Биологическая роль углеводов.

Углеводы являются основным энергетическим материалом в организме. При окислении 1 г глюкозы высвобождается 4,1 ккал. Углеводы необходимы для окисления липидов. Гликоген и крахмал являются запасным энергетическим материалом.

Рибоза входит в состав нуклеотидов РНК, АТФ, НАД, ФАД, витамина В₁₂ и других веществ, а дезоксирибоза - в состав ДНК.

Углеводы являются источником пластического материала для биосинтеза триглицеридов, холестерина, заменимых аминокислот и других веществ.

Гетерополисахариды являются небелковой частью гликопротеинов, участвующих в многих процессах: формировании соединительной ткани, развитии иммунной реакции, свертывании крови и др.

 

 

Лекция № 2

ФЕРМЕНТЫ

План

1.Структура ферментов

2. Свойства ферментов.

 

 

Структура ферментов

Ферменты (энзимы) – белки, являющиеся биологическими катализаторами. По строению могут быть простыми и сложными белками. Последние состоят из белковой части (апофермента) и небелковой части (кофермента). По отдельности каталитической активностью не обладают, активны лишь вместе. Существуют мультиферментные комплексы, состоящие из нескольких ферментов

Некоторые ферменты имеют четвертичную структуру – состоят из двух и более радикалов более мелких белков (субъединиц). Некоторые ферменты могут катализировать одну реакцию, но отличаться по строению субъединиц.

Их называют изоферментами. Например, креатинкиназа-1 мозга состоит из субъединиц ВВ, креатинкиназа-2 миокарда - из субъединиц ВМ, а креатинкиназа-3 скелетных мышц – из субъединиц ММ.

В молекуле фермента различают активый и аллостерический центры. К первому из них присоединяется вещество, на которое действует фермент (субстрат), происходит его превращение, образуется продукт реакции. Этот центр занимает лишь часть молекулы фермента. В его составе выделяют контактный участок, к которому присоединяется субстрат и каталитический центр, где происходит ферментативная реакция. В составе каталитического центра могут быть радикалы аминокислот, содержащие группы –СООН, -ОН, -NH₂ и др., а у ферментов-сложных белков – и кофермент.

Аллостерический центр (allos – другой) – участок фермента, к которому присоединяются вещества, отличные от субстрата, способные изменять форму активного центра, ускоряя таким образом ферментативную реакцию (активаторы) или замедляя ее (ингибиторы). Такими веществами могут быть продукты собственной реакции, других реакций, гормоны и др.

Строение коферментов.

Различают коферменты витаминные т невитаминные.

Витаминные коферменты.. К ним относят никотинамидные, флавиновые, тиаминовые, пиридоксалевые, пантотеновые, кобаламиновые и другие коферменты.

Никотинамидные коферменты – производные витамина РР.

К ним относят никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и никотинамидадениндинуклеотид фосфат (НАДФ). НАД из соединенных между собой остатков аденозинмонофосфата (АМФ) и никотинамидрибозилмонофосфата (НМФ). Он входит в состав ферментов дегидрогеназ, отщепляющих ионы водорода от гидроксильных, альдегидных или аминогрупп. Ионы водорода присоединяются к атому углерода никотинамида, находящемуся в четвертом положении. НАД способен переносить ионы водорода в дыхательную цепь митохондрий, где они окисляются с образованием АТФ.

НАДФ отличается по строению тем, что к второму углеродному атому радикала рибозы АМФ присоединяется остаток фосфорной кислоты. Является коферментом дегидрогеназ пентозного цикла, откуда ионы водорода поставляются в реакции биосинтеза различных веществ.

 

Флавиновые коферменты – производные витамина В₂.

К ним относя флавинмононуклеотидд (ФМН) и флавинадениединуклеотид (ФАД). Первый из них входит в состав дыхательной цепи митохондрий. Он принимает ионы водорода и электроны от НАД-Н₂ и передает их убихинону.

 

 

 

ФАД состоит из остатков АМФ и ФМН. Является коферментом дегидрогеназ, отщепляющих ионы водорода от янтарной кислоты и активированных жирных кислот. Ионы водорода присоединяются к атомам азота изоалаксозинового цикла и переносятся в дыхательную цепь митохондрий.

 

Тиаминовые коферменты – производные витамина В₁. К ним относя тиаминдифосфат (ТДФ). Входит в состав транскетолазы пентозного цикла, а также ферментов отщепляющих углекислый газ от пировиноградной и альфа-кетоглутаровой кислот.

 

 

Пиридоксальфосфат (ПФ) – производное витамина В₆. Входит в состав ферментов обмена аминокислот – декарбоксилаз, трансамназ.

 

Пантотеновые коферменты – производные витамина В₃. К ним относят коэнзим А (КоА), входящий в состав ферментов, переносящих остатки уксусной, янтарной или жирных кислот.

 

СН₃ ОН

!!

АДФ-О - СН₂ - С----СН – СО – NH - СН₂ -СН₂ - COOH

!

СН₃

Коэнзим А

Фолатные коферменты - производные витамина В_с (фолиевой кислоты).

Участвуют в переносе метильных, альдегидных и других одноуглеродных фрагментов

Невитаминными коферментами могут быть гем (у каталазы, цитохромов и др. ферментов), ионы металлов (у глутатионпероксидазы, супероксиддисмутазы, амилазы и др.), глутатион (у глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы), мононуклеотиды (АМФ, ГМФ, ЦМФ) и др.

 

 

Свойства ферментов

1. Высокая каталитическая активность – способность повышать скорость реакций в миллионы-миллиарды раз. Неорганические катализаторы увеличивают ее лишь в тысячи раз.

2. На активность фермента влияет концентрация субстрата. При увеличении последней активность фермента возрастает, но до определенного предела. Концентрация субстрата, при которой активность фермента равна 0,5 от максимальной, называется константой Михаэлиса.

3. На активность фермента влияет концентрация продукта реакции. При постепенном накоплении последнего в среде она снижается. Поэтому активность фермента определяют на начальном этапе реакции, когда субстрат еще не накопился.

4. Активность ферментов зависит от рН среды. В зависимости от рН изменяется диссоциация ионогенных групп в активном центре фермента и в молекуле субстрата, что влияет на скорость реакции. Большинство ферментов наиболее активны в слабощелочной среде. Исключение – пепсин желудочного сока и катепсины лизосом, активные в кислой среде.

5. На активность фермента влияет температура среды. Обычно при повышении ее на 10оС скорость реакции увеличивается в 2 раза (правило Ван Гоффа). Наиболее активны ферменты млекопитающих при 40-50 о. При более низкой температуре активность тормозится из-за снижения диссоциации ионогенных групп, а при более высокой – из-за денатурации белковой молекулы.

6. Ферменты обладают специфичностью, т.е. способность воздействовать лишь на определенный субстрат. Различают различные виды специфичности.

а. Абсолютная специфичность, когда фермент действует лишь на один субстрат. Например, фумаратгидратаза действует только на фумаровую кислоту.

б. Групповая специфичность, когда фермент действует на несколько сходных по структуре субстратов. Например, липаза расщепляет ацилглицеролы, состоящие из различных жирных кислот.

г. Стереоспецифичность, когда фермент действует только на определенный пространственный изомер. Например, фумаратгидратаза не действе на стереоизомер фумаровой кислоты – малеиновую кислоту.

7. На активность ферментов влияют вещества, повышающие скорость реакции (активаторы) и снижающие ее (ингибиторы). Некоторые ферменты вырабатываются неактивными и при помощи активаторов переходят в активные. Например, энтерокиназа отщепляет от трипсиногена часть молекулы и он превращается в активный трипсин. Активаторами могут быть ионы металлов, субстраты, продукты других реакций, гормоны и другие вещества.

Ингибиторы по характеру торможения активности фермента могут быть обратимыми и необратимыми. В первом случае комплекс фермент-ингибитор может расщепляться и активность фермента восстанавливается. При необратимом ингибировании образуется прочная связь между ферментом и ингибитором.

По механизму действия ингибиторы делят на конкурентные, неконкурентные, субстратные и аллостерические.

а. При конкурентном ингибировании структура ингибитора близка к структуре субстрата и он конкурирует за активный центр. Например, малоновая кислота по структуре близка к янтарной кислоте и поэтому способна связывать активный центр сукцинатдегидрогеназы. Ингибирование можно ослабить увеличением концентрации субстрата. На конкурентном ингибировании основано действие сульфаниламидов. Они по строению сходны с п-аминобензойной кислотой, необходимой микроорганизмам. Сульфаниламиды, занимая место последней, тормозят рост микроорганизмов.

б. Неконкурентное ингибирование развивается под действием вещества, структура которого не сходная со структурой субстрата. Оно связывается не с активным центром, а с другими участками молекулы фермента. Последний после этого может образовывать комплекс с субстратом, но внутри этого комплекса реакция не протекает. Например, ионы тяжелых металлов связывают HS-группы ферментов, ингибируя их. Цианиды связываются с ионом железа цитохромоксидазы, прекращая дыхание митохондрий. Неконкурентное ингибирование, в отличие от конкурентного, не снимается избытком субстрата.

в. Субстратное ингибирование развивается иногда при увеличении в среде концентрации субстрата. Его снимают, уменьшая концентрацию последнего.

г. Аллостерическое ингибирование развивается тогда, когда вещество, сзязываясь с аллостерическим центром, изменяет конфигурацию активного центра, блокируя его. Такими ингибиторами могут быть собственный продукт реакции, продукты других реакций, гормоны и другие вещества.

 

 

Лекция №3.

ФЕРМЕНТЫ (продолжение)

 

План.

1. Механизм действия Ф.

2.Номенклатура и классификация ферментов.

3. Ферменты в сельском хозяйстве.

 

 

Механизм действия ферментов

Ферменты во много раз увеличивают скорость химических реакций, что с термодинамических позиций связывают со способностью их снижать энергию активации реакции, т. е. то дополнительное количество ее, которое нужно дать молекулам, чтоб они из неактивного состояния перешли в активное. Это снижение происходит через несколько стадий.

Согласно теории Михаэлиса-Ментена ферментативная реакция протекает в три стадии: 1) фермент (Фер) + субстрат (Суб) ------ фермент-субстратный комплекс (Фер-Суб);

2) преобразование субстрата в несколько стадий молекулы внутри фермент-субстратного комплекса с образованием внутри него промежуточных продуктов и в конечном итоге - комплекса фермент-продукт реакции (Фер- Прод); 3) расщепление комплекса фермент-продукт реакции с диффузией фермента и продукта реакции в среду: Фер-Прод ------ Фер + Прод.

На первой стадии реакции субстрат маневрирует, сближаясь с активным центру фермента, концентрируясь в нем. При этом происходит их взаимная пространственная подгонка так, чтоб активный центр расположился напротив «атакуемой» связи в молекуле субстрата. Образуется фермент-субстратный комплекс. Процесс протекает мгновенно, энергия активации снижается незначительно.

Вторая стадия реакции наиболее продолжительная, за счет нее в основном снижается энергия активации. В активном центре фермента и в молекуле субстрата содержатся кислотные и основные радикалы. Поэтому в ходе реакции может изменяться рН среды, что влияет на ее скорость. Во время нее происходит натяжение, деформирование химических связей в молекуле субстрата, их разрыв с возникновением новых связей. Это приводит к ускорению реакции, образования во время нее вначале одного или нескольких промежуточных продуктов, затем - продукта реакции.

Третья стадия реакции протекает также мгновенно и энергия активации изменяется мало.