Бх ферменти
це речовини з регульованою активністю;
діють в м'яких умовах організму.
Складність будови ферментів. Механізм ферментативного каталізу
Складність будови Ферменти за хімічною природою - цей білки. На відміну від білків у ферментів є активний центр (АЦ). АЦ - це унікальна для кожного ферменту сукупність функціональних груп амінокислотних залишків, строго орієнтованих в просторі за рахунок третинної або четвертинної структури ферменту. В АЦ розрізняють субстратної і каталітичний ділянки. Субстратний - це «руки» ферменту. Він обумовлює субстратне специфічність ферменту, тобто спорідненість ферменту до субстрату. Субстрат - це речовина, на яке діє фермент. Раніше вважали, що взаємодія ферменту і субстрату відбувається за типом «ключ до замка», тобто АЦ ферменту повинен точно відповідати субстрату, як ключ до замка. Зараз вважається, що точної відповідності між ферментом і субстратом немає, воно виникає в процесі взаємодії ферменту з субстратом (теорія вимушеного відповідності). Друга ділянка в АЦ - каталітичний. Він обумовлює специфічність дії ферменту, тобто тип ускоряемой реакції.
За будовою всі ферменти можна розділити на однокомпонентні (прості, або ферменти-протеїни) і двокомпонентні (складні, або ферменти-протеїди). Ферменти-протеїни побудовані за типом простих білків - складаються тільки з амінокислот. Ферменти-протеїди складаються з білкової частини -апофермента і небілкової частини - коферменту. Апофермент обумовлює субстратне специфічність, тобто відіграє роль субстратного ділянки АЦ, а кофермент відіграє роль каталітичного ділянки АЦ, тобто обумовлює специфічність дії. Коферментами можуть бути метали, вітаміни та інші небілкові низькомолекулярні речовини.
Деякі ферменти, які мають четвертинних структуру крім АЦ можуть іметьаллостеріческій центр. Він служить для регуляції активності ферментів.
Деякі двокомпонентні ферменти мають кілька молекулярних форм -ізоферменти. Ферменти - це множинні форми одного і того ж ферменту, які мають однакові коферменти, але різні апофермент. Ферменти діють на один і той же субстрат, прискорюють одну і ту ж реакцію з ним, але знаходяться в різних органах і тканинах (володіють органоспецифичность) і відрізняються за молекулярною масою, величиною заряду і іншим фізико-хімічними властивостями, що дозволяє їх розділити при електрофорезі . Органоспецифичность изоферментов грає важливу роль в органної діагностиці хвороб, так як при патології того чи іншого органу в кров виходить певний изофермент. Наприклад, лактатдегидрогеназа - фермент, що прискорює оборотну реакцію дегідрування лактату (молочної кислоти) - реакцію см. В підручнику за алфавітним каталогом на «Лактат». Розрізняють 5 ізоферментів ЛДГ: ЛДГ1 - в серці і нирках; ЛДГ2 - переважно в нирках, трохи менше в серці; ЛДГ3 - в основному в нирках; ЛДГ4 - в печінці і м'язах; ЛДГ5 - в печінці і м'язах (у порівнянні з ЛДГ4 кількість ЛДГ5 в печінці і м'язах більше). Ферменти ЛДГ відрізняються один від одного не тільки органоспецифичность, але і будовою апофермент. Апофермент ЛДГ складається з 4 субодиниць - в ЛДГ1 все 4 представлені легкими ланцюгами (heart-ланцюга, від англ. Серце). У ЛДГ2 три ланцюги легкі, одна ланцюг - важка (muscle-ланцюг, від англ. М'яз). У ЛДГ3 2 ланцюга легкі, 2 ланцюга важкі. У ЛДГ4 - три ланцюги важкі, одна легка, в ЛДГ5 - все 4 ланцюга важкі. Спрощено можна вважати, що ЛДГ1-3 - ізоферменти серця і нирок; ЛДГ4-5 - ізоферменти печінки і м'язів, причому ЛДГ4 в рівній мірі знаходиться в печінці і м'язах, а ЛДГ5 - переважно в м'язах.
Механізм ферментативного каталізу
Будь-яка хімічна реакція відбувається при зіткненні молекул реагуючих речовин. Рух молекул реагуючих речовин в системі залежить від наявності вільної потенційної енергії. Для протікання хімічної реакції необхідно, щоб молекули вихідних речовин досягли перехідного стану, тобто щоб реагують молекули мали достатньо енергії для подолання енергетичного бар'єра. Енергетичний бар'єр - це мінімальна кількість енергії, необхідне для того, щоб всі молекули стали реакційно-здатними. Різниця значень вільної енергії вихідного продукту (субстрату) і енергії, яка буде потрібно для того, щоб субстрат перейшов в перехідний стан, відповідає вільної енергії активації. Швидкість будь-якої хімічної реакції пропорційна концентрації молекул, що знаходяться в перехідному стані.
