Субстратная специфичность. Механизм действия — КиберПедия 

Двойное оплодотворение у цветковых растений: Оплодотворение - это процесс слияния мужской и женской половых клеток с образованием зиготы...

Индивидуальные очистные сооружения: К классу индивидуальных очистных сооружений относят сооружения, пропускная способность которых...

Субстратная специфичность. Механизм действия

2019-07-13 167
Субстратная специфичность. Механизм действия 0.00 из 5.00 0 оценок
Заказать работу

Классификация

Название - добавление суффикса -аза к названию субстрата, то есть соединения, на которое воздействует фермент. Часто неоднозначно, поэтому широко применяются тривиальные названия (трипсин, пепсин, каталаза). Слишком много - Международная комиссия по ферментам - новая классификация и номенклатура. По новой классификации все ферменты разделяются на шесть главных классов, подклассы и подподклассы. Т.о. каждыый фермент помимо названия имеет код из четырех чисел (+ порядковый номер в подподклассе). Ферменты классифицируются не как индивидуальные вещества, а как катализаторы (по типу реакции, субстрату и продукту). Т.о. под одним шифром фигурируют одинаковые ферменты, выделенные из разных оганизмов и существенно отличающиеся друг от друга по строению.

1. Оксиредуктазы (окислительно-восстановительные реакции). Название складывается из названия восстановителя (донора электронов), окислителя (акцепторра электронов) и названия класса. Нпр алкоголь:НАД+-оксидоредуктаза катализирует окисление этанола до ацетальдегида с использованием в качестве кофермента НАД+. Подклассы определяются типом соединений, действующих как доноры электронов:

1.1.  СН-ОН группу до альдегидной;

1.2. на С=О группу (карбонилы до карбоксилов);

1.3. окисление НСН-НСН до СН=СН

1.4. СН-NH2 обычно до карбонилов и аммиака (в Ленинджере на СН=NH2)

1.5. CH-NH (???)

1.6. на НАД*Н и НАДФ*Н

1.13. Диоксигеназы (введение из О2 двух атомов кислорода)

1.14. Монооксигеназы (введение из О2 одного атома кислорода).

Подподклассы определяются субстратом-окислителем:

*.*.1. НАД+ или НАДФ+ - такие ферменты называют дегидрогеназами, т.к. они катализируют реакции передачи двух атомов водорода.Например, вышеупомянутый фермент (СН3СН2ОН + НАД+ ↔ СН3СНО + НАДН + Н+) рекомендуется называть алкогольдегидрогеназой. Шифр: 1.1.1.1 (первый фермент в подподгруппе).

2. Трансферазы (перенос функциональных групп за исключением реакций гидролиза):

XY + Z ↔ X + YZ                    (XY≠H2O или ОН)

Систематическое название: XY:Z Y-трансфераза. Пример: фосфофруктокиназа катализирует перенос остатка фосфорной кислоты от АТФ на фруктозо-6-фосфат:

СН2ОН-СО-(СНОН)3-СН2ОРО32- + АТФ ↔ 2-О3РОСН2-СО-(СНОН)3-СН2ОРО32- + АДФ

По систематической номенклатуре: АТФ:Фруктозо-1-фосфат фосфотрансфераза.

Тривиальное название Систематическое название Катализируемая реакция
Гексокиназа АТФ:D-гексоза 6-фосфотрансфераза АТФ + D-гексоза = АДФ + D-гексоза-6-фосфат

Шифр: 2.7.1.1.

Трансфераза

Подкласс фосфотрансферазы

Подподкласс фосфотрансферазы с гидроксильной группой в качестве акцептора

Номер в подподклассе – акцептор D-гексоза.

Подклассы в соответствии с переносимыми группами.

3. Гидролазы (реакции гидролиза). Подклассы по типам гидролизуемых связей. Рекомендуемые названия для многих гидролаз – добавлением суффикса –аза к названию гидролизуемого субстрата. В том числе групповые названия уже упоминавшихся пептидаз, нуклеаз, липаз.

