

высокая скорость катализа
обладают высокой специфичностью
катализируют в мягких условиях (t=37о, рН-нейтральное, нормальное атмосферное давление)
регулируемость
скорость ферментативной реакции прямо пропорциональна количеству фермента.

Тем не менее, ферменты подчиняются общим законам катализа: т.е.:
Катализируют только энергетически возможные реакции.
Они никогда не изменяют направления реакции
Они не изменяют направления обратимой реакции, а лишь ускоряют его наступление
Не расходуются в процессе реакции

ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ФЕРМЕНТОВ И ИХ СТРОЕНИЕ
Все ферменты являются белками. Выделяют ферменты простые и сложные. Простые ферменты представлены только полипептидной цепью (т.е. состоят только из аминокислотных остатков).
Сложные ферменты – кроме белковой части имеют в своем составе вещество небелковой природы, которое называется кофермент.

Сложный фермент = Белковая часть + Небелковая
(холофермент) (апофермент) часть
(кофермент)
Если кофермент очень прочно связан с апоферментом, то он называется - простетическая группа.
В отсутствии кофермента белковая часть ферментативной активностью не обладает

До 1/3 всех ферментов нуждается в присутствии иона металла, который либо активирует фермент, либо обеспечивает его четвертичную конформацию.

СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ ФЕРМЕНТА
Любой фермент имеет в своем составе активный центр. В состав активного центра входят контактный (якорный) участок и каталитический участок.
Якорный участок обеспечивает связывание субстрата, а каталитический обеспечивает его превращение.

Активный центр (контактный + каталитический)
Каталитический
участок
«якорный»
(контактный)
участок
аллостерический центр

В состав активного центра сложного фермента входит кофермент или простетическая группа, в простом ферменте эту функцию выполняют радикалы аминокислот. Наиболее часто в состав активного центра входят радикалы гистидина, серина, аргинина, цистеина, лизина и дикарбоновых аминокислот.

Аминокислоты, образующие активный центр в простом ферменте при образовании первичной структуры полипептидной цепи не обязательно находятся рядом (могут быть на противоположных концах полипептидной цепи), но при укладке полипептидной цепи в пространстве (третичная структура) сближаются и образуют единую функциональную группу.

Пример: активный центр пищеварительной гидролазы химотрипсина образуют серин - 195, гистидин – 57, аспарагиновая кислота – 102.
Структура активного центра комплиментарна субстрату.

АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЙ ЦЕНТР
Выполняет регуляторную функцию, путем взаимодействия с аллостерическим эффектором, веществом комплиментарным по строению с аллостерическим центром. Ничего общего по химическому строению аллостерический эффектор с субстратом не имеет и регулирует активность фермента путем изменения третичной структуры всей молекулы фермента.

Эффектор присоединяется в аллостерическом центре
Изменяется конформация аллостерического центра
Изменяется конформация фермента
Изменяется конформация активного центра
Изменяется комплиментарность активного центра к субстрату
Изменяется скорость ферментативной реакции

ЭТАПЫ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА
Диффузия фермента и субстрата;
Образование фермент-субстратного комплекса за счет комплиментарности активного центра фермента и субстрата;
Образование активированного фермент-субстратного комплекса за счет перераспределения электронной плотности в химических связях субстрата;

4. Образование новых химических связей в молекулах, превращаемых под действием фермента и появление комплекса фермент + продукт;
5. Выход продукта реакции в окружающую среду.

E + S ES ES* EP E+P

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ
В основе действия любого фермента лежит снижение энергии активации. Данный эффект может быть достигнут следующими путями:
1. Ориентация реагентов. Заключается в ориентации реакционных центров реагирующих молекул, что значительно снижает энергию активации.

2. Деформация субстрата. Заключается в принудительном увеличении межатомных связей субстрата, что позволяет легче их атаковать реагентом.
3. Кислотно-основной катализ. Заключается в перераспределении электронной плотности в молекуле субстрата, за счет функциональных групп входящих в состав активного центра фермента, что способствует образованию новых химических связей.

