Ферменты

ФЕРМЕНТЫ (энзимы) - это высокоспецифичные белки, выполняющие функции биологических катализаторов. Катализатор - это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само в ходе этой реакции не расходуется

Для эффективного столкновения, то есть завершения химического превращения, обязательное условие - чтобы свободная энергия реагирующих молекул (энергетический уровень молекул) была не ниже энергетического уровня реакции

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ РЕАКЦИИ - это запас энергии, которым должны обладать молекулы, чтобы произошла химическая реакция. Этот запас энергии является постоянной характеристикой (константой) для каждой данной реакции.

Энергия исходных продуктов Энергетический порог реакции без катализатора Энергетический порог реакции с катализатором КАТАЛИЗАТОР - это вещество, которое направляет реакцию по такому обходному пути, на котором энергетические барьеры ниже

ОБЩИЕ СВОЙСТВА КАТАЛИЗАТОРОВ Катализаторы не расходуются в ходе реакции Катализаторы только УСКОРЯЮТ реакцию, которая протекает и без них. Не влияют на энергетический итог реакции. В обратимых реакциях катализаторы ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, а) НЕ ВЛИЯЮТ на НАПРАВЛЕННОСТЬ РЕАКЦИИ б) НЕ ВЛИЯЮТ на ПОЛОЖЕНИЕ РАВНОВЕСИЯ

ОСОБЕННОСТИ ФЕРМЕНТОВ КАК БИОЛОГИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ Высокая эффективность действия Высокая избирательность ферментов к субстратам (субстратная специфичность) к типу катализируемой реакции (специфичность действия) Высокая чувствительность ферментов к факторам среды - температуре, рН, ионной силе раствора и т.д. Высокая и избирательная чувствительность к воздействию активаторов и ингибиторов

Субстратом (S) называют вещество, химические превращения которого в продукт (Р) катализирует фермент (Е).

Этапы ферментативного катализа E + S ES EP E + P I II III IV I – этап сближения и ориентации субстрата относительно активного центра II – образование фермент-субстратного комплекса (ES) III – деформация субстрата и образование комплекса фермент-продукт (EP) IV – распад комплекса фермент-продукт с высвобождением продукта реакции из активного центра

Строение ферментов Простые (только белковая часть) Сложные (белковая часть – холофермент, небелковая часть - кофермент или кофактор)

Участок молекулы фермента, который непосредственно взаимодействует с молекулой субстрата называется АКТИВНЫМ ЦЕНТРОМ ФЕРМЕНТА Образуется на уровне третичной структуры белка-фермента.

Взаимодействие фермента и субстрата

Активный центр фермента Контактный участок радикалы аминокислот белковой части, которые обеспечивают связывание субстрата Каталитический участок радикалы аминокислот белковой части, которые обеспечивают химическое превращение субстрата Кофермент Кофактор

Коферменты 1. Ионы металлов 2. Кофакторы витамины нуклеотиды углеводы гем

Пространственная структура субстрата должна мозаично соответствовать пространственной структуре активного центра, на этом условии формируется такое свойство ферментов как СПЕЦИФИЧНОСТЬ

Субстратная специфичность Определяется структурой контактного участка активного центра фермента. АБСОЛЮТНАЯ АБСОЛЮТНАЯ ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ОТНОСИТЕЛЬНАЯ СТЕРЕОСПЕЦИФИЧНОСТЬ СТЕРЕОСПЕЦИФИЧНОСТЬ Специфичность действия (классификация ферментов)

Теории специфичности действия ферментов 1. Теория Фишера «ключ к замку» 2. Теория Кошленда «вынужденное соответствие»

I класс - ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. а) Дегидрогеназы б) Оксигеназы II класс - ТРАНСФЕРАЗЫ Катализируют реакции переноса химических групп с молекулы одного вещества на молекулу другого вещества. Классификация ферментов

III класс - ГИДРОЛАЗЫ Катализируют реакции разрушения химических связей с участием воды. IV класс - ЛИАЗЫ Катализируют реакции разрушения химических связей без участия воды. V класс - ИЗОМЕРАЗЫ Катализируют реакции изомерных превращений. VI класс - ЛИГАЗЫ (СИНТАЗЫ, СИНТЕТАЗЫ) Катализируют реакции синтеза с затратой АТФ

Регуляция активности ферментов 1) НЕЙРОГУМОРАЛЬНАЯ 2) РЕГУЛЯЦИЯ НА ГЕНЕТИЧЕСКОМ УРОВНЕ 3) АВТОНОМНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ ФЕРМЕНТОВ Ковалентная модификация ферментов Аллостерическая регуляция Кооперативное взаимодействие

Ковалентная модификация ферментов Путем фосфорилирования/дефосфорилирования (присоединение остатка фосфорной кислоты приводит к изменению конформации активного центра и его каталитической активности) Путем ограниченного протеолиза (происходит гидролиз одной или нескольких пептидных связей, конформационная перестройка фермента, формирование активного центра)

Фермент изменяет активность с помощью нековалентно связанного с ним эффектора. Эффектор связывается с участком фермента, так называемом аллостерическим центром, который расположен рядом с активным центром. В результате происходит конформационные изменения активного центра, что приводит либо к активации фермента, либо к ингибированию Аллостерическая регуляция

Активаторы – вещества, повышающие активность фермента Ингибиторы – вещества, снижающие активность фермента

Ингибиторы специфическиенеспецифические обратимыенеобратимые конкурентныенеконкурентные

Неспецифическое (физические, физико- химические, химические воздействия, вызывающие изменения структуры белка- фермента) Специфическое (взаимодействуют с активным центром фермента) Классификация ингибирования

Необратимое (прочное связывание ингибитора с ферментом ковалентными связями, активность фермента теряется навсегда) Обратимое (связывание ингибитора с ферментом слабыми связями, активность фермента может восстановиться) Специфическое ингибирование

Обратимое ингибирование Конкурентное ингибирование (ингибитор схож по структуре с субстратом) Неконкурентное ингибирование (ингибитор связывается не с активным центром, а например с аллостерическим)

Конкурентное ингибирование

Неконкурентное ингибирование

Изоферменты – ферменты, катализирующие одну и ту же химическую реакцию, но отличающиеся по первичной структуре белка (ЛДГ, КК). Как правило, олигомерные белки. Субъединицы могут синтезироваться в разных тканях.

Применение ферментов в медицине Энзимодиагностика (на основе определения активности ферментов в биологических жидкостях человека) Энзимотерапия (заместительная, комплексная)

Принципы энзимодиагностики Количество высвобождающихся ферментов в кровь при повреждении клеток достаточно для их обнаружения Ряд ферментов имеет преимущественную локализацию в определенных органах (органоспецифичность) Существует различия во внутриклеточной локализации ряда ферментов