ФЕРМЕНТЫ 2 часть

Измерение ферментативной активности Определение активности ферментов осуществляется пу- тем измерения скорости катализируемых реакций. Скорость ферментативных реакций измеряют по убыли концентрации субстрата или увеличению концентрации продукта за единицу времени: v = -ΔСS/Δτ, v = ΔCP/Δτ, где ΔСS – изменение молярной концентрации субстрата (моль/л), ΔCP - изменение молярной концентрации продукта реакции (моль/л), Δτ - изменение времени (мин, с). Кинетические исследования желательно проводить при насыщающей концентрации субстрата, в противном случае фермент не будет иметь возможность проявить максимальную активность.

Единицы активности ферментов: Международная единица фермента (U) - это такое ко- личество фермента, которое катализирует превращение 1 мкмоль субстрата за 1 минуту при температуре 25 о С и оптимальном рН среды. В системе СИ единицей фермента является катал (кат) – это такое количество фермента, которое катализирует превращение одного моль субстрата за 1 секунду. Нетрудно подсчитать, что: 1 U = (1*10-6М)/60 с = 1,67*10-8 М с-1 = 1, 67 * 10-8кат = 16,7 нкат. Часто определяют удельную активность препаратов фермента делением активности навески препарата фермента, выраженной в (U), на массу навески в миллиграммах: Ауд = U/масса препарата (мг)

Для оценки активности высокоочищенных, гомогенных препаратов ферментов делением числа международных единиц (U) фермента в образце на количество вещества фермента (мкмоль) в этом образце рассчитывают молярную активность (число оборотов). По физическому смыслу молярная активность - это число молекул субстрата, подвергающихся превращению на одной молекуле фермента за 1 минуту или за 1секунду. Например: для уреазы молярная активность составляет 30000, трипсина - 102, глюкозоксидазы циклов в секунду.

Ингибирование ферментов Все типы ингибирования ферментов можно разделить на две большие группы: необратимое и обратимое ингибирование. Необратимые ингибиторы прочно связываются с молекулой фермента, и после удаления ингибитора (например, с помощью диализа), активность фермента не восстанавливается Например: цианиды и ионы тяжелых металлов, например, ртути, кадмия, меди, свинца, связывающиеся с карбоксильными и сульфгидрильными (- SH) группами в белках.

Обратимые ингибиторы отделяются от комп- лекса фермента с ингибитором при понижении их концентрации, и фермент восстанавливает свою каталитическую активность.

Конкурентные ингибиторы являются структур- ными аналогами субстрата и связываются в активном центре фермента, конкурируя с субстратом за место связывания. Они вызывают увеличение константы Михаэлиса, но не влияют на максимальную скорость реакции

Конкурентные ингибиторы

Неконкурентное ингибирование наблюдается, если ингибитор связывается вне активного центра. К неконкурентным ингибиторам относятся, например, тиоловые яды. Неконкурентные ингибиторы не влияют на константу Михаэлиса, но уменьшают максимальную скорость ферментативной реакции.

Неконкурентное ингибирование

Бесконкурентное ингибирование - ингибитор связывается только с фермент-субстратным комплексом, но не со свободным ферментом, изменяя его конформацию, что затрудняет катализ. Это связывание происходит вне активного центра фермента. Повышение концентрации субстрата увеличивает ингибирование фермента. Максимальная скорость реакции и константа Михаэлиса уменьшаются в одинаковое количество раз и на графике в двойных обратных координатах наблюдаются параллельные прямые

Бесконкурентное ингибирование i

Смешанное ингибирование встречается, если ингибитор связывается как в активном центре, так и вне его, а комплекс ЕI сохраняет частич- ную активность по сравнению с нативным ферментом. Такие ингибиторы увеличивают константу Михаэлиса и уменьшают максимальную скорость ферментативной реакции.

Смешанное ингибирование

Классификация ферментов В основе современной классификации ферментов лежит их разделение на шесть классов в зависимости от типа катализируемой реакции: 1)оксидоредуктазы; 2)трансферазы; 3)гидролазы; 4)лиазы; 5) изомеразы; 6) лигазы (синтетазы)

Оксидоредуктазы катализируют окислительно- восстановительные реакции.