4. Ковалентный катализ. Заключается в образовании с каталитическими группами фермента промежуточных веществ, которые затем легко распадаются с освобождением продуктов реакции.

СПЕЦИФИЧНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ
В зависимости от степени сродства фермента к субстрату выделяют следующие виды специфичности:
1. Стереохимическая специфичность – фермент может работать только с одним из стереоизомеров субстрата. Пример: фумаратгидратаза работает только с фумаровой кислотой, но не с малеиновой.

2. Абсолютная субстратная специфичность. Фермент катализирует превращение только одного субстрата. Пример: уреаза катализирует превращение только мочевины.
3. Абсолютная групповая специфичность – фермент катализирует превращение сходной группы субстратов. Пример: алкогольдегидрогеназа обеспечивает дегидрирование не только этанола, но и других алифатических спиртов.

4. Относительная групповая специфичность. Для фермента первостепенное значение имеет характер химической связи в субстрате. Пример: протеазы действуют на пептидную связь.
5. Относительная субстратная специфичность. Фермент работает с субстратами разных химических групп. Пример один – цитохром Р450. Единственное требование к субстрату, чтобы он был неполярный.

ТЕОРИИ ОБЪЯСНЯЮШИЕ СПЕЦИФИЧНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ
Теория Фишера – «ключ-замок». Активный центр фермента жесткая структура. Субстрат подходит к активному центру как ключ к замку. Имеет историческое значение.
Теория Кошленда – «перчатка-рука», «теория вынужденного соответствия». Активный центр фермента структура пластичная, при взаимодействии с субстратом принимает его форму, но в пределах определенных границ. Данная теория является общепринятой.

КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ
1. Зависимость скорости ферментативной реакции от pH. График имеет колоколообразный характер, с оптимумом pH чаще всего равным 7. Однако не все ферменты имеют pH в нейтральной среде. Например пепсин,работающий в составе желудочного сока имеет оптимум pH 1,5.

Зависимость V (скорости) от рН среды
V
0 7 pH

2. Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры. График имеет колоколообразный характер. При увеличении t в соответствии с законами катализа скорость увеличивается (в 2 раза на каждые 10°С или 20% на 1°С), что имеет значение при метаболизме в лихорадочном состоянии (расценивается клиницистами как положительное явление).

Однако при дальнейшем увеличении температуры происходит денатурация ферментов и резкое падение скорости реакции, поэтому температуру тела выше 40 °С следует сбивать.

Зависимость V от t (температуры)
V
40○ t○

Не все ферменты имеют оптимум при 40 °С. Например каталаза имеет оптимум при 0°С.
3. Зависимость скорости ферментативной реакции от количества фермента. Зависимость линейная, чем больше фермента, тем выше скорость.

Зависимость V от количества фермента
V
0 кол-во Е

4. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата. Графическое изображение данной зависимости носит название «кривой Михаэлиса» - при увеличении количества субстрата скорость реакции увеличивается до определенных пределов. В дальнейшем увеличения скорости не происходит, график имеет платообразный характер.

Зависимость V ферментативной реакции от
концентрации S (субстрата)
V
Кm – константа Михаэлиса
Кm S

Достижение максимальной скорости реакции зависит от сродства фермента к субстрату. Для того, чтобы численно отобразить степень сродства введено понятие константа Михаэлиса.

Константа Михаэлиса – это такое количество субстрата, при котором достигается половина максимальной скорости реакции.
Т.о., чем больше сродство фермента к субстрату, тем быстрее достигается максимальная скорость реакции, тем меньше константа Михаэлиса и наоборот.

Классификация ферментов
Оксидоредуктазы – обеспечивают перенос электронов и протонов. Участие в окислительно – восстановительных реакциях.
Трансферазы – участвуют в переносе функциональных групп.
Гидролазы – разрыв связи с присоединением воды.
Лиазы – разрыв связи без присоединения воды.
Изомеразы – внутримолекулярный перенос.
Лигазы – присоединение с затратой энергии.

