Лекция 3. Биохимия ферментов.

Строение ферментов

Организм животного неразрывно связан с множеством химических реакций. Эти реакции протекают под действием специфических белков – ферментов. Ферменты выполняют функции катализа химических реакций, т.е. не расходуются в процессе реакции, при этом скорость реакции могут увеличивать в несколько раз.

В молекуле фермента различают белковую и небелковую части. Белковая часть носит название – аппофермент, не белковая часть называется - кофермент. Не белковой частью могут быть витамины, особенно группы В, а также микроэлементы (медь, цинк, кобальт, никель, марганец и др.). Кроме того, коферменты могут быть представлены металлами или более сложными органическими соединениями.

Молекулярная масса ферментов находится в диапазоне от 10000 до нескольких миллионов. Средняя масса аминокислоты составляет 100 дальтонов. Отсюда следует, что фермент с наименьшей молекулярной массой 10000 содержит примерно 100 аминокислот. Большинство субстратов имеют намного меньшие размеры молекул, чем ферменты, которые действуют на них. Размеры молекул многих субстратов близки к размеру молекул одной аминокислоты. При действии фермента на субстрат образуется фермент субстратный комплекс.

F S F

В момент создания комплекса фермент так влияет на субстрат, что связи становятся не устойчивыми и происходит перераспределение энергии. В каталитическом контакте принимает участие не вся молекула фермента. От молекулы фермента можно отделить часть и каталитическая активность его не изменится. Фермент Эренида содержит в своем составе 124 аминокислоты. Если отделить от неё 20 аминокислот, то каталитическая активность фермента не нарушится. Непосредственное участие в каталитическом контакте принимает только определенная часть молекулы фермента, которая называется активным центром фермента.

Классификация ферментов

Классификация ферментов не носит строгого характера, ряд ферментов сохраняют старые названия (трипсин), для названия других прибавляют суффикс «аза», к названию субстрата который они катализируют (липаза).

Международный биохимический съезд 1961 г. утвердил 6 классов ферментов на основе типа химической реакции, которую они катализируют.

1. Оксидоредуктазы. – это ферменты, осуществляющие реакции окисления и восстановления, или перенос электронов от донора к акцептору. Окисление – это отнятие атома водорода от субстрата, восстановление – это присоединение атома водорода к акцептору.

2. Трансферазы – это ферменты, осуществляющие перенос функциональной группы, не содержащей электронов водорода, с одной молекулы на другую. Так в результате реакции трансаминирования происходит образование новой аминокислоты и кетокислоты.

3. Гидролазы – это ферменты, которые расщепляют субстрат, вводят в него молекулы воды с помощью специфических связей. Это все ферменты пищеварительных соков.

4. Лиазы – это ферменты, расщепляющие внутримолекулярные связи в молекулах субстратов не гидролитическим путем с удалением молекулы воды или углекислого газа. Участвуют в сложных реакциях типа цикла Кребса.

5. Изомеразы – это ферменты, участвующие в реакциях внутримолекулярной изомеризации.

6. Лигазы – это ферменты, обеспечивающие синтез веществ протекающие с затратами энергии.

Свойства ферментов

Ферменты являются специфическими белками. Они обладают специфическими свойствами, которых нет у неорганических веществ.

1. Высокая скорость химических реакций.

Число оборотов – сколько раз в 1 минуту 1 молекула фермента может преобразовать молекулу субстрата.

Например, фермент каталаза расщепляет Н₂О₂ на О₂ и Н₂О. Для этого процесса число оборотов равно 5 млн. Фермент ацетилхолинэстераза имеет число оборотов 18 млн. Чтобы молекула вступила в химическую реакцию, она должна быть проактивирована. Запас энергии в активированных молекулах больше, чем средний запас энергии в усредненных молекулах. Отличительной чертой всех ферментов является то, что они уменьшают реакцию активации и Н₂О₂ может спонтанно расщепляться на О₂ и Н₂О при хранении в открытом сосуде при комнатной температуре. При добавлении в раствор Н₂О₂ неорганического катализатора энергетическая активность фермента снижается. Ферменты проводят энергетические реакции в обход энергетического барьера.