Важное значение гидролаз при уничтожении ненужных полимеров. При процессинге белков. Многие синтезируются в виде более крупных нефункционирующих полимеров (пробелков). Затем лишняя часть отщепляется. Важно для свертыванияв необходимую третичную структуру. Используется для доставки неактивного предшественника к мишени.

4. Лиазы. С одной стороны – негидролитическоерасщепление субстрата с образованием двойной связи, с другой стороны - присоединение по двойным связям. Пример: карбоангидраза: НО-СОО- + Н+ ↔ СО2 + Н2О.

Классифицируются по типу разрываемой связи. Название из расщепляемого субстрата, названия отщепляемого фрагмента и слова «лиаза». Отсюда систематическое название карбоангидразы – карбонат гидролиаза. Большой подкласс С-С-лиаз катализирует отщепление углекислоты от карбоновых кислот. Такие ферменты называются декарбоксилазы.

5. Изомеразы (изомеризация)

5.1. Рацемазы

6. Лигазы или синтетазы (образование связей за счет АТФ или ГТФ).

Кофакторы

Активность ряда ферментов зависит только от структуры самого белка, для других - требуется присутствие определенных групп небелковой природы, так называемых кофакторов. Могут быть металлы или сложные органические соединения, называемые коферментами; иногда требуется наличие и тех и других. Кофакторы как правило термостабильны, большинство коферментов при нагревании инактивируются. Связывание кофактора и фермента - различная степень сродства, иногда можно разделить диализом, иногда связаны ковалентно. Природный комплекс фермента с кофактором - голофермент, неактивный фермент после удаления кофактора - апофермент. Коферменты, очень прочно связанные с белком фермента, обычно называют простетической группой фермента. Однако в большинстве случаев кофермент связан с белком очень слабо и ведет себя в какой-то мере подобно субстрату. Многие важнейшие коферменты не могут синтезироваться организмом и должны поступать с пищей, то есть являются витаминами (рибофлавин, тиамин, пантотеновая к-та, никотинамид).

 

Витамин Активная форма Реакции
А (ретинол) Ретиналь Зрительный процесс
РР (никотиновая кислота) НАД+, НАДФ+ Оксидоредуктазы: дыхание, перенос водорода
В1 (тиамин) Тиаминпирофосфат Декарбоксилирование α-кетокислот, перенос активного альдегида (транскетолазы)
В2 (рибофлавин) ФАД, ФМН Оксидоредуктазы: дыхание, перенос водорода
В3 (пантотеновая кислота) КоА Перенос ацильных групп
В6 (пиридоксин, пиродоксаль, пиридоксамин) Пиридоксальфосфат Аминотрансферазы и декарбоксилазы
В12 (кобаламин) дезоксиаденозилкобаламин Перенос алкильных групп
D (кальциферолы) 1,25-диоксикальциферол Обмен кальция и фосфора
Н (биотин) Биотин Карбоксилазы (перенос СО2)
К (филлохинон) - Перенос электронов (кофактор в реакциях декарбоксилирования)
С (аскорбиновая кислота) Аскорбиновая кислота оксидоредуктазы
ВС  (фолиевая кислота) Тетрагидрофолат Переносчик одноуглеродных фрагментов
  Гем Перенос электронов
  КоQ Перенос электронов

 

Ингибирование ферментов

1. При изучении ингибирования получены многие основные факты о действии ферментов.

2. Ингибирование различных ферментов специфическими клеточными компонентами служит одним из факторов, регулирующих ход ферментативных реакций в интактной клетке.

Различают обратимое и необратимое ингибирование. Необратимое обычно сопровождается разрушением или модификацией одной или нескольких функциональных групп фермента. Обратимое подчиняется количественным законам УММ, в свою очередь подразделяется на конкурентное и неконкурентное. Конкурентное может быть ослаблено или устранено увеличением концентрации субстрата. На неконкурентное концентрация субстрата не влияет.

