Строение и свойства ферментов

Ферментами называют биологические катализаторы, построенные из белков, спо-собные высокоизбирательно реагировать с веществами и ускорять их превращения в другие вещества.

Строение ферментов
Апофермент + Кофермент (белковая часть) (небелковая часть)
одна субъединица
-несколько субъединиц
-витамины
-нуклеотиды
-металлы
-фосфорная кислота
простые белки сложные белки
Состоят только из белка

Фермент реагирует с субстратом путем взаимодействия с активным центром
Субстрат
фермент
Активный центр

Субстрат может образовывать ковалентные связи с коферментом в активном центре фермента
фермент
кофермент
Субстрат

Роль коферментов в ферментативной реакции
Улучшают взаимодействие субстрата
с ферментом
- Образуют связи с субстратом
- Участвуют в превращении субстрата
Принимают на себя и отдают другим
ферментам продукты реакции

Свойства ферментов

Специфичность фермента –
способность взаимодействовать только с определенным видом молекул (субстратом)

Образование фермент-субстратного комплекса
фермент
субстрат
Фермент-субстратный комплекс

ООС-
глу
H3N-
лиз
--SH
ЦИС
--SH
ЦИС
to
Строение активного центра. Его разрушение при денатурации фермента

Строение профермента
профермент
Активный фермент

Строение изоферментов
ЛДГ1 ЛДГ2 ЛДГ3 ЛДГ4 ЛДГ5
Электрофорез сыворотки крови
старт

Строение изоферментов лактатдегидрогеназы (ЛДГ)
ЛДГ1 ЛДГ2 ЛДГ3 ЛДГ4 ЛДГ5
Н-субъединица
М-субъединица
Электрофорез сыворотки крови

Факторы, влияющие на активность ферментов
Температура
Кислотность среды
Металлы
Коферменты
Концентрация субстрата
Концентрация продукта реакции
Ингибиторы

Влияние температуры на активность ферментов
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 температура
мкмоль/с
36о

При низкой температуре хаотическое движение молекул прекращается. Столкновения субстрата с активным центром не происходят
фермент
?

ООС-
HS-
HS-
H3N-
глу
цис
цис
лиз
ООС-
глу
H3N-
лиз
--SH
ЦИС
--SH
ЦИС
to
Высокая температура вызывает разрушение (денатурацию) фермента. Активный центр исчезает.

Влияние рН на активность ферментов
0 7 14 рН
мкмоль/с
Пепсин амилаза щелочная фосфатаза

Какие силы заставляют субстрат присоединится к активному центру фермента?
Направление движения субстрата
?

ООС-глу
H3N-лиз
Влияние электростатических сил на присоединение субстрата к ферменту
Изменение направления движения

Механизм ингибирования активности фермента при снижении рН внутри клеток

На активность фермента оказывают влияние металлы, активаторы или ингибиторы ферментов.

Металлы изменяют строение активного центра, который лучше взаимодействует с субстратом
+Mg2+
?
Mg2+
Mg2+

Конкурентный тип ингибирования фермента
СООН
СН2
СН2
СООН
СООН
СН2
СООН
СДГ
Янтарная кислота
Малоновая кислота

Неконкурентный тип ингибирования фермента
НS---
НS---
S---
S---
Hg2+
Hg

Этапы ферментативного катализа
1. Присоединение субстрата к активному центру
с образованием единого молекулярного комплекса;
2. Конформационная перестройка молекулы белка
фермента и, соответственно, активного центра;
3. Преобразование субстрата в другую молекулу в
результате перераспределения электронных
плотностей в молекуле субстрата и разрыва (или
возникновения) новых ковалентных связей в
субстрате.
4. Удаление продукта реакции из активного центра.