Все каталізатори, в т.ч. ферменти знижують енергетичний бар'єр реакції (знижують енергію активації), що робить можливим більш швидке протікання реакції.
Розрізняють три стадії в механізмі ферментативного каталізу:
освіту фермент-субстратного комплексу;
освіту комплексу «фермент-продукт реакції»;
відщеплення продуктів реакції від ферменту.
Перша стадія фермент відрізняється від білка наявністю АЦ - ділянки, за допомогою якого фермент з'єднується з субстратом і прискорює реакцію. Довгий час вважали, що між ферментом і субстратом є точне відповідність ( «ключ до замка»). Однак зараз прийнято вважати, що АЦ ферменту пристосовується до субстрату в ході реакції (теорія вимушеного відповідності). В АЦ є якірні ділянки, за рахунок яких субстрат закріплюється. Більшість субстратів утворює щонайменше три зв'язку з ферментом. Каталітичний ділянку АЦ відповідальний за тип ускоряемой реакції.
Друга стадія - функціонально-активні групи АЦ ферменту діють на субстрат, дестабілізуючи зв'язку в ньому, викликаючи зміну конфігурації субстрату, поляризацію його молекули, розтягнення зв'язків і т.д. Це призводить до хімічного перетворення субстрату (тобто до протікання реакції) і утворення продуктів реакції, які деякий час знаходяться в зв'язку з ферментом.
Третя стадія - від неї залежить швидкість реакції. Відбувається відділення ферменту від продуктів реакції.
Висока потужність дії ферментів
Потужність дії ферментів вимірюється в катали. Катав - це кількість молекул субстрату, які зазнали впливу однієї молекули ферменту за одну хвилину. Наприклад, для каталази потужність дорівнює 1млн катав; для альфа-амілази потужність дорівнює 240тис.катал.
Розрізняють субстратне специфічність і специфічність дії. Субстратна специфічність буває абсолютної, відносної та стереохимической. Абсолютна специфічність - коли фермент діє тільки на один субстрат, наприклад, сахараза діє тільки на сахарозу, аргіназа тільки на аргінін і т.п. Відносна специфічність, коли фермент діє на групу субстратів, у яких однаковий тип зв'язку, наприклад, альфа-амілаза діє на крохмаль і глікоген, у яких глікозидний тип зв'язку; пепсин, трипсин і хімотрипсин діють на багато білків, у яких пептидний тип зв'язку. Стереохімічна специфічність - це здатність ферменту діяти тільки на один з можливих стереоізомерів субстрату, наприклад, фумаратгідротаза діє на фумарат, і не діє на її цис-ізомер малеїнову кислоту. Субстратна специфічність обумовлена субстратною ділянками в АЦ, а в двокомпонентних ферментах апоферментом.
Специфічність дії - це здатність ферменту прискорювати тільки певну реакцію. Ферменти можуть діяти на один і той же субстрат, але кожен прискорює тільки одну певну реакцію з ним. Це можна простежити на прикладі мультиферментного комплексу, наприклад, піруватдегідрогеназного. У цей комплекс входять ферменти, які діють на ПВК. Основними є три ферменту - 1) піруватдегідрогеназа (прискорює дегидрирование ПВК, або її окислення); 2) піруватдекарбоксилази (прискорює декарбоксилирование ПВК); 3) ацетилтрансфераза (приєднує КоА). Реакція називається окислювальним декарбоксилюванням ПВК. Продуктом цієї реакції є активна оцтова кислота (АУК) - сумарну реакцію знати см. Підручник за алфавітним каталогом на «Декарбоксилирование пірувату, окислительное». Специфічність дії ферментів обумовлює каталітичний ділянку АЦ, або кофермент в двокомпонентних ферментах.
Фактори, що впливають на активність ферментів
Температура, при якій спостерігається максимальна активність ферментів, називається оптимальною. Для більшості ферментів оптимальною температурою є температура від +35 - + 45С. Якщо фермент помістити в умови, нижче оптимальної температури, буде відбуватися зниження його активності, такий стан називається оборотною інактивацією ферменту, тому якщо знову підняти температуру до оптимальної, активність ферменту відновиться. Якщо помістити фермент в умови, де температура буде вище оптимальної, то також буде прроісходіть зниження його активності, але в даному випадку необоротна інактивація, тому що якщо знизити температуру до оптимальної, активність ферменту відновиться. Це пояснюється тим, що висока температура викликає денатурацію молекули ферменту.
Вплив рН середовища
рН середовища впливає на заряд молекули ферменту, а значить на роботу АЦ. Оптимальна рН для кожного ферменту своя, але для більшості ферментів від 4 до 7. Наприклад, для альфа-амілази слини опт.рН дорівнює 6,8. Є винятки, наприклад, для пепсину опт.рН дорівнює 1,5-2,0; для трипсину і хімотрипсину опт.рН дорівнює 8-9.