Конкурентное ингибирование

Классический пример - ингибирование сукцинатдегидрогеназы малонатом и другими дикарбоновыми кислотами. (Потренируемся по названиям ферментов). Относится к ферментам цикла трикарбоновых кислот, катализирует отщепление 2 водородов от двух метиленовых групп сукцината:

-OOC-CH2- CH2-COO-  + акцептор → -OOC-CH=CH-COO- + восстановленный акцептор

сукцинат                                              фумарат

-OOC-CH2 -COO-        -OOC-COO-           -OOC-CH2- CО-COO-

   малонат                оксалат            оксалоацетат

Ингибируется малонатом (напоминает сукцинат тем, что при рН7,0 также имеет две ионизированные карбоксильные группы. Однако отщеплять водород от малоната не может.При конкурентном ингибировании степень ингибирования зависит не от абсолютной концентрации ингибитора, а от соотношения концентраций ингибитора и субстрата. При соотношении малоната и сукцината 50:1 скорость реакции снижется в 2 раза независимо от абсолютных концентраций. Ингибируют и другие дикарбоновые кислоты и даже пирофосфат - отрицательные группировки находятся примерно на одинаковом расстоянии. Отсюда вывод - каталитический центр содержит две определенным образом расположенные положительно заряженные группировки, способные притягивать два карбоксила. Можем сказать, что структура каталитического центра комплементарна по отношению к структуре субстрата.

Изучение многих примеров - вывод: конкурентный ингибитор реагирует с ферментом, попадая в тот же центр связывания, что и субстрат, в результате чего происходит обратимое образование комплекса EI.

     k1

E+I ↔ EI

    k2

Следуя формализму теории ММ, ингибиторную константу Ki можно определить как отношение констант скоростей Ki= k1/ k2 . Таким образом Ki представляет собой константу диссоциации фермент-ингибиторного комплекса Ki=[E][I]/[EI].

Легко распознается путем построения графиков Лайнуивера-Бэрка при разных концентрациях ингибитора. При истинном конкурентном - набор прямых, отличающихся углом наклона и пересекающих ось ординат в одной точке. То есть. присутствие конкурентного ингибитора не меняет значение Vmax - при любой концентрации ингибитора можно добавить столько субстрата, что активность фермента будет максимальной. В присутствии конкурентного ингибитора кажущаяся величина Km будет больше ее истинного значения на величину, равную разнице в длине отрезков отсекаемых по оси абсцисс. В случае неингибированной реакции тангенс равен Km/ Vmax.  В присутствии ингибитора тангенс увеличивается в (1+[I]) / Ki раз. Из этого соотношения можно рассчитать величину Ki.

1/v                                                1/v

1/[S] 1/[S]

 

Субстратная специфичность. Механизм действия

Наиболее характерная черта ферментов как катализаторов – высокая специфичность. Структура активного центра фермента комплементарна структуре его субстрата. Вследствие этого фермент из множества соединений, присутстующих в клетке, связывается только со своим субстратом. Эту особенность называют субстратной специфичностью фермента.

Кроме того, как правило, каждый фермент может катализировать только одно определенное химическое превращение субстрата. Это свойство называют специфичностью пути превращения. Вследствие этих двух свойств ферментативные реакции в условиях смеси огромного числа неучаствующих в реакции посторонних веществ протекают со 100%-м выходом, т.е не сопровождаются образованием побочных продуктов. Этим принципиально отличаются от искусственных катализаторов: образуется один или несколько побочных продуктов (следовательно выход менее 100%), причем на каждом этапе требуется тщательная очистка промежуточного продукта.

Давно высказана гипотеза - структура молекулы субстрата или какая-то ее часть находится в точном геометрическом соответствии со структурой каталитического центра - ключ к замку. Некоторые ферменты - почти абсолютная специфичность и не взаимодействуют с даже с близкородственными молекулами. Аспартаза - обратимое присоединение иона аммония по двойной связи фумарата (водороды находятся в транс-положении)

-OOC-CH=CH-COO- + NH4+-OOC-CH2-CHNH2-COO- + H+

фумарат                                                  L-аспартат

Не присоединяет аминогруппу ни к одной другой кислоте, в т.ч. к цис-изомеру фумарата – малеату. Не дезаминирует глутамат, различные монокарбоновые аминокислоты, D-аспартат. Действие строго специфично.

