Ферменты как биокатализаторы клеток

Открыты ферменты были в 1814 году Кирхгофом.
В 1833 году это вещество было выделено из солода (Пайон и Персо) и назвали его диастазой.

В 1897 году Бухнер установил, что дрожжевой экстракт, не содержащий клеток, способен катализировать процесс спиртового брожения.
В 1926 году Самнер впервые получил фермент уреазу сразу в кристаллическом виде.

Сущность действия ферментов заключается в том, что они снижают энергию активации различных реакций. Так, для разложения сахарозы без катализатора требуется 32000 кал на моль, с неограниченным катализатором 25000 кал, а с участием фермента сахарозы 9000 кал.

Все ферменты делятся на 2 класса:
1. Однокомпонентные - состоящие только из белка.
2. Двухкомпонентные - состоящие из белка и связанной с белком небелковой части.

Теория двухкомпонентной природы ферментов была основана Вильштеттером.
Активная простетическая группа названа агон, а белковый носитель- ферон или иначе апофермент.
Активная простетическая группа может быть представлена металлами: Zn, Fe, Cu, Mo, могут быть витамины В1, В2, В6 или РР.

Свойства ферментов
Ферменты обладают специфичностью и обратимостью действия.
Специфичность действия ферментов заключается в том, что действие каждого фермента строго ограничено одним веществом или группой близких веществ.
Сахараза разлагает сахарозу, а не действует на родственные дисахариды, как например мальтозу.

По обратному выражению Эмиля Фишера, фермент подходит к своему субстрату, так, как ключ подходит к замку.
Обратимость действия ферментов заключается в том, что ферменты ускоряют процессы, как гидролиза, так и синтеза органических веществ.

Липаза может одновременно синтезировать жир из сахара через промежуточные продукты (жирные кислоты и глицерин) и наоборот, расщеплять жиры до углеводов.

Жиры
Глицерин-альдегиды
Сахар
Жирные кислоты-
оксикислоты

Наибольшая активность большинства растительных ферментов отмечается при слабокислой или нейтральной реакции, которая характерна для растительных клеток

Активаторы и ингибиторы.
Действие ферментов очень сильно зависит от специфических активаторов и парализаторов (ингибиторов).
Вещества, которые повышают каталитическую активность ферментов, называются активаторами.
Роль активаторов ферментов выполняют ионы металлов Na, K, Mg, Ca, Zn, Cu, Mn, Fe.

Действие многих ферментов активируется в присутствии незначительных количеств сульфгидрильных соединений содержащих группу SH.

Цистеин
CН2CHNН2
COOH
SH

Такими веществами являются соли тяжелых металлов
(свинца, ртути, вольфрама), трихлоруксусная кислота и др.

Классификация ферментов
Ферменты разделены на 6 классов.
I. Оксидоредуктазы
По выполняемой функции окислительно-восстановительные ферменты делятся на несколько групп:

1. Дегидрогеназы - ферменты отнимающие водород от органического соединения и передающие его на другие, принимая на себя H2 они восстанавливаются, отдавая окисляются.
2. Оксидазы- ферменты, активирующие кислород.
3. Ферменты, выполняющие роль промежуточных переносчиков водорода (флавиновые ферменты и цитохромная система).

Отщепление H2 от окислительных субстратов катализируется ферментами, называются дегидрогеназами
АН2+В дегидр ВН2+А

Дегидрогеназы:
- аэробные (оксиды)
- анаэробные

Аэробные дегидрогеназы отщепляют Н2, передают на другие акцепторы (ферменты)

Н
Н
O2
Н2O2
Субстрат
+
дегидры

2Н2О2 каталаза 2Н2О+О2

Анаэробные дегидрогеназы 2-х компонентные ферменты, у которых активная группа представлена НАД или НАДФ

субстрат
Н
НАД
субстрат
НАД
Н2
Н
+
.
НАД
Н2
Флавин фермент
НАД
Флавин фермент
Н
Н
+
+
.

Между флавиновыми ферментами и кислородом воздуха есть еще одно промежуточное звено - цитохромная система,
активная группа

субстрат
Н
НАД
субстрат
НАД
Н
+
.
Н2
НАД
Н2
Флавин
НАД
Флавин
Н
Н
+
+
.
Флавин
Н
Н
+
Цитохрм
в-с-а-а3
Н2О2
+

- осуществляют перенос радикалов, и отдельных группировок.
В зависимости от того , что они транспортируют их называют:
а) фосфотрансферазы (P-O4- остаток фосфорной кислоты),
б) аминотрасферазы (NН2),
в) метилтрансферазы (CH3) ,
г) транскетолазы и трансальдолазы переносят кетонную группу С=О и альдегидную группу
С=О
H
II.Трансферазы

- ферменты, катализирующие гидролитический распад органических веществ. В зависимости от того на какие органические вещества они действуют класс подразделяется на 4 подкласса:
1. Эстеразы- распад и синтез жиров и сложных эфиров
2. Карбогидразы- распад и синтез углеводов
3. Протеазы- распад и синтез белков
4. Амидазы- превращения аминокислот и мочевины
III.Гидролазы

Карбогидразы- довольно обширная группа участвует при распаде различных углеводов.
(С6Н10О5)n амилазы nC6 Н12O6
глюкоза

Протеазы - расщепляют белки до аминокислот с накоплением небольшого количества NН3
RCO-NHR1+HOH RCOOH+R1NH2

Среди эстераз прежде всего следует отметить липазы- ферменты катализирующие гидролитическое расщепление и синтез жиров:
CH2OOC-R1
CHOOCR2 + 3H2O
CH2OOCR3
CH2OH
CH2OH
CHOH
R1COOH
R2COOH
R3COOH
Липаза
Эстеразы

Амидазы- ферменты превращающие аминокислоты (аспарагиновую и глутаминовую) в их амиды (аспарагин и глутамин)
аспарагиназа
COOHCH2*CHNH2COOH+NH3
аспарагиновая к-та
CONH2CH2CHNH2COOH+H2O
аспарагин

глутаминаза
COOHCH2 СН2CHNH2COOH+NH3 глутаминовая к-та
CONH2CH2 CH2 CHNH2COOH+H2O
глутамин

- ферменты катализирующие негидролитический распад органических веществ, при этом отщепляется определенная группа (молекулы углерода, воды, NH2 и т. д.) с образованием двойной связи.
COOH
COOH
CH(OH)
COOH
Яблочная кислота
CH2
CH
CH
COOH
Фумаровая кислота
H2O +
фумарат
гидротаза
IV.Лиазы

Фермент декорбоксилаза в результате отщепления СО2 , щавелевоуксусную кислоту переводит в пировиноградную декорбоксилаза
СООНСН2СОСООН СН3СОСООН+СО2
Щ У К ПВК

- катализируют превращения органических веществ в изомерные формы.
СН2ОP
СН2ОP
СНOH
С=O
С=O
H
ФГА
СН2ОH
Фосфодиоксиацетон
триозоросфат
V.Изомеразы