ФЕРМЕНТЫ
Ферменты – биологические катализаторы белковой природы. Термин «ферменты» произошел от лат. Fermentum-закваска в XVII в.Вангельмонд, изучал вещества, влияющие на брожение. Синоним фермента – энзим. Ферменты свойственны только живой природе. Ни один химический процесс в организме не может протекать без участия ферментов. В 1836 ученый Шванн обнаружил в желудочном соке фермент пепсин, который переваривал белки мяса. Русский ученый Киргофф впервые показал участие ферментов солода превращение крахмала в сахар. Павлов – физиолог, работал с ферментами ЖКТ и впервые доказал, что в живом организме ферменты могут существовать в не активной форме, в виде проферементов. Он показал превращение неактивной формы трипсиногена в активные фермент трипсин. В 1913 г. Михаель Эссеменков разработали теорию механизмов действия ферментов и обосновали кинетику ферментативных реакций. В 1926г. Ученый Саммер получил фермент уреазу в кристаллическом виде. И доказал, что он имеет белковую природу. 1957г. Виланд доказал существование ферментов в виде молекулярной формы – изоферментов. В 1960г. Филипс впервые расшифровал структуру лизоцима при помощи рентгена.
На современном этапе ферментология , или энзимология – стремительно развивающаяся область биохимии.. Достижение которой используется в практической медицине, фармацевтике и пищевой промышленности
Сходства и различия между ферментами и неферментными катализаторами.
Сходства: и те и другие, катализируют только энергетически возможные реакции. И те и другие никогда не изменяют направление реакции. И те и другие не изменяют равновесия обратимой реакции. А лишь ускоряют ее наступление. И те и другие не расходуются в процессе реакции, поэтому фермент работает в клетке до тех пор, пока по каким-либо причинам не разрушится.
Отличие: они связаны с особенностями строения ферментов, которые являются сложными белковыми структурами.
Энергетический барьер – то минимальное количество энергии, которым должны обладать реагирующие молекулы, чтобы реакция могла произойти.
Энергия активации – то количество энергии, сверх среднего уровня энергии молекул системы, которые должны получить молекулы, чтобы вступить в химическую реакцию
Отличи: энзимы сильнее снижают энергию активации реакции, чем небиологические катализаторы. Отсюда скорость ферментативного катализа намного выше. Одна молекула фермента может катализировать при обычной температуре (37гр) от 100 до 100 000 молекул вещества в минуту. Эта скорость недостижима для небиологических катализаторов. 2. Энзимы обладают высокой специфичностью, что позволяет ферментам обмен веществ в определенное русло. 3. Энзимы катализируют химические реакции в мягких условиях (темп, рН, давл) 4. Энзимы являются катализаторами с регулируемой активностью, что позволяет изменять скорость превращений веществ в организме в зависимости от условий среды. 5. Скорость ферментативной реакции прямо пропорционально количеству энзима. А для небиологического катализатора не существует строгой зависимости скорости реакции от количества катализатора.
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
Ферментам присуще все особенности структурной организации белков. Они имеют 4 уровня организации. Ферменты с четвертичной структурой состоят из субедениц. Ферменты делятся на простые и сложные . Сложные ферменты состоят из апофермента(белковой части) и Ко-фактора (небелковой части). В качестве Ко-фактора могут быть витамины, металлы, производные нуклеотидов. Апорфемент и Ко-фактор порознь мало активны. Объединение их вмести дает активную молекулу фермента, которая называется полный энзим или холофермент.
Структура активного центра. Активный центр условно подразделяется на две части. Контактный или якорный участок. Он выполняет функцию связывания субстрата. Каталитический участок занимается превращением субстрата в продукты реакции. Но деление это условно, т.к. весь активный центр представляет собой цепь или клубок аминокислот. Обычно активный центр формирует 12-16 аминокислотных остатков полипептидной цепи. Иногда их число больше. Аминокислоты, формирующие активный центр находятся в разных участках полипептидной цепи. При пространственной укладке эти кислоты сближаются и образуют активный центр. Остальные аминокислотный остатки полипептидной цепи обеспечивают правильную пространственную конфигурацию активного центра и влияют на реакционную способность его групп. Примерно ½ 2/3 аминокислотного белка участвуют прямо или косвенно в работе активного центра. В катализе принимают участие следующее функциональные группы ферментов – ОН группа, СООН, SH, NH2, фенольная группа.
Существуют ферменты, у которых есть еще один центр и называет он аллостерический .Этими ферментами являются регуляторными и всегда стоят в начале биохимического процесса. На этот центр действуют вещества, непохожие на субстрат. И отличающиеся по строению от субстрата. Тем не менее, присодиняся к аллостерическому центру они измеяют конформацию всех ферментов. При этом активность активного центра может как повышаться, так и наоборот снижаться. Вещества, которые повышают активность фермента называются положительные эффекторы, снижающие активность, называются ингибиторы.
