ЛЕКЦИЯ 1 Введение в биохимию. Ферменты 1. ГБОУ ВПО УГМУ Минздрава РФ Кафедра биохимии Екатеринбург, 2015 г Дисциплина: Биохимия Лектор: Гаврилов И.В. Факультет: лечебно-профилактический, Курс: 2

План лекции I.Биохимия – как наука. Предмет, цели и задачи биохимии. II.Метаболизм. Основные понятия. Виды метаболических реакций. III.Ферменты – природные катализаторы. 1.Ферменты. Определение, химическая природа, физико-химические свойства, биологическое значение. 2. Сравнение ферментов и неорганических катализаторов 3. Строение ферментов

Биохимия – наука, изучающая вещества, входящие в состав живых организмов, их превращения, а также взаимосвязь этих превращений с деятельностью органов и тканей Биохимия – молодая наука, около ста лет назад она возникла на стыке физиологии и органической химии. Термин биохимия ввел в 1903 г молодой немецкий биохимик Карл Нейберг ( ). I. БИОХИМИЯ

Биохимия как наука делится на: Статическую анализирует структуру и химический состав организмов Динамическую изучает обмен веществ и энергии в организме Функциональную исследует взаимодействие химических процессов с биологическими и физиологическими функциями

По объектам исследования, биохимия делится на: биохимию человека и животных; биохимию растений; биохимию микроорганизмов; биохимию вирусов Мы с вами будем заниматься медицинской биохимией, одним из разделов биохимии человека и животных

Объектом медицинской биохимии является человек Целью курса медицинской биохимии является изучение: молекулярных основ физиологических функций человека; молекулярных механизмов патогенеза болезней; биохимических основ предупреждения и лечения болезней; биохимических методов диагностики болезней и контроля эффективности лечения ( клиническая биохимия) Задачи курса медицинской биохимии: изучить теоретический материал; получить практический навык биохимических исследований; научиться интерпретировать результаты биохимических исследований

II. Метаболизм В основе жизнедеятельности любого организма лежат химические процессы. Метаболизм (обмен веществ) – совокупность всех реакций, протекающих в живом организме АF B C D Энергия Тепло Катаболизм Анаболизм

Метаболиты – вещества, участвующие в метаболических процессах (субстраты, А, В, С, продукты) Субстрат – вещество, которое вступает в химическую реакцию Продукт – вещество, которое образуется в ходе химической реакции Субстрат Продукт Последовательность реакций, в результате которых субстрат превращается в продукт называется метаболический путь АВС Органические соединения имеют сложную структуру и синтезируются только в ходе нескольких последовательных реакций Пример метаболического пути: Гликолиз

Субстрат Продукт 2 Последовательность реакций, идущие в обход основного метаболического пути называется метаболическим шунтом АВ D E Продукт 3 Продукт 1 Примеры метаболических шунтов: 1. пентозофосфатный шунт, 2.2,3-дифосфоглицератный шунт

S1 Последовательность реакций, в ходе которых образующийся продукт, является одновременно и субстратом данных реакций называется метаболическим циклом S2(P) A C B Продукт 1 Продукт 2 Примеры метаболических циклов: 1. Цикл Кребса, 2. Орнитиновый цикл 3. Цикл β- окисления жирный кислот 4.Глюкозо-лактатный цикл, 5.Глюкозо-аланиновый цикл

Практически все реакции в живом организме протекают с участием природных биокатализаторов – ферментов (энзимов) III. Ферменты Ферменты – биологические катализаторы белковой природы Биологическая роль Биологическая роль ферментов заключается в том, что они катализируют контролируемое протекание всех метаболических процессов в организме Физико-химические свойства Являясь веществами белкой природы, ферменты обладают всеми свойствами белков Определение и химическая природа К 2013 году было описано более 5000 разных ферментов