Вплив концентрації ферменту і субстрату
Чим більше ферменту, тим швидкість реакції вище. Те ж саме можна сказати про вплив концентрації субстрату. Але теоретично для кожного ферменту є насичує концентрація субстрату, при якій всі АЦ ферменту будуть зайняті субстратом і реакція буде на певному рівні (максимальному), скільки б субстрату ми не додавали.
Регулятори можна розділити на активатори та інгібітори. Як ті, так і інші діляться на специфічні і неспецифічні. До специфічних активаторам відносяться солі жовчних кислот (для ліпази підшлункової залози); соляна кислота (для пепсину); іони хлору (для альфа-амілази). До неспецифічним активаторам відносяться іони магнію, які активують фосфатази і кінази. До специфічних інгібіторів відносяться кінцеві пептиди в профермент. Проферменти - це неактивні форми ферментів, які активуються в результаті відщеплення кінцевих пептидів під дією активаторів. Для кожного профермента свій кінцевий пептид. Наприклад, трипсин виробляється в неактивному вигляді - у вигляді трипсиногена. У ньому АЦ закритий кінцевий гексапептід, який виконує роль специфічного інгібітора для трипсину. При активації відбувається відщеплення цього гексапептіда і АЦ трипсину стає відкритим, фермент активний. До неспецифічним інгібіторів відносяться солі важких металів, наприклад, сульфат міді. Вони викликають денатурацію ферментів.
Конкурентне інгібування - це явище, коли спостерігається структурна подібність між субстратом і інгібітором, вони конкурують за зв'язок з АЦ ферменту. Якщо інгібітора більше, ніж субстрату, то утворюється комплексфермент-інгібітор. Якщо додати субстрат, то він витіснить інгібітор. Наприклад, для сукцинатдегідрогенази сукцинат - це субстрат, а малонат або оксалоацетат - конкурентні інгібітори. До цього типу інгібування відноситься також інгібування продуктами реакції. Часто продукти реакції схожі на субстрати. Наприклад, для глюкозо-6-фосфатази субстратом є глюкозо-6-фосфат, а продуктом глюкоза.
Неконкурентное інгібування - це явище, коли між субстратом і інгібітором немає структурного подібності. Субстрат і інгібітор можуть одночасно зв'язатися з ферментом. При цьому утворюється комплекс фермент-субстрат-інгібітор. Інгібітор зв'язується з каталітичною ділянкою АЦ і блокує його. Наприклад, для ферменту цитохромоксидази субстратом є кисень, а інгібіторами солі синильної кислоти.
Аллостерічеськая регуляція активності ферментів
У деяких ферментів, що мають четвертинних структуру, крім АЦ є аллостерічеський центр. Якщо з ним зв'язується аллостерічеський активатор, то активність ферменту збільшується. Якщо з аллостерическим центром зв'язується аллостерічеський інгібітор, активність ферменту знижується. Наприклад, гуанілатциклазу і аденилатциклаза є ферментами з аллостерическим типом регуляції.
Класифікація і номенклатура ферментів
Спочатку ферментам давали довільні назви - пепсин, трипсин і т.п. коли кількість ферментів зросла виникла необхідність класифікувати ці речовини. У 1896 році Дюкло запропонував називати ферменти по субстрату, на який вони діють з додатком закінчення аза, наприклад, сахараза і т.п. В подальшому було відзначено, що ферменти можуть діяти на одне речовина, але прискорювати різні реакції. Тому в 1961 році на Міжнародному біохімічному з'їзді була прийнята класифікація ферментів, яка використовується по теперішній час. Незважаючи на численність ферментів, все реакції, прискорювані ними можна розділити на 6 типів. У зв'язку з цим розрізняють 6 класів ферментів:
Оксіредуктази (ОР) - прискорюють окислювально-відновні реакції (ОВР);
Трансферази - прискорюють перенесення різних груп атомів з одного речовини на інше;
Гідролази - прискорюють розщеплення складних речовин до простих за участю води (тобто шляхом гідролізу);
Ліази - прискорюють реакції розпаду речовин без участі води або сприяють приєднанню груп атомів за місцем розриву подвійних зв'язків;
Ізомерази - ведуть реакції ізомеризації;
Лігази, або синтетази - прискорюють синтез речовин за рахунок з'єднання молекул між собою.
Номенклатура ферментів Кожен клас ділиться на кілька підкласів (від 4-13), підклас ділиться на подподкласса, кожен подподкласса містить представники. Тому для кожного ферменту існує шифр, який складається з 4 цифр - перша показує номер класу, друга - номер підкласу, третя - номер подподкласса, четверта цифра вказує порядковий номер ферменту в його подподкласса. Наприклад, шифр для ліпази підшлункової залози (п / ж) - 3.1.1.3. це означає, що ліпаза п / ж відноситься до гідролаз, (третій клас, тобто прискорює гідроліз), до першого підкласу - естеразами (тобто прискорює гідроліз складно-ефірних зв'язків), до першого подподкласса (тобто прискорює гідроліз складно-ефірних зв'язків, утворених карбоновими кислотами), місце в подподкласса - третє.