КО-факторы (ко-ферменты) 1. Они могут быть витаминной природы, поэтому если в организм не поступают витамины, то и не будет в клетке ко-факторов. И соответственно фермент либо резко снизит свою активность, либо вообще не будет работать.
2. Невитаминные коферменты (недостатка их в физиологических условиях не бывает), т.к. они произошли из промежуточных обменов. Нуклеотидные коферменты – пуридиновые, цитидиновые, аденозиновы, гуанозиновые, тимидиновые, известно свыше 60 различных нуклеотидных коферментов, содержащих остатки сахаров, спиртов, аминокислот, липидов , неорганических веществ. Фосфаты углеводов – выполняющие роль коферментов. Глюкоза1,6дифосфат, 2,3дифосфоглицерат. Металлопрфириновые коферменты, к ним относятся геммы, который выполняют роль коферментов, участвуют в ОВР. И они являются коферментами оксидоредуктаз. Пептидные коферменты – глютадион (трипептид) участвует в ОВР и является коферментов оксидоредуктаз.
3. ионы металлов – очень распространенная группа ферментов. Металлоферменты делят на две группы:
- ферменты, где ионы металлов выполняют роль активатора. Эти ферменты могут катализировать и без металла.
- ферменты ,где ионы металлов выполняют роль ко-фактора (без ионов металлов эти ферменты неактивны) Они в свою очередь подразделяются: 1. Диссоциирующие металлоферменты, здесь ионы металлов легко диссоциируют от апоферментов 2. Недиссоцирующие металлоферменты. Ион металла прочно связан с апофрементом, и тогда он назывется простетическая группа. Ион металла может находиться в активном центре или входить в состав более крупной органической молекулы . например, железо в гемме. Также ион металл может непосредственно быть связан с остатками аминокислот апоферментов. Если металл непосредственно не участвует в катализе , а только связывает субстрат, то это металл с постоянной степенью окисления. Если металл участвует в катализе, то он имеет переменную степень окисления. Металл так же может стабилизировать третичную структуру апофермента. Так же металл может укреплять связи между субъединицами четвертичной структуры фермента. Например ионы кальция стабилизируют альфа-амилазу. Ионы цинка стабилизируют алкоголь-дегидрогиназу. Так же металлы иногда служат своибразным мостиком между апоферментом и коферментом. Например, ион цинка связывает кофермент НАД в алкоголь-дегидрогиназе. Металлы как и коферменты витаминной природы, поступают в организм с пищей в виде микроэлементов. Поэтому недостаток их так же апушает обмен веществ в организме.
ИЗОФЕРМЕНТЫ. Молекулярные формы ферментов, возникающие в следствие генетических различий первичной структуры белка. Т.е. физико-химический различия ихи имеют генетическое происхождение.
ФУНКЦИИ ФЕРМЕНТОВ. Изоферменты позволяют изменять направление биохимических реакций, т.к. содержание отдельных ферментов в разных клетках и тканях и даже в отдельных органоидах внутри клетки неодинаково. Соответсвенно скорость протекания химических реакций у них различна, т.к. они обладают разным сродством субстратов. Направление превращений определяет изофермент, преобладающий в данном участке клетки. Лактатдегидрогиназа имеет субъединицы Н типа и М типа. Существует 4 варианта ЛДГ 1. НННН, ЛДГ 2 НННМ, ЛДГ3 ННММ, ЛДГ4 НМММ, ЛДГ 5 ММММ.
МУЛЬТИФЕРМЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ. Каждая клетка имеет свой специфический набор ферментов. Некоторые ферменты содержатся во всех клетках. Другие – лишь в некоторых. При этом работа каждого фермента как правило неиндивидуальна, а тесно связана с другими ферментами. Поэтому из отдельных ферментов часто формируются полиферментные системы или конвееры. Работа таких систем зависит от особенности их организации в клетках и поэтому выделяют:
- диссоциирующие мультиферементные системы (функциональная организация). В этой ситсеме все ферменты выполняют определенную функцию с помощью метаболитов, которые диффундируют от одного фермента к другому, причем продукт реакции первого фермента служат субстратом для следующего и т.д. гликолиз в клетке.
- структурно-функциональная. Она может быть представлена полиферментным надмолекулярным комплексом. Пируват-дегидрогиназный комплекс. Он состои из нескольких ферментов, которые участвуют в окислении пировиноградной килсоты. Синтетаза жирных кислот. В нее входит 7 ферментов. Все они структурно связаны между собой и все вместе выполняют общую функцию – синтез жирной кислоты. Такие комплексы очень прочные, с трудом распадаются на отдельные ферменты в них сокращено расстояние для субстрата от одного фермента к другому. И этим они отличаются от предыдущей системы.