Особенности действия ферментов 1. Ускоряют только термодинамически возможные реакции 2. Не изменяют состояние равновесия реакций, а только ускоряют его достижение 3. реакции ускоряют значительно, в раз 4. В реакциях не расходуются 5. Действуют в малых количествах 6. Чувствительны к активаторам и ингибиторам. 7. Активность ферментов регулируется специфическими и неспецифическими факторами 8. Ферменты действуют только в мягких условиях (t = 36-37ºС, рН ~ 7,4, атмосферное давление) 9. Обладают широким диапазоном действия, катализируют большинство реакций в организме 10. Для ферментов характерна высокая специфичность субстратная специфичность: абсолютная (1 фермент - 1 субстрат), групповая (1 фермент – несколько похожих субстратов), стереоспецифичность (ферменты работают с субстратами L или D). каталитическая специфичность (ферменты катализируют реакции одного из типов химических реакций)

1. Активный центр – это часть молекулы фермента, которая специфически взаимодействует с субстратом и принимает непосредственное участие в катализе б). Каталитический центр Активный центр, как правило, находиться в нише (кармане) Содержит, не менее трех точек для связывания субстрата, благодаря чему молекула субстрата присоединяется к активному центру единственно возможным способом, что обеспечивает субстратную специфичность фермента 1. Активный центр а). Субстратный участок (контактная площадка) Особенность строения каталитического центра дает возможность ферменту катализировать реакцию с помощью определенного механизма катализа: кислотно-основного, электрофильного, нуклеофильного и т.д. Т.о. каталитический центр обеспечивает выбор пути химического превращения и каталитическую специфичность фермента Строение ферментов Ферменты – глобулярные белки, содержащие активный центр

Фермент Субстрат Ферменты характеризуются наличием специфических центров катализа Субстратный участок Каталит. центр Активный центр Продукт

Алостерический центр У группы регуляторных ферментов есть аллостерические центры, которые находятся за пределами активного центра К аллостерическому центру могут присоединяться + модуляторы (активаторы), увеличивающие активность ферментов. Алостерический центр и контактная площадка устроены аналогично Активатор

Аллостерический центр Также к аллостерическому центру могут присоединяться - модуляторы (ингибиторы), угнетающие активность ферментов Ингибитор -

По составу ферменты делятся на: Простые Состоят только из аминокислот - Сложные Состоят из: 1.Аминокислот; 2. Металлов 3. Органических веществ небелковой природы 0+ Апофермент Простетическая группа Белковую часть (из аминокислот) сложного фермента называют апоферментом Небелковую часть сложного фермента называют простетической группой

Коферментами называют органические вещества небелковой природы, которые участвуют в катализе в составе каталитического участка активного центра. Каталитически активную форму сложного белка называют холоферментом Холофермент = Апофермент + Кофермент Простетическая группа прочно связана с апоферментом. В сложном ферменте простетическая группа может быть представлена: Металлами (кофактороры) органическими веществами небелковой природы (коферменты)

В качестве коферментов функционируют: Витамины АктивацияКоферменты РР (никотиновая кислота)НАД +, НАДФ + В 1 (тиамин) В 2 (рибофлавин) Тиаминпирофосфат ФАД, ФМН В 6 (пиридоксаль)Пиридоксальфосфат В 12 Кобаламины Гемы; Нуклеотиды; коэнзим Q; ФАФС; SAM; Глутатион; Производные водорастворимых витаминов:

Косубстрат - кофермент, который присоединен к белковой части слабыми нековалентными связями. Косубстрат присоединяется к ферменту в момент реакции: Это, например, НАД +, НАДФ Продукт Фермент + Субстрат Фермент Косубстрат Фермент-субстратный комплекс Косубстрат - 0+

Кофакторы – это ионы металлов, необходимые для проявления каталитической активности многих ферментов В качестве кофакторов выступают ионы калия, магния, кальция, цинка, меди, железа и т.д. стабилизируют молекулы субстрата; стабилизируют активный центр фермента, стабилизируют третичную и четвертичную структуру фермента; обеспечивают связывание субстрата; обеспечивают катализ. Роль кофакторов разнообразна, они:

Например, АТФ присоединяется к киназам только вместе с Mg 2+ + Субстрат (АТФ) Кофактор (Mg 2+ ) Фермент Активный субстрат (АТФ-Mg 2+ ) Фермент-субстратный комплекс Продукт (АДФ) - 0+ Фермент Кофактор (Mg 2+ )

Локализация и компартментализация ферментов в клетке и тканях По локализации в организме ферменты делятся: Общие ферменты (универсальные) Органоспецифические ферменты Органеллоспецифические ферменты Органеллонеспецифические ферменты По локализации в клетке ферменты делятся: Креатинкиназы, аминотрансферазы и тд. Ферменты гликолиза, рибосомы и т.д.