ХАРАКТЕРИСТИКА КЛАССОВ ФЕРМЕНТОВ
I класс. Оксидоредуктазы катализируют окисление-дегидрирование в аэробных и анаэробных условиях.
Редуктазы – анаэробные
Оксидазы – аэробные
Всего класс насчитывает 480 ферментов, которые подразделяются на 17 подклассов. Пример: лактатдегидрогеназа (ЛДГ)

Коферменты оксидоредуктаз (1)
Никотинамидные (НАД, НАДФ)
Флавиновые (ФМН, ФАД)
Металлопорфириновые (гемы a, b, c, d)
Хинонкоферменты (убихинон)
Пептидные (глутатион)
Липоевая кислота

II класс. Трансферазы – перенос атомных групп и молекулярных остатков. Подразделяется на 8 подклассов.

Группы:
амино-, альдегидная,
сульфо–, кетонные остатки,
глюко–, фосфо–,
одноуглеродые фрагменты (CH3-, СН2-)
Пример: гексокиназа.
D – глю + АТФ D – глю – 6 – фосфат + АДФ
гексокиназа

Коферменты трансфераз (2)
Пиридоксиновые (ПАЛФ, ПАМФ)
Пантотеновые (КоА, дефосфо – КоА, 4 - фосфопантотенат)
Нуклеотидные (УДФ – глюкоза, ЦДФ - холин)
Фолиевые (ТГФК)
Кобамидные (метилкобаламин)

III класс. Гидролазы – ферменты, которые осуществляют разрыв химической связи с присоединением молекулы воды. В основном представлены ферментами ЖКТ и лизосом. Коферментов нет. Некоторые имеют ион металла в качестве активатора. В зависимости от характера гидролизуемой связи выделяют эстеразы, гликозидазы, пептидазы. Всего класс объединяет 460 ферментов, составляющих 11 подклассов.
Пример: амилаза, липаза, пепсин.

IV класс. Лиазы – осуществляют негидролитические и неокислительные реакции распада и обратные им реакции синтеза (синтазы). Класс насчитывает 230 ферментов, разделенных на 7 подклассов. Примеры: альдолаза, цитратсинтаза.

Коферменты лиаз (4)
Пиридоксиновые (ПАЛФ)
Пантотеновые (КоА, дефосфо - КоА)
Тиаминовые (ТДФ)
Кобамидные (дезоксиаденозилкобаламин)

V класс. Изомеразы – осуществляют внутримолекулярные превращения, изменения пространственного положения, перенос Н, перемещение двойных связей. Класс насчитывает 80 ферментов, которые подразделяются на 6 подклассов.

Коферменты изомераз (5)
Пиридоксиновые (ПАЛФ)
Кобамидные (дезоксиаденозилкобаламин)
Фосфаты моносахаридов (глюкозо – 1, 6 – дифосфат, 2, 3 - дифосфоглицерат)
Пептидные (глутатион)
Никотинамидные (НАД)

VI класс. Лигазы – ферменты наращивания (синтетазы) осуществляют реакции синтеза с затратой энергии АТФ или других макроэргических источников (ГТФ, ЦТФ). Всего известно около 80 лигаз, подразделяются на 5 подклассов.

Коферменты лигаз (6)
Нуклеотидные (УДФ – глюкоза, ЦДФ – холин и др.)
Биотиновые (карбоксибиотин)
Фолиевые (5, 10 – метенил ТГФК)

НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ
Для ряда давно известных ферментов оставлены тривиальные названия: пепсин, трипсин, амилаза.
Кроме того все ферменты имеют рабочее и систематическое название.

Рабочее название:
Лактат + дегидрогенизация + аза
лактатдегидрогеназа
Систематическое название:
L – лактат: НАД+ - оксидоредуктаза
субстрат I субстрат II тип химического
превращения
1. – номер класса
1. – номер подкласса
1.1.1.27 1. – номер под – подкласса
27 – порядковый номер в под - подклассе