Трансферазы катализируют реакции межмолекулярного переноса различных групп атомов Например: перенос альфа-аминогруппы аминокислот на место альфа-кетогруппы в кетокислотах аминотрансферазами (АЛТ – аланинаминотрансферазой )

Гидролазы катализируют расщепление внутримолекулярных связей с присоединением воды по разорванной связи: A B + H O A H + B OH 2, где А-В – субстрат В качестве примеров гидролаз можно привести протеиназы, катализирующие расщепление белков и пептидов; эстеразы, гидролизующие сложноэфирные связи, гликозидазы, разрывающие гликозидные связи с присоединением воды. Все пищеварительные ферменты относятся к классу гидролаз (некоторые из них: пепсин, трипсин, химотрипсин, амилаза, липаза, рибонуклеаза).

Лиазы катализируют разрыв и синтез связей С-О, С-N, С-C, а также обратимые реакции отщепления групп с образованием двойной связи.

Изомеразы. К классу изомераз относят ферменты, катализирующие обратимые взаимопревращения изомеров:

Лигазы (синтетазы) катализируют реакции синтеза различных веществ с использованием энергии АТФ или других макроэргических молекул. В качестве примера можно привести синтез карбамоилфосфата:

На основании приведенной системы классификации ферментов (КФ) был издан список ферментов, где каждому ферменту присвоен четырехзначный номер (номенклатура ферментов). Первая цифра номера указывает на принадлежность фермента к одному из шести классов. В пределах классов ферменты группируются в подклассы и подподклассы в соответствии с особенностями катализируемых реакций, четвертое число порядковый номер фермента в его подподклассе.

Например, кислая фосфатаза имеет шифр ; это означает, что она относится к классу гидролаз (3.), подклассу этих ферментов, действующих на сложноэфирные связи (3.1.), к подподклассу ферментов, гидролизующих моноэфиры фосфорной кислоты (3.1.3.), а порядковый номер фермента в данном подподклассе 2 ( ).

Типы регуляции ферментативной активности без изменения количества молекул фермента Влияние концентрации субстрата Скорость ферментативной реакции возрастает с увеличением концентрации субстрата согласно уравнению Михаэлиса- Ментен. Рост концентрации субстрата в клетке может быть результатом интенсификации его синтеза, увеличения внеклеточных концентраций или действия регулируемых мембранных белков- переносчиков.

Иногда субстрат может выступать в роли аллостерического активатора фермента. В этом случае зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата не подчиняется уравнению Михаэлиса-Ментен, а график этой зависимости представляет S-образную кривую. Примером аллостерической активации субстратом является влияние глюкозы на активность гексокиназы:

Влияние концентрации кофермента, кофакторов Скорость ферментативной реакции прямо пропорциональна концентрации фермента. Однако, могут наблюдаться ситуации, когда ферменты не имеют возможности полностью проявлять свою активность. Например, если в организме не хватает витаминов, то не синтезируется достаточное количество коферментов, тогда будет наблюдаться заниженная ферментативная активность. Такая же ситуация может иметь место при недостаточности ферментов синтеза коферментов из витаминов. Важно помнить также, что для проявления активности многих ферментов необходимо присутствие ионов металлов, которые выступают в роли кофакторов.

Влияние рН В ряде ситуаций значение рН в клетке изменяется весьма существенно. Например, в мышечных клетках при физической работе происходит расщепление АТФ до АДФ (или АМФ), высвобождается фосфорная кислота и накапливается лактат. В ре- зультате накопления лактата рН понижается до 5,0, и в этих условиях фермент креатинкиназа начинает катализировать синтез АТФ, необходимого клетке в этот момент, из креатинфосфата и АДФ: В состоянии покоя рН внутри клеток повышается до 9,0 и реакция протекает в противоположном направлении, приводя к накоплению креатинфосфата.

Изменение концентрации ингибиторов и активаторов Иногда в клетке резко изменяются концентрации тех или иных метаболитов, которые могут выступать в роли аллостерических эффекторов. В качестве активаторов фермента, как было сказано выше, часто выступают молекулы субстрата. Для многих процессов, включающих последовательные ферментативные реакции, характерным является так называемое ингибирование по типу обратной связи или ретроингибирование, заключающееся в торможении одного из первых ферментов конечным продуктом цепи превращений.

Ретроингибирование позволяет затормозить процесс в самом начале, если синтезируемый продукт имеется в достаточном количестве: Часто такое ингибирование происходит по аллосте- рическому механизму. Пример ретроингибирования – синтез гема. Первую, ключевую реакцию синтеза гема катализирует фермент аминолевулинатсинтаза, аллостерическим ингибитором которого является сам гем.