S + E SE
SE PE
PE P + E
Этапы ферментативного катализа
присоединение субстрата
преобразование субстрата в продукт
удаление продуктов реакции из фермента

Этапы ферментативного катализа
(S – субстрат; Е – фермент)
+
S + E SE
I этап

II этап
Конформационная перестройка молекулы белка фермента и, соответственно, активного центра

Этапы ферментативного катализа
(S – субстрат; Е – фермент)
SE PE P + E
II этап III этап IV этап

Динамика изменения активности фермента во время протекании химической реакции

СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ (V) - определяют по количеству молей субстрата превращенного ферментом за секунду (моль/с).
КАТАЛ - единица активности фермента (моль/с)
МЕЖДУНАРОДНАЯ ЕДИНИЦА активности фермента (U) рассчитывается в мкмоль субстрата превращенного за одну минуту ( U = мкмоль/мин)
УДЕЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ рассчитывается количеством молей субстрата, превращаемого в секунду одним килограммом ткани (моль/c•кг) или (катал/кг ) или (мкмоль/мин•мг белка)
Показатели активности ферментативной реакции

Влияние концентрации субстрата на активность фермента
Vмакс
концентрация субстрата

Уравнение Михаэлиса-Ментена
V =
V макс
1 +
Кm
S

Метод расчета Кm фермента
Vмакс
½ Vмакс
Кm концентрация субстрата

Оценка Кm в биохимической практике
позволяет определить величину сродства субстрата к активному центру (чувствительность фермента к субстрату);
позволяет дать более полную характеристику каталитической активности фермента.

Механизм ускорения химической реакции ферментом

Энергетическая схема ферментативной химической реакции
Изменение свободной энергии
Исходное состояние
Переходное состояние
Конечное состояние
Энергия активации неферментативной р-ции
Энергия активации ферментативной реакции
Стандартное изменение свободной энергии
Ход реакции

Регуляция активности ферментов

Кинетика снижения скорости ферментативной реакции во времени
скорость реакции (мкмоль/мин
200
100
0 1 2 3 4 5 минуты
А + В = АВ
V = k [А] [В]
0

Глюкоза + АТФ = глюкозо-6-фосфат + АДФ
Е
Изостерический тип регуляции активности фермента
РАБОТА
СО2 Н2О

Изостерический тип регуляции активности ферментов
Р
глюкоза
Глюкозо-6-фосфат

Аллостерический тип регуляции ферментов
А В С Д Е F
E1 E2 E3 E4 E5
ингибирование

А
F
А
?
Аллостерический тип регуляции активности ферментов
Первый субстрат
Конечный продукт реакции
Е1
Е1
F

Роль аллостерических ферментов в метаболизме клетки
Регуляция скорости синтеза веществ;
В случае накопления энергии (АТФ), обмен веществ идет по пути запасания резервных питательных веществ;
Для координации процессов синтеза и распада веществ (регуляторы – АТФ и АДФ;
Для координации параллельно протекающих путей превращений

Регуляция каталитической активности ферментов ассоциацией – диссоциацией протомеров (субъединиц)
неактивная протеинкиназа
цАМФ
активные протеинкиназы
биохимичес-кие реакции

Регуляция активности путем фосфорилирования (дефосфорилирования) фермента
ОН
О-РО3Н2
+ АТФ
неактивный фермент
активный фермент
АДФ
субстрат

Образование метаболона в клетке
Исходное вещество
конечный продукт
промежу-точные вещества

Правила названия фермента
Название субстрата (:) название продукта реакции – класс фермента.
Лактат : пируват - оксидоредуктаза
СН3 СН3
СН-ОН С=О + ЛДГ- 2Н
СООН СООН
ЛДГ

Классификация ферментов
Оксидоредуктазы
Трансферазы
Гидролазы
Лиазы
Изомеразы
Лигазы

1. Оксидоредуктазы
Катализируют окислительно-восстановительные реакции
Окисление спиртовых групп;
Окисление альдегидов;
Окисление кетонов (одновременно с декарбоксилированием);
Дегидрирование углеродных цепочек;
Окислительное дезаминирование.

СООН
С = О
СН3
СООН
Н-С- ОН
СН3
Лактатдегидро-геназа НАД
НАДН2
Окисление молочной кислоты ферментом лактатдегидрогеназой (ЛДГ)

Н
С = О
Н-С-ОН
СН2О-РО3Н2
СООН
Н-С-ОН
СН2О-РО3Н2
НАДН2
НАД + Н2О
Окисление альдегидов
фосфоглицериновый фосфоглицериновая
альдегид кислота

СООН
СН2
СН2
С=О
СООН
СООН
СН2
СН2
С =О
S-КоА
НS-КоА
дегидрогеназа НАД
НАДН2
оксоглутаровая сукцинил-КоА
+ СО2
Окисление кетонов
кислота

СООН
СН2
СН2
СООН
СООН
СН
СН
СООН
дегидрогеназа ФАД
+ ФАДН2
янтарная к-та фумаровая к-та
Окисление углеродной цепочки

Реакция окислительного дезаминирования глутаминовой кислоты
СООН
СН2
СН2
CH-NH2
COOH
HАД
HАДН2
+Н2О
СООН
СН2
СН2
C = NH
COOH
СООН
СН2
СН2
C = О
COOH
+ NH3

2. Трансферазы
Катализируют реакции переноса атомов или групп атомов.
КФ 2.6.1.2. Аланин:оксоглутарат- аминотрансфераза
СН3 СООН СН3 СООН
СНNH2 + C=О С=О + СНNH2
СООН СН2 СООН СН2
СН2 СН2
СООН СООН
АлАТ

3. Гидролазы
Расщепляют ковалентные связи с участием молекул воды
3.1.1.3 - липаза
3.2.1.1. - альфа-амилаза
3.4.3.2. - дипептидаза

4. Лиазы
Разрывают ковалентные связи без участия молекул воды
4.1.1.1. – пируватдекарбоксилаза (разрывают связи -С-С-)
4.2.1.1. – карбоангидраза
(разрывают связи -С-О-)
4.3.1.1. – аспартат: аммиак-лиаза
(разрывают связи -С-N-)

5. Изомеразы
Превращают один вид изомера в другой
5.2.1.3 ретинен цис: транс-изомераза
(ретиненизомераза)
5.3.1.1. триозофосфат - изомераза
сн2он н-с=о
с=о сн2он
сн2оРо3н2 сн2о РО3Н2

6. Лигазы (синтетазы)
Участвуют в синтезе новых веществ, путем соединения молекул друг с другом
6.1.1.1. тирозин: т-РНК - лигаза
6.3.1.2. глутамат: аммиак - лигаза

Применение ферментов в медицине.
1. Для диагностики заболеваний;
2. Для оценки тяжести протекания болезни;
3. Для контроля качества лечения;
4. В качестве контроля времени выздоровления;
5. Применение ферментов в виде лекарственных средств;
6. Использование ферментов в аналитической практике – для измерения концентрации веществ в биологических жидкостях (кровь, моча и др.)

Диагностика заболеваний с помощью ферментов основывается на явлении цитолиза – выхода ферментов из цитоплазмы клеток в кровь при повреждении органа.
Кровеносный сосуд
Поступление ферментов из поврежденных клеток

ЩФ
Дни болезни
Активность ферментов
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
АлАТ
-ГТП
Динамика повышения активности ферментов крови при гепатите

Применение ферментов в качестве лекарственных средств
Заместительная терапия (пепсин, ферменты поджелудочной железы);
В хирургической практике для очищения ран (трипсин, химотрипсин);
В качестве противовирусных средств (рибонуклеаза, дезоксирибонуклеаза);
Для растворения тромбов в сосудах (фибринолизин, стрептолиаза);
Для удаления рубцов и спаек (гиалуронидаза, лидаза);
Для лечения рака крови (аспарагиназа)