Химия ферментов

"Ферменты есть, так сказать, первый акт жизненной деятельности. Все химические процессы направляются в теле именно этими веществами, они есть возбудители всех химических превращений. Все эти вещества играют огромную роль, они обусловливают собою те процессы, благодаря которым проявляется жизнь, они и есть в полном смысле возбудители жизни. Они составляют основной пункт, центр тяжести физиолого-химического знания"
И.П.Павлов

Ферменты, или энзимы, представляют каталитически действующие вещества биологического происхождения.
Это высокомолекулярные, коллоидные органические вещества, вырабатываемые животными, растениями и микроорганизмами.

Это специфические белки. Они, как и катализаторы, не создают новых реакций, а только ускоряют существующие.

От обычных катализаторов ферменты отличаются высокой специфичностью, большой мощностью действия, термолабильностью. Пример: для расщепления белков до аминокислот необходимо кипятить их с 25%- ной серной кислотой примерно в течение суток; при помощи же трипсина достигают тех же результатов (при 37С) в течение нескольких часов.

Одна молекула каталазы разлагает в 1 минуту 2 600 000 молекул Н2О2 при Т=0С. Подобно катализаторам, ферменты не расходуются во время процесса и не входят в состав конечных продуктов. Таким образом:
Ферменты - это высокомолекулярные органические соединения белковой природы, входят в состав всех клеток и тканей, играют роль биологических катализаторов.

Роль ферментов
пищеварение и использование поступивших питательных веществ для энергообразования;
построение структурных и функциональных компонентов тканей и жидкостей организма;
рост и воспроизведение;
свертывание крови;
мышечное сокращение и т. д.

Строение ферментов
Простые, или однокомпонентные. Состоят только из аминокислот - рибонуклеаза, амилаза, альдолаза, пепсин, уреаза и др.

Сложные. Состоят из двух компонентов - небелковой части, или простетической группы, и белковой, или апофермента.
Обе части только в комплексе друг с другом обладают каталитическими свойствами.

Простетическая группа - это термостабильная, низкомолекулярная часть молеклы фермента. Это производные витаминов, группы сахаров, соединения гема, нуклеотиды, нуклеозиды и др. Простетическая группа облегчает связывание фермента с субстратом.

Коферменты
Если небелковая составная часть слабо связана с апоферментом, то ее называют коферментом, или коэнзимом. Коферменты могут входить в состав нескольких ферментов. Наиболее часто коферментами служат витамины и их производные.

Коферменты
В качестве коферментов могут участвовать фосфаты нуклеозидов (нуклеотиды), ионы металлов (железо, медь, цинк, марганец, магний, молибден, кобальт и др.)

Апофермент
это полимер, состоящий из аминокислот. Его уровень организации молекулы может быть различным - первичным, вторичным, третичным или четвертичным.

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ
вещество, на которое действует фермент, вступает с ним в промежуточное соединение, которое оказывается менее стойким, чем исходные продукты. Степень диссоциации соединения "фермент+субстрат" определяет скорость ферментной реакции.

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ
Схематическая ферментативная реакция следующая:
С + Ф = ФСК = ФПК =Ф + П
С - вещество, подвергающееся превращению (субстрат),
Ф - фермент,
П - вещество, образующееся в результате ферментативной реакции (продукт),
ФСК - фермент-субстратный комплекс,
ФПК - фермент-продуктный комплекс.

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ
На первом этапе образуется ФСК, в котором субстрат переходит в активированное состояние. На втором этапе субстрат превращается в продукт реакции, находящемся в комплексе с Ф (ФПК), который затем распадается с образованием Ф и П.

Фермент в процессе взаимодействия остается неизменным. Это имеет большое биологическое значение для сохранения количества фермента и возможности его взаимодействия с другими молекулами субстрата.

активный центр
При взаимодействии Ф и С важную роль играет активный центр фермента - часть молекулы фермента, состоящая из совокупности химических группировок, которые обеспечивают каталитическое действие.

активный центр
Активный центр состоит из ряда реакционноспособных функциональных групп белковой и небелковой частей фермента (-ОН, -Н, -СООН и др.), ориентированных определенным образом в пространстве. Кофермент почти полностью входит в состав активного центра.

Строение активного центра
В процессе взаимодействия с субстратом активный центр разделяется на три фукциональные группы -
каталитическую,
контактную,
вспомогательную.

активный центр
Каталитическая группа участвует в превращении субстрата в продукт. Контактная группа обеспечивает специфическое сходство с субстратом и образование соединения фермент-субстрат, высокую скорость реакции. Вспомогательная группа фиксирует третичную или четвертичную структуры для формирования активного центра фермента.

СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ КАК БИОЛОГИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ
Специфичность ферментов (действуют на определенный субстрат, на определенный тип химической связи в молекуле)
Обратимость ферментативных реакций (ферменты катализируют прямую и обратную реакции).

СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ КАК БИОЛОГИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ
Зависимость активности ферментов от рН среды. Значение рН, при котором ферменты находятся в максимально активном состоянии называется оптимумом рН (для пепсина рН=1,5-2,5, для трипсина рН=8,0-9,0 )

СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ КАК БИОЛОГИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ
Зависимость активности фермента от температуры, при которой активность фермента максимальна и называется температурным оптимумом. Для большинства ферментов температурный оптимум близок к температуре тела.

СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ КАК БИОЛОГИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ
Зависимость активности фермента от концентрации субстрата. При высокой концентрации субстрата может произойти ингибирование фермента и снижение скорости реакции.

СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ КАК БИОЛОГИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ
Зависимость активности фермента от ингибиторов. Различают необратимое ингибирование, которое вызывают денатуранты (ртуть, серебро, свинец, мышьяк и их соли, синильная кислота и ее производные и т.д.) и обратимое ингибирование - наблюдается только тормозящий эффект.

СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ КАК БИОЛОГИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ
Зависимость активности фермента от активаторов - веществ, повышающих скорость ферментативных реакций. Это одно- или двухвалентные катионы кальция, магния, марганца, кобальта, калия, натрия или анионы хлора, желчные кислоты, вещества, содержащие -SH-группу).

КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
Названия ферментов составляются обычно или из названия вещества, на которое действует фермент, или из слова, определяющего характер реакции. В таких словах последние один-два слога заменяются окончанием аза, например: сахароза - сахараза, аргинин -аргиназа, катализ - каталаза.

Классы ферментов
Оксиредуктазы - ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. К ним относятся: дегидрогеназы и оксидазы (лактат-, глутамат-, сукцинатдегирогеназы, цитохромоксидазы, каталаза, пероксидаза и другие.

Классы ферментов
Трансферазы - ферменты, осуществляющие перенос различных химических радикалов с донора на акцептор, Этот класс включает амино-, фосфо-, глюкозил-, ацилтрансферазы и другие.

Классы ферментов
Гидролазы - ферменты, катализирующие процессы гидролитического расщепления субстратов. Включает пипсин, трипсин, химотрипсин, липазу, амилазу, дисахаридазы и другие.

Классы ферментов
Лиазы - ферменты, катализирующие внутримолекулярный перенос химических радикалов с образованием изомеров. К этому классу принадлежат глюкозо-, триозофосфатизомераза и другие.

Классы ферментов
Лигазы - ферменты, осуществляющие реакции синтеза, которые сопровождаются поглощением энергии, например, глутамат-, гликоген-, гемсинтетазы и другие.

КЛИНИКО-ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФЕРМЕНТОВ
В противоположность других биохимических компонентов количество ферментов не может быть измерено, в единицах массы, т.е. в миллиграммах или молях. О количестве фермента косвенно судят по его активности - по производимому ферментом действию, таким образом присутствие и количество фермента распознается по специфичности и скорости катализируемой им реакции.

Активность фермента можно определить либо по скорости накопления продуктов ферментативной реакции, либо по скорости убыли субстрата.
Ферментативную реакцию принято проводить при температуре, лежащей в пределах 25о-40о С.

В практике работы клинико-диагностических лабораториях для определения активности ферментов чаще используют калориметрические и спектрофотометрические методы.

В основе калориметрических методов лежит измерение при помощи ФЭК интенсивности окраски вещества, образующегося при взаимодействии субстрата или продукта действия фермента со специфическими реактивами, добавленными в пробу, после остановки ферментативной реакции.

Спектрофотометрические методы основаны на поглощении света в определенных участках спектра субстратами или продуктами реакции. Спектры поглощения этих соединений могут иметь максимумы при определенной длине волны как в ультрафиолетовой, так и в видимой области.

Комиссия по ферментам Международного биохимического союза предложила за единицу активности (Е) фермента принять то количество его, которое катализирует превращение 1 микромоля субстрата (или образование 1 микромоля продукта реакции) в минуту при заданных условиях.

Необходимо указать температуру, при которой проводилась ферментативная реакция. Активность фермента в сыворотке или плазме крови следует выражать в единицах на 1 л.

Увеличение активности ферментов в плазме крови связано с разрушением клеток или одним только повышением проницаемости их наружной, плазматической мембраны При этом активность фермента в поврежденном органе снижается, а в плазме (сыворотке) крови, наоборот, повышается вследствие выхода фермента из ткани в кровеносное русло.

Полагают, что в силу характерной общей реакции организма ферменты переходят в плазму не только из поврежденного органа, но также в значительной мере из клеток других тканей, непосредственно не затронутых патологическим процессом.