14) Современное представление о механизме ферментативного катализа (на примере гидролиза ацетилхолина холинэстеразой)

Основная функция ферментов заключается в снижении энергии активации и повышении скорости химических реакций в соответствии с потребностями живого организма.

Фермент не влияет на свободную энергию исходных веществ и продуктов, но он влияет на энергетический профиль, т.е. в присутствии фермента реакция идет через низкий энергетический барьер (ферменты снижают энергию активации реакции). В результате этого скорость ферментативной реакции в десятки раз возрастает по сравнению с не ферментативной реакцией.

В основе современных представлений ферментативного катализа лежат работы Михаэлиса и Ментен, которые делят процесс ферментативного катализа на 4 стадии:

• Диффузия субстрата к ферменту и образование ЕS-комплекса происходит быстро и обратимо, при этом реализуется точное пространственное соответствие между активным центром фермента и субстратом.

• Преобразование первичного ES-комплекса в активированный происходит медленно, идет расшатывание связей в субстрате. При этом снижается энергия активации реакции.

• Отделение продуктов реакции от активного центра фермента и диффузия их в среду. Фермент при этом не входит в состав продуктов.

Механизм гидролиза АХ:

1.Участок поверхности холинэстеразы, непосредственно контактирующий с каждой молекулой медиатора, включает 2 центра: анионный, несущий отрицательный заряд, и эстеразный.

2.Ацетилхолин благодаря положительно заряженному атому азота ориентируется за счет электростатических сил на поверхности холинэстеразы.

3.Анионный центр притягивает к себе катионную головку ацетилхолина и тем самым способствует сближению его эфирной группировки с эстеразным центром фермента. Тут происходит снижение энергии активации реакции.

4.Затем рвется эфирная связь, ацетилхолин разделяется на 2 части: холиновую и уксусную, остаток уксусной кислоты присоединяется к эстеразному центру фермента и образуется так называемая ацетилированная холинэстераза.

5.Этот крайне непрочный комплекс мгновенно подвергается спонтанному гидролизу, что освобождает фермент от остатка медиатора и приводит к образованию уксусной кислоты.

6.С данного момента холинэстераза снова способна выполнять каталитическую функцию, а холин и уксусная кислота становятся исходными продуктами синтеза новых молекул ацетилхолина.

15) Химическая природа ферментов. Функциональные участки молекул ферментов. Простые и сложные ферменты.

Ферменты — это специфические белки, выполняющие в организме роль биологических катализаторов. Ферменты, благодаря своей белковой природе, отличаются от других катализаторов уникальными свойствами:

• Высокой специфичностью

• Способностью к регуляции

Доказательства белковой природы ферментов:

• Денатурируют под действием химических и физических факторов

• При гидролизе распадаются на аминокислоты

• Обладают амфотерными свойствами

• Обладают электрофоретической подвижностью

• Не подвергаются диализу через полупроницаемую мембрану

• Осаждаются высаливанием

• Имеют большую молекулярную массу

• Обладают высокой специфичностью

• Прямое доказательство- синтез белков-ферментов (1969- синтез первого белка-фермента- рибонуклеазы)

Ферменты могут быть как простыми, так и сложными белками:

-Выделяют простые ферменты, состоящие только из полипептидной цепи: пепсин, трипсин, уреаза, рибонуклеаза, фосфатаза и др.

-Большинство природных ферментов - сложные белки. Их небелковые компоненты называются кофакторами и необходимы для выполнения ферментом его каталитической роли. Кофакторами ферментов являются витамины или соединения, построенные с их участием (коэнзим А, НАД⁺, ФАД); фосфорные эфиры некоторых моносахаридов, ионы металлов.

Кофермент - небелковый фактор, который легко отделяется от белковой части - апофермента при диссоциации.

Простетическая группа – ковалентно связанный с белковой цепью небелковый компонент, который не отделяется при выделении и очистке фермента.

Весь фермент вместе с простетической группой называют холоферментом. Только объединение апофермента и кофермента обеспечивает активность холофермента.

Функциональные участки ферментов

Фермент взаимодействует с субстратом лишь частью молекулы- активным центром.

• Активный центр (для катализа)— это уникальная комбинация аминокислотных остатков в молекуле фермента, обеспечивающая непосредственное его взаимодействие с молекулой субстрата и прямое участие в акте катализа.

Активный центр состоит из:
Контактного участка, Который узнает и связывает субстрат, обеспечивает специфичность. Его также называют якорной площадкой или связывающим центром.	Катализирующего участка, Обеспечивающего катализ

Активный центр формируется на третичной и четвертичной структуре фермента.

• Аллостерический центр (для регуляции) — это участок молекулы фермента, с которым связывается определенные, обычно низкомолекулярные соединения- эффекторы (модификаторы), молекулы которых отличаются по строению от субстратов. В результате изменяется третичная, а часто и четвертичная структура белковой молекулы. Как следствие изменяется конфигурация активного центра и каталитическая активность фермента. Это т.н. аллостерическая регуляция активности ферментов. Ферменты, активность каталитического центра которых подвергается изменению под влиянием аллостерических эффекторов, называют аллостерическими.

• Участки химической(постсинтетической) модификации (для регуляции)

• Участок, обеспечивающий ориентацию фермента относительно субстрата

• Участки межмолекулярного взаимодействия (для объединения в комплексы и ансамбли)

• Участок иммунных взаимодействий (для взаимодействий антиген-антитело)