Обнаруживаются практически во всех клетках, обеспечивают основные процессы жизнедеятельности клетки: 1. Общие ферменты (универсальные) Ферменты: гликолиза, цикла Кребса, окислительного фосфорилирования, ПФШ и т.д. Синтез и использование АТФ; метаболизм белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов и других органических веществ; создание электрохимического потенциала; движение и т.д.

2. Органоспецифические ферменты Костная ткань Щелочная фосфатаза Миокард АСТ, АЛТ, КФК МВ, ЛДГ 1,2 Почки Трансамидиназа, щелочная фосфатаза Печень Аргиназа, АЛТ, АСТ, ЛДГ 4,5, щелочная фосфатаза, γ-глутамилтранспептидаза, глутаматдегидрогеназа холинэстераза свойственны только определенному органу или ткани (или группе органов и тканей) Простата Кислая фосфатаза Поджелудочная железа α-амилаза, липаза, γ-глутамилтранспептидаза

Распределение ферментов в органах печеньмиок.Скел. муск ПочкиEr КостьПростата АСТ АЛТ ЛДГ КФК ЩФ КФ 0-10%10-50%50-75%75-100%

3. Органеллоспецифические ферменты Клеточная мембрана Щелочная фосфатаза, Аденилатциклаза, К-Nа-АТФаза Цитоплазма Ферменты гликолиза, ПФШ Гладкий ЭПР Ферменты микросомального окисления Рибосомы Ферменты биосинтеза белка Лизосомы Кислая фосфатаза Митохондрии Ферменты окислительного фосфорилирования, ЦТК, β-окисления жирных кислот Ядро РНК-полимераза, НАД-синтетаза

Изоферменты – это множественные формы одного фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающие первичной структурой Изоферменты отличаются: сродством к субстрату (разные Км), максимальной скорости катализируемой реакции, электрофоретической подвижности, разной чувствительности к ингибиторам и активаторам, оптимуму рН термостабильности Изоферменты имеют четвертичную структуру, которая образована четным количеством субъединиц (2, 4, 6 и т.д.): Изоферменты

Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) ЛДГ состоит из 4-х субъединиц 2 типов М (muscle) и Н (heart), которые в разных комбинациях образуют 5 изоформ М (muscle) Н (heart) В составе преобладают дикарбоновые АК В составе преобладают диаминомонокарбоновые АК 11 фермент гликолиза

ЛДГ 1 НННН ЛДГ 2 НННМ ЛДГ 3 ННММ ЛДГ 4 НМММ ЛДГ 5 ММММ О2О2 О2О2 Н (heart)М (muscle) эпителий лёгочных альвеол миокард, эритроциты, корковое вещество почек поперечно- полосатая скелетная мускулатура, гепатоциты рН нейтральная рН кислая

Креатинкиназа (креатинфосфокиназа) КФК состоит из 2-х субъединиц 2 типов М (от англ, muscle - мышца) и В (от англ, brain - мозг), которые в разных комбинациях образуют 3 изоформы: КФК ВВ КФК МВ КФК ММ КФК играет важную роль в энергетическом обмене мышечной и нервной тканей

Определение в крови активности органо- органеллоспецифических ферментов и изоферментов широко используется в клинической диагностике: Инфаркт миокарда АСТ, АЛТ, КФК МВ, ЛДГ 1,2 Панкреатит Панкреатическая амилаза, γ-глутамилтранспептидаза, липаза Гепатит АЛТ, АСТ, ЛДГ 4,5, γ-глутамилтранспептидаза, глутаматдегидрогеназа