Другие ферменты могут иметь относительно широкую специфичность – взаимодействуют со многими веществами со сходной структурой. Например, химотрипсин – гидролиз полипептидов на участках, где карбонильная группа принадлежит остаткам фенилаланина, тирозина или триптофана.

Изучение субстратной специфичности привело к идее о комплементарности субстрата и специфического участка фермента, которые подходят друг к другу как ключ к замку. К этому участку, называемому активным центром присоединяется субстрат.

Субстрат должен обладать двумя структурными особенностями. 1. Содержать специфическую химическую связь, которую бы фермент мог атаковать. 2) Содержать функциональную группу (группы), которая способна связываться с ферментом и располагать молекулу субстрата в активном центре необходимым образом. Химотрипсин: связь – пептидная, связывающая группа – ароматическая. Используя синтетические субстраты, показано, что наряду с пептидными химотрипсин способен разрушать амидные и сложноэфирные связи. В качестве связующей группы может выступать не ароматика, а насыщенные 6-членные кольца. Это означает, что связь субстрата с ферментом происходит только за счет гидрофобного взаимодействия.

Факторы, определяющие каталитическую эффективность фермента:

1. Сближение и ориентация. Связывает субстрат так, что связь находится не только рядом с каталитической группой, но и правильно ориентирована по отношению к ней. Сильно возрастает вероятность достижения комплексом переходного состояния.

2. Напряжение и деформация связи вследствие индуцированного соответствия субстрата и фермента. Присоединение субстрата может приводить к конформационным изменениям фермента. Как следствие – напряжение в структуре активного центра и деформация субстрата. В конечном счете – облегчение достижения переходного состояния. При этом возникает т.н. индуцированное соответствие фермента субстрату. Изменение третичной и четвертичной структуры фермента может играть роль механического рычага для субстрата. Иными словами, фермент фиксирует субстрат в конформации, существенно более близкой по своей геометрии к активированному комплексу реакции, чем конформация субстрата, преобладающая у несвязанных молекул.

3. Общий кислотно-основной катализ. В активном центре могут находиться доноры (-СООН, -N+H3, -SH…) или акцепторы (-COO-, -NH2, -S-…) протонов. Мощные катализаторы в водных растворах.

4. Ковалентный катализ. Некоторые ферменты реагируют со своими субстратами, образуя ковалентные очень нестабильные фермент-субстратные комплексы.

5. В пептидах отсутствуют какие -либо группы, способные участвовать в окислительно-восстановительном катализе. В этом случае в качестве кофакторов используются ионы металлов с переменной валентностью или специальные органические молекулы, например, гем или флавиновые коферменты (ФАД и ФМН).

Белок организует работу кофактора наиболее эффективным образом. В зависимости от структуры белка может усиливаться одна из присущих кофактору нескольких функций, в результате в разных комплексах один и тот же кофактор выполняет разные функции, как это обсуждалось при рассмотрении функционирования гема в составе гемоглобина (раздел 2.11).

Неферментативная реакция Ферментативная реакция
RX + H2O → ROH + HX RX + E-OH → ROH + EX EX + H2O → E-OH + HX

Химическая реакция протекает тогда, когда некоторая доля молекул А в данный момент времени обладает большей энергией, чем остальная часть молекул, и этой энергии оказывается достаточно для перехода в активированное состояние, в котором появляется возможность разрыва или образования новой химической связи, ведущего к образованию продукта. Энергия активация – количество энергии, которое необходимо для перевода при данной температуре всех молекул одного моля вещества в активированное состояние. Мы не сгораем из-за потенциального барьера.

Во всякой реакции существует переходное состояние, которое характеризуется высокой свободной энергией и определяется как состояние взаимодействующих молекул, соответствующее вершине активационного барьера. Скорость реакции пропорциональна концентрации молекул в переходном состоянии. Повышение температуры – увеличение энергии теплового движения – увеличение числа молекул, способных достичь переходного состояния. Во многих реакциях – на 100С – в 2 раза.