На скорость ферментативных реакций оказывает влияние температура, концентрация водородных ионов и концентрация фермента и реагирующего вещества. Повышение температуры на 10⁰С вдвое увеличивает скорость ферментативной реакции. Каждый фермент имеет оптимальную скорость при определенном значении концентрации водородных ионов (рН). Например, фермент пепсин, который содержится в желудочном соке, имеет наибольшую активность при рН от 1,5 – 2,5. В то же время, фермент трипсин, который входит в состав сока поджелудочной железы, наибольшую активность имеет при рН от 8 – 9. У большинства ферментов максимальная активность развивается при рН = 7. В организме животного ферменты осуществляют каталитические процессы при температуре находящейся в пределах 35⁰ – 40⁰С. Дальнейшее повышение температуры приводит к денатурации белковой молекулы и снижению ферментативной активности. Существуют вещества, которые способны значительно снижать активность ферментов. Это в первую очередь соли тяжелых металлов (ртуть, мышьяк, свинец, кадмий). Все эти элементы являются ядовитыми. Активность ферментов может увеличиваться при действии на них слабых окислителей и восстановителей (например, аскорбиновая кислота).

Факторы, действующие на активность фермента.

-скорость синтеза (образования) фермента.

-проницаемость клеточных мембран для данного фермента. В норме мембраны слабо пропускают ферменты, а для некоторых ферментов мембраны не проницаемы.

-мощность лизиса (разрушение) и некроза (отмирание) ткани. При них клетки гибнут, и ферменты из них выходят в кровь.

-в кровяном русле происходит активация ферментов.

2. Ферменты характеризуются высокой специфичностью действия.

По специфичности действия ферменты делятся на две группы:

- ферменты с абсолютной специфичностью действия

- ферменты с относительной специфичностью действия

Например, аминокислота аргинин гидролизуется (разлагается) в клетках печени животных ферментом – аргиназой, с образованием мочевины и ориетина. Если в аргинине заменить 1 атом Н₂ на метиловую группу СН₃ (получится эфир), то аргиназа не будет расщеплять это соединение.

Таким образом, ферменты с абсолютной специфичностью действия требовательны к наличию в субстрате определенной связи, которую они расщепляют. Также структура субстрата в целом не должна быть нарушена, то есть необходимо как химическое, так и геометрическое соответствие.

Однако известна большая группа ферментов с относительной специфичностью действия. Например, фермент липаза расщепляющий жиры (триглицериды). Этот фермент чувствителен к присутствию в субстрате определенной химической связи и безразличен к структуре субстрата в целом.

3. Чувствительность фермента к концентрации субстрата.

Для определения чувствительности введено понятие насыщение фермента субстратом. У разных ферментов скорость насыщения различна. Количественной оценкой скорости насыщения фермента субстратом является – константа Михаелиса. Это такая концентрация субстрата, при которой скорость ферментативной реакции равна ½ максимальной скорости. У каждого фермента своя константа Михаелиса. Если константа Михаелиса малая величина, то такой фермент способен быстро насыщаться субстратом. Если константа Михаелиса большая величина, то такой фермент медленно насыщается субстратом и долго может участвовать в химической реакции. Это очень важно для организма. Например, в клетках различных органов животных и человека находится фермент лактатдегидрогеназа (ЛДГ). Субстратом для него является молочная кислота. В сердечной мышце константа Михаелиса для ЛДГ равна 3х10^-3м/л. Для скелетной мышцы константа Михаелиса равна 9х10^-5м/л.

4. Чувствительность ферментов.

Ферменты отличаются очень высокой чувствительностью к определенным химическим соединениям, например, к ингибиторам – веществам, вызывающим торможение реакции. Ингибиторами ферментов часто являются лекарственные препараты, например антибиотики.

Стенка бактерии покрыта оболочкой, состоящей из муреина. Муреин – это вещество, состоящее из полисахаридных цепей, соединенных мостиками. Для образования муреина необходим фермент транспептидаза. Этот фермент в муреине образует пептидные связи, соединяющие тетрапептиды в октопептиды. При введении пенициллина действие транспептидазы ингибируется. При этом не будет завершаться процесс образования муреина. Муреин будет прорываться и через образовавшееся отверстие выливаться в содержимое клетки, то есть пенициллин будет осуществлять бактерицидный эффект.

Механизм действия ферментов.

В настоящее время существует несколько теорий ферментативного катализа. В основе этого процесса лежит представление о том, что фермент снижает энергетическую активность химических связей того вещества, на которое он действует. Современной теорией ферментативного катализа является теория промежуточных соединений, по которой фермент, действуя на какое-либо вещество, образует с ним промежуточные соединения. В этот момент связи у вещества ослабевают, и оно распадается, а фермент вновь принимает участие в ферментативных реакциях.