Номенклатура – названия индивидуальных соединений, их групп, классов, а также правила составления этих названий Классификация – разделение чего-либо по выбранным признакам Номенклатура и классификация ферментов

Современная номенклатура ферментов – международная, переведена на разные языки Исторически сложившиеся названия: (пепсин, трипсин) рабочие названия: субстрат + окончание аза (сахараза) субстрат + его хим. превращение + аза (пируваткарбоксилаза) Тривиальная Систематическая По названию можно точно идентифицировать фермент и его катализируемую реакцию. В каждом классе строится по определённой схеме Принята в 1961 г Международным союзом биохимиков

Классификация ферментов Классификация ферментов основана на типе катализируемой химической реакции (всего 6); На основании 6 типов химических реакций ферменты, которые их катализируют, подразделяют на 6 классов, в каждом из которых несколько подклассов и поподклассов (4-13); Каждый фермент имеет свой шифр КФ Первая цифра обозначает класс, вторая - подкласс, третья - подподкласс, четвертая - порядковый номер фермента в его подподклассе (в порядке открытия).

Тип реакции КлассПодкласс Поподкласс 1ОРВОксидоредуктазы Оксидазы Аэробные ДГ Анаэробные ДГ Оксигеназы Гидроксипероксидазы 2 переноса функциональных групп Трансферазыкиназы Протеинкиназы Гексокиназы 3Гидролитическое удаление группы от субстрата Гидролазы ФосфотазыФПФ 4Негидролитическое удаление группы от субстрата Лиазы 5 изомеризацияизомеразы 6 синтеза за счет энергии макроэргических соединений лигазыC-O-лигаза, C-S-лигаза, C-N-лигаза, C-C-лигаза

Номенклатура ферментов В правилах названия ферментов нет единого подхода – в каждом классе свои правила Название фермента состоит из 2 частей: 1 часть – название субстрата (субстратов), 2 часть – тип катализируемой реакции. Окончание – АЗА; Дополнительная информация, если необходима, пишется в конце и заключается в скобки: L-малат + НАДФ + ПВК + СО 2 + НАДН 2 L-малат: НАДФ+ - оксидоредуктаза (декарбоксилирующая);

Оксидоредуктазы Название класса: донор: акцептор ( косубстрат) оксидоредуктаза R-CH 2 -OH + НАД + R-CH=О + НАДН 2 Систематическое название: Алкоголь: НАД + оксидоредуктаза Тривиальное название: алкогольдегидрогеназа Шифр: КФ и Н +

Трансферазы Название класса: откуда: куда в какое положение – что – трансфераза донор: акцептор – транспортируемая группа – трансфераза АТФ + D-гексоза АДФ + D-гексоза-6 ф Систематическое название: АТФ: D-гексоза-6-фосфотрансфераза Тривиальное название: гексокиназа Шифр: КФ Атомы и молекулярные остатки

Гидролазы Название класса: Субстрат–что отщепляется–гидролаза Субстрат–гидролаза Ацетилхолин + Н 2 О Ацетат + Холин Систематическое название: Ацетилхолин-ацилгидролаза Тривиальное название: Ацетилхолинэстераза Шифр: КФ

+ 4. Лиазы Название класса: субстрат: что отщепляется–лиаза L-малат Н 2 О + фумарат Систематическое название: L-малат: гидро–лиаза Тривиальное название: фумараза Шифр: КФ

5. Изомеразы Название класса: Субстрат – вид изомеризации – изомераза Субстрат – продукт – изомераза Фумаровая к-та Малеиновая к-та Систематическое название: Фумарат–цис, транс–изомераза

Лигазы (синтетазы) Название класса: субстрат: субстрат – лигаза (источник энергии) L-глутамат + NH АТФ L-глутамин + АДФ + Фн Систематическое название: L-глутамат: аммиак – лигаза (АТФ АДФ + Фн) Тривиальное название: глутаминсинтетаза Шифр: КФ

Спасибо за внимание!