Катализаторы (в т.ч. ферменты) ускоряют реакцию, понижая свободную энергию активации. Связывание субстрата с катализатором приводит к появлению нового переходного состояния, характеризующегося меньшей энергией активации. Образование продукта сопровождается регенерацией свободного катализатора.

В общем случае катализируемая реакция проходит по иному пути с иными промежуточными продуктами по сравнению с некатализируемой. Т.е. в организме одновременно протекают две реакции: ферментативная и неферментативная. Однако вследствие естественного отбора эффективность ферментов так высока, что скорость неферментативной реакции в тысячи или миллионы раз ниже, чем скорость ферментативной.

NO2 + SO2 → NO + SO3

NO + 1\2O2 → NO2

Классификация

Название - добавление суффикса -аза к названию субстрата, то есть соединения, на которое воздействует фермент. Часто неоднозначно, поэтому широко применяются тривиальные названия (трипсин, пепсин, каталаза). Слишком много - Международная комиссия по ферментам - новая классификация и номенклатура. По новой классификации все ферменты разделяются на шесть главных классов, подклассы и подподклассы. Т.о. каждыый фермент помимо названия имеет код из четырех чисел (+ порядковый номер в подподклассе). Ферменты классифицируются не как индивидуальные вещества, а как катализаторы (по типу реакции, субстрату и продукту). Т.о. под одним шифром фигурируют одинаковые ферменты, выделенные из разных оганизмов и существенно отличающиеся друг от друга по строению.

1. Оксиредуктазы (окислительно-восстановительные реакции). Название складывается из названия восстановителя (донора электронов), окислителя (акцепторра электронов) и названия класса. Нпр алкоголь:НАД+-оксидоредуктаза катализирует окисление этанола до ацетальдегида с использованием в качестве кофермента НАД+. Подклассы определяются типом соединений, действующих как доноры электронов:

1.1.  СН-ОН группу до альдегидной;

1.2. на С=О группу (карбонилы до карбоксилов);

1.3. окисление НСН-НСН до СН=СН

1.4. СН-NH2 обычно до карбонилов и аммиака (в Ленинджере на СН=NH2)

1.5. CH-NH (???)

1.6. на НАД*Н и НАДФ*Н

1.13. Диоксигеназы (введение из О2 двух атомов кислорода)

1.14. Монооксигеназы (введение из О2 одного атома кислорода).

Подподклассы определяются субстратом-окислителем:

*.*.1. НАД+ или НАДФ+ - такие ферменты называют дегидрогеназами, т.к. они катализируют реакции передачи двух атомов водорода.Например, вышеупомянутый фермент (СН3СН2ОН + НАД+ ↔ СН3СНО + НАДН + Н+) рекомендуется называть алкогольдегидрогеназой. Шифр: 1.1.1.1 (первый фермент в подподгруппе).

2. Трансферазы (перенос функциональных групп за исключением реакций гидролиза):

XY + Z ↔ X + YZ                    (XY≠H2O или ОН)

Систематическое название: XY:Z Y-трансфераза. Пример: фосфофруктокиназа катализирует перенос остатка фосфорной кислоты от АТФ на фруктозо-6-фосфат:

СН2ОН-СО-(СНОН)3-СН2ОРО32- + АТФ ↔ 2-О3РОСН2-СО-(СНОН)3-СН2ОРО32- + АДФ

По систематической номенклатуре: АТФ:Фруктозо-1-фосфат фосфотрансфераза.

Тривиальное название Систематическое название Катализируемая реакция
Гексокиназа АТФ:D-гексоза 6-фосфотрансфераза АТФ + D-гексоза = АДФ + D-гексоза-6-фосфат

Шифр: 2.7.1.1.

Трансфераза

Подкласс фосфотрансферазы

Подподкласс фосфотрансферазы с гидроксильной группой в качестве акцептора

Номер в подподклассе – акцептор D-гексоза.

Подклассы в соответствии с переносимыми группами.

