ЛЕКЦІЯ 9.
ТЕМА: ФЕРМЕНТИ.
1. Визначення та хімічна природа ферментів.
2. Будова ферментів.
3. Механізм дії ферментів.
4. Активність ферментів.
5. Класифікація ферментів:
а) оксидоредуктази;
б) трансферази;
в) гідролази;
г) ліази;
д) ізомерази;
е) лігази.
6. Значення ферментів.
Література додаткова: Диксон, Уэбб
Ферменты , 1-3 части, Кретович « Введение в
Энзимологию»
1. Визначення та хімічна природа ферментів.
Ферменти або ензими – органічні речовини білкової природи, які утворюються в живих організмах і мають здатність прискорювати перебіг хімічних реакцій в організмі. Саме існування життя зумовлене наявністю білків з ферментативними функціями, а обмін речовин в кожній клітині визначається певним набором ферментів. Від інших каталізаторів ферменти відрізняються тим, що в природі вони зустрічаються лише в живих організмах, мають високу специфічність і каталітичну дію. Крім того, всі хімічні реакції, які відбуваються за участю ферментів, проходять при нормальному тиску, температурі, близькій до кімнатної, при слабо кислій, нейтральній або слабо лужній реакції середовища. Для ферментів характерним є і те, що синтез їх та каталітична активність контролюється на генетичному рівні, а також за участю цілого ряду низькомолекулярних сполук – субстратів або продуктів реакції.
Дослідження хімічного складу ферментів свідчать про те, що вони є білковими речовинами. Для ферментів, як і для білків, характерна висока молекулярна маса. Вона коливається від десятків тисяч до декількох мільйонів дальтон. Одним із доказів білкової природи ферментів є те, що при розчиненні у воді вони утворюють колоїдні розчини і не проходять через напівпроникні мембрани. Подібно до білків ферменти є амфотерними електролітами, висолюються нейтральними солями та ін активуються при нагріванні. Доказом того, що ферменти мають білкову природу, було одержано їх у чистому вигляді і виділено у кристалічному стані. Так, у 1926 р. Самнер вперше виділив кристали уреази. Пізніше у 1930-1931 рр. було виділено у кристалічному стані ферменти – пепсин і трипсин. На даний час отримано більше 400 ферментів у кристалічному стані.
За хімічною природою ферменти поділяють на дві групи: протеїни ( прості ферменти ), що складаються тільки з білка і протеїди ( складні ферменти ), які містять білок і активну групу небілкової природи.
Прості ферменти представлені одним або кількома поліпептидними ланцюгами і при гідролізі розщеплюються до амінокислот. Вони належать до таких класів білків, як альбуміни, глобуліни та інші групи простих білків. Більшість простих ферментів каталізