Ферменти - студопедія
Ферменти - це каталитически активні білки. Як і хімічні каталізатори неорганічної природи, вони прискорюють хімічні реакції. В ході реакції вони зазнають змін, але по її завершенні повертаються в початковий стан. Ферменти не ініціюють хімічні реакції, а тільки змінюють швидкість їх протікання. Вони каталізують тільки енергетично можливі реакції. Практично всі біохімічні реакції каталізується ферментами. Організована послідовність процесів обміну речовин можлива за умови, що кожна клітина забезпечена власним генетично заданим набором ферментів.
За будовою ферменти можуть бути однокомпонентними простими білками і двокомпонентними, складними білками з додатковою групою небілкової природи. Складний фермент в цілому називається холоферменту, його білкова частина - апофермент, додаткова група - кофермент. Якщо додаткова група міцно пов'язана з апоферментом, її називають простетичної групою. У апофермент є специфічний коферментсвязивающій домен.
Кофермент можна розглядати як другий субстрат, так як:
1) кофермент зазнає хімічні зміни, в точності протилежні змінам, які відбуваються в субстраті;
2) саме участь коферменту в реакції може мати фундаментальне фізіологічне значення - наприклад, перетворення НАДН2 в НАД + при відновленні пірувату в лактат, необхідне для синтезу АТФ.
Активний центр ферменту - це поєднання субстратного і каталітічес-кого центрів. Каталітичний центр ферменту утворюється поєднанням амінокислотних радикалів у простих ферментів або приєднанням коферменту у складних ферментів. До складу активних центрів простих ферментів в основному входять такі амінокислоти, як гістидин, тирозин, цистеїн, серин, триптофан, аспартат, глутамат, аргінін і лізин. Коферментами найчастіше бувають похідні водорозчинних вітамінів, металлопорфиринов і деякі інші сполуки, в тому числі і метали зі змінною валентністю (кофактор). Метали крім коферментной функції можуть також бути активаторами ферментів. Якщо метал при діалізі не відділяється від ферменту, а більш жорстке його видалення призводить до повного придушення каталітичної активності, значить, це справжній металлоферментов. Субстратний центр - це ділянка молекули, відповідальний за приєднання субстрату. Він може збігатися або перекриватися з каталітичним центром, або каталітичний центр може остаточно формуватися в момент приєднання субстрату. У багатьох випадках прикріплення субстрату до ферменту йде за рахунок взаємодії з # 949; -аминогруппами лізину, карбоксильною групою глутамату або аспартату, або сульфгідрильної групою цистеїну. Однак частіше набагато більше значення мають гідрофобні взаємодії і водневі зв'язку.
Аллостерічеський центр - ділянка молекули ферменту, в результаті приєднання до якого певного низкомолекулярного, а іноді і високомолекулярного речовини змінюється третинна структура білкової молекули. Як наслідок цього змінюється конфігурація активного центру, що супроводжується або збільшенням, або зниженням каталітичної активності ферменту. Це явище лежить в основі аллостерічеськой регуляції ферментів.
Ферменти є дуже активними каталізаторами, вони підвищують швидкість каталізуються реакції в 10 23 разів і більше. Механізм дії ферментів полягає в зниженні енергії активації реакції. Кінетична теорія, або теорія зіткнень, ґрунтується на двох ключових положеннях:
1. Для протікання реакції молекули повинні стикатися один з одним, тобто зближуватися на відстані, достатні для утворення зв'язків.
2. Щоб зіткнення було продуктивним, що реагують молекули повинні мати енергію, достатню для подолання енергетичного бар'єра.
Хімічна реакція S → P протікає тому, що в будь-який момент часу деяка частка молекул S має більшу внутрішню енергію в порівнянні з іншими молекулами даної популяції, і цією енергією виявляється досить для досягнення ними вершин енергетичного бар'єру і переходу в активну форму, яка називається перехідним станом. Швидкість будь-якої хімічної реакції пропорційна концентрації молекул, що знаходяться в перехідному стані. Звідси випливає, що при наявності у реагуючих молекул достатньої енергії все чинники, що підвищують частоту їх зіткнень, будуть підвищувати швидкість реакції. Такими факторами може бути підвищення температури (швидкість підвищується вдвічі на кожні 10 о С) і додавання каталізаторів, які знаходять «обхідні шляхи», що дозволяють молекулам долати активаційний бар'єр на більш низькому енергетичному рівні.
Каталізатор Е на проміжній стадії реакції взаємодіє з субстратом S з утворенням комплексу ЕS, перехідного стану якого відповідає значно нижча енергія активації в порівнянні з перехідним станом субстрату S в некаталізіруемой реакції. Потім комплекс ЕS розпадається на продукт Р і вільний каталізатор, який знову може з'єднатися з іншою молекулою S і повторити весь цикл.
Ферменти прискорюють хімічні реакції завдяки тому, що забезпечують правильну орієнтацію молекули субстрату в безпосередній ної близькості від каталітичного центру, надають для каталізу протон-донорні і протон-акцепторні групи, утворюють за допомогою ковалентних зв'язків нестабільні проміжні сполуки з субстратом і викликають напругу в молекулі субстрату або її деформацію. Крім того, зв'язування субстрату в активному центрі ферменту призводить до видалити-нию гідратної оболонки субстрату. В результаті видалення молекул води в активному центрі ферменту під час каталізу створюються абсолютно інші умови, ніж в розчині.
Кінетика ферментативної реакції визначається в першу чергу властивостями каталізатора, внаслідок чого вона значно складніше, ніж кінетика некаталітичного реакцій. Найбільш зручним для практичного застосування виявилося рівняння Міхаеліса-Ментен
де Vo - початкова швидкість при концентрації субстрату [S],
Vmax - максимальна швидкість,
km - константа Міхаеліса для даного ферменту до певного субстрату.
Константа Міхаеліса чисельно є концентрацією специфічного субстрату, при якій даний фермент забезпечує швидкість реакції, рівну половині її максимальної швидкості. Константа Міхаеліса характеризує спорідненість ферменту до субстрату. Висока спорідненість ферменту до субстрату характеризується низькою величиною km та навпаки.
Каталітичну активність ферменту визначають в стандартних умовах по збільшенню швидкості каталітичної реакції в порівнянні з некаталітичного. Зазвичай швидкість реакції вказують як зміна концентрації субстрату або продукту за одиницю часу - моль / (л · с). Так як каталітична активність не залежить від обсягу розчину, в якому протікає реакція, активність ферменту виражають в катали - це кількість ферменту, який перетворює 1 моль субстрату за 1 с. Інший одиницею активності є міжнародна одиниця Е - кількість ферменту, що перетворює 1 мкмоль субстрату за 1 хв (1Е = 16,7 нкат). Питомою активністю ферменту називається число одиниць ферментативної активності в розрахунку на 1 мг білка; цей захід чистоти ферментного препарату. Числом оборотів ферменту називається число молекул субстрату, що зазнають перетворення в одиницю часу в розрахунку на одну молекулу ферменту в умовах, коли концентрація ферменту є єдиним фактором, що лімітує швидкість реакції.
Властивості ферментів, що відрізняють їх від хімічних каталізаторів:
1. Термолабильность. Незважаючи на те, що збільшення температури підсилює каталіз, при високих значеннях температури відбувається денатурація білка і інактивація ферменту. Температура, при якій каталітична активність ферменту максимальна, називається його температурним оптимумом. У тварин цей оптимум лежить між 40 і 50 о С, у рослин - між 50 і 60 о С. Однак є відхилення, папаїн найбільш активний при 80 о С, а каталаза - при 4 о С.
2. Залежність від рН середовища. Більшість ферментів має максимальну активність при нейтральній рН, так як при інших значеннях змінюється ступінь іонізації амінокислотних радикалів. У різко кислої (пепсин - рН 1,5-2,5) або різко лужному середовищі (трипсин - рН 7,8, аргіназа - рН 9,5-9,9) добре працюють лише деякі ферменти.
3. Специфічність. Дія більшості ферментів високо специфічно. Для ферментів характерні реакційна специфічність (до типам каталізуються реакцій) і Субстратна специфічність (до природи сполуки). Високоспецифічні ферменти каталізують розщеплення тільки одного типу зв'язку в субстратах певної структури (абсолютна специфічність). Деякі з цих ферментів відрізняються стереохимической специфічністю, тобто діють тільки на один з просторових ізомерів. Среднеспеціфічние ферменти мають обмеженою реакційної специфічністю, але широкої субстратної специфічністю (відносна, або групова, специфічність). Нізкоспеціфічние ферменти - з низькою реакційною і субстратної специфічності - зустрічаються рідко. Деякі з ферментів є поліфункціональними з однієї пептидного ланцюгом. Цей ланцюг при формуванні третинної структури утворює кілька доменів, кожен з яких характеризується своєю каталітичної активністю. Існує кілька пояснень специфічності дії ферментів. Теорія Фішера: фермент підходить до субстрату, як ключ до замка. Гіпотеза Кошланда: індуковане відповідність субстрату і ферменту. Гіпотеза топохимической відповідності: специфічність дії ферментів пояснюється в першу чергу впізнавання тієї частини субстрату, яка не змінюється при каталізі.
4. Схильність впливу активаторів і інгібіторів. До числа активаторів відносяться іони металів і деякі аніони. Активатори підсилюють каталітичну дію ферментів, на відміну від кофакторов їх відсутність не перешкоджає протіканню ферментативної реакції. Метали-активатори полегшують освіту фермент-субстратного комплексу, сприяють приєднанню коферменту до апофермент, забезпечують становлення четвертинної структури ферменту. Інгібітори бувають двох основних типів:
1) незворотні - пов'язують або руйнують функціональну групу молекули ферменту, необхідну для прояву його каталітичної активності;
2) оборотні, розрізняють три типи:
а) конкурентні - конкурують з субстратом за зв'язування з актив-ним центром, але на відміну від субстрату пов'язаний з ферментом конкурентний інгібітор не береться ферментативному перетворенню. За своєю будовою конкурентні інгібітори зазвичай нагадують субстрат даного ферменту. Завдяки такій подібності конкурентному інгібітору вдається обдурити фермент і зв'язатися з ним. Конкурентне інгібування можна усунути або послабити, просто підвищивши концентрацію субстрату;
б) неконкурентні - приєднуються до ферменту не в активному центрі, де зв'язується субстрат, а зовсім в іншому місці, порушуючи конформацию активного центру. Таке інгібування не може бути ослаблене або усунуто підвищенням концентрації субстрату;
в) безконкурентному - приєднуються до фермент-субстратному комплексу, перешкоджаючи його розпаду.