3. Гидролазы (реакции гидролиза). Подклассы по типам гидролизуемых связей. Рекомендуемые названия для многих гидролаз – добавлением суффикса –аза к названию гидролизуемого субстрата. В том числе групповые названия уже упоминавшихся пептидаз, нуклеаз, липаз.

Важное значение гидролаз при уничтожении ненужных полимеров. При процессинге белков. Многие синтезируются в виде более крупных нефункционирующих полимеров (пробелков). Затем лишняя часть отщепляется. Важно для свертыванияв необходимую третичную структуру. Используется для доставки неактивного предшественника к мишени.

4. Лиазы. С одной стороны – негидролитическоерасщепление субстрата с образованием двойной связи, с другой стороны - присоединение по двойным связям. Пример: карбоангидраза: НО-СОО- + Н+ ↔ СО2 + Н2О.

Классифицируются по типу разрываемой связи. Название из расщепляемого субстрата, названия отщепляемого фрагмента и слова «лиаза». Отсюда систематическое название карбоангидразы – карбонат гидролиаза. Большой подкласс С-С-лиаз катализирует отщепление углекислоты от карбоновых кислот. Такие ферменты называются декарбоксилазы.

5. Изомеразы (изомеризация)

5.1. Рацемазы

6. Лигазы или синтетазы (образование связей за счет АТФ или ГТФ).

Кофакторы

Активность ряда ферментов зависит только от структуры самого белка, для других - требуется присутствие определенных групп небелковой природы, так называемых кофакторов. Могут быть металлы или сложные органические соединения, называемые коферментами; иногда требуется наличие и тех и других. Кофакторы как правило термостабильны, большинство коферментов при нагревании инактивируются. Связывание кофактора и фермента - различная степень сродства, иногда можно разделить диализом, иногда связаны ковалентно. Природный комплекс фермента с кофактором - голофермент, неактивный фермент после удаления кофактора - апофермент. Коферменты, очень прочно связанные с белком фермента, обычно называют простетической группой фермента. Однако в большинстве случаев кофермент связан с белком очень слабо и ведет себя в какой-то мере подобно субстрату. Многие важнейшие коферменты не могут синтезироваться организмом и должны поступать с пищей, то есть являются витаминами (рибофлавин, тиамин, пантотеновая к-та, никотинамид).

 

Витамин Активная форма Реакции
А (ретинол) Ретиналь Зрительный процесс
РР (никотиновая кислота) НАД+, НАДФ+ Оксидоредуктазы: дыхание, перенос водорода
В1 (тиамин) Тиаминпирофосфат Декарбоксилирование α-кетокислот, перенос активного альдегида (транскетолазы)
В2 (рибофлавин) ФАД, ФМН Оксидоредуктазы: дыхание, перенос водорода
В3 (пантотеновая кислота) КоА Перенос ацильных групп
В6 (пиридоксин, пиродоксаль, пиридоксамин) Пиридоксальфосфат Аминотрансферазы и декарбоксилазы
В12 (кобаламин) дезоксиаденозилкобаламин Перенос алкильных групп
D (кальциферолы) 1,25-диоксикальциферол Обмен кальция и фосфора
Н (биотин) Биотин Карбоксилазы (перенос СО2)
К (филлохинон) - Перенос электронов (кофактор в реакциях декарбоксилирования)
С (аскорбиновая кислота) Аскорбиновая кислота оксидоредуктазы
ВС  (фолиевая кислота) Тетрагидрофолат Переносчик одноуглеродных фрагментов
  Гем Перенос электронов
  КоQ Перенос электронов

 


Поделиться с друзьями:

Архитектура электронного правительства: Единая архитектура – это методологический подход при создании системы управления государства, который строится...

Наброски и зарисовки растений, плодов, цветов: Освоить конструктивное построение структуры дерева через зарисовки отдельных деревьев, группы деревьев...

Особенности сооружения опор в сложных условиях: Сооружение ВЛ в районах с суровыми климатическими и тяжелыми геологическими условиями...

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой...



© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

0.077 с.