Ферменти локалізовані у всіх відділах клітини. Значна їх частина асоційована з мембранами. У клітці ферменти зазвичай зібрані в полі-ферментні комплекси. Такі комплекси являють собою ряд ферментів, які каталізують узгоджені реакції, причому кінцеві продукти однієї реакції є вихідними субстратами для наступні реакції. Поліферментні системи можуть бути розчинені в цитоплазмі і субстрати переміщаються від одного ферменту до іншого за допомогою простої дифузії (ферменти гліколізу). Ферменти можуть бути з'єднані один з одним за рахунок білок-білкових взаємодій (синтазного комплекс жирних кислот). Також ферменти можуть бути в певному порядку иммобилизировать на мембрані (дихальна ланцюг).
Регуляція активності ферментів клітиною здійснюється за допомогою декількох механізмів:
1) індукція або репресія генів, що кодують синтез відповідних ферментів;
2) аллостеріческого інгібування - на ключових ділянках метаболічних шляхів знаходяться аллостерічеськіє ферменти, білки з четвертинної структурою, мають каталітичні і регуляторні субодиниці. При накопиченні з якої-небудь причини продуктів даного метаболічного шляху ці продукти будуть взаємодіяти з регуляторними субодиницями ферменту. Це призведе до зниження каталітичної активності в результаті зміни каталітичних центрів ферменту;
3) обмежений протеоліз - багато ферментів-протеїнази синтезуються у вигляді неактивних попередників (зімогенов). Активуються вони поза клітинами шляхом гідролізу деяких зв'язків поліпептидного ланцюга з після-дме формуванням третинної структури тоді, коли це потрібно;
4) ковалентний модифікація - метилювання, гликозилирование, але частіше за все фосфорилирование / дефосфорілірованіе, фермент навантажується тими низькомолекулярними групами, які він повинен переносити на потрібні молекули, в початковому стані він неактивний;
5) агрегація молекул - здійснюється інгібіторами білкової природи, вони блокують дію ферменту за рахунок білок-білкових, взаємодій в результаті чого закривається активний центр. наприклад, # 945; 1 -антитрипсин блокує дію еластази, що виділяється нейтрофилами легеневої тканини.
Близько половини ідентифікованих ферментів знаходиться в вигляді множинних молекулярних форм. Така гетерогенність обумовлена наявністю декількох генів, кожен з яких кодує одну субодиницю ферменту, а вони збираються в різних комплектах. Крім того, в гені ферменту можуть бути множинні алелі. Генетично детерміновані молекулярні форми ферментів називаються ізоферментами, або ізозімов. Поширення ізозімов в різних тканинах і органах визначається щонайменше чотирма факторами:
1) відмінності в будь-яких особливостях метаболізму в різних органах. Наприклад, виявлені різні форми ферменту лактатдегідрогенази в серцевої і скелетної м'язах. Ізофермент А4 переважно каталізує швидке відновлення пірувату в лактат в скелетної м'язі при дуже низьких концентраціях пірувату, тоді як ізофермент В4 переважно каталізує швидке окислення лактату в піруват в м'язовій тканині серця.
2) відмінності в локалізації та метаболічної ролі ферменту в клітинах одного і того ж типу. Наприклад, фермент малатдегідрогеназа існує в різних формах в мітохондріях і цитоплазмі, де ці ізоферменти виконують кілька різні функції.
3) диференціювання і розвиток тканин дорослого організму з ембріональ-них форм цих тканин. Для печінки ембріонів, наприклад, характерно певне співвідношення різних форм лактатдегідрогенази, змінюється в процесі подальшого розвитку цього органу. Деякі ферменти, що каталізують розщеплення глюкози, були виявлені в пухлинних клітинах в тих формах, які зустрічаються у ембріонів.
4) тонке регулювання швидкостей метаболічних реакцій, здійснювана завдяки різної чутливості изоферментов до аллостерическим регуляторам. Деякі регуляторні ферменти (наприклад, фосфофруктокінази) існують в декількох молекулярних формах, що розрізняються за своєю чутливості до модулятора.
Крім білків відомі також каталитически активні нуклеїнові кислоти - рибозими. Рібозімамі є малі ядерні РНК (мяРНК), які беруть участь в посттранскрипційна модифікації РНК, а також 28S-рРНК, які здійснюють пептидилтрансферазної реакцію в процесі трансляції білка. Припускають, що існуючі рибозими можна розглядати як релікти «світу РНК» - раннього періоду біохімічної еволюції, коли білки ще не отримали такого поширення і не набули такого значення, як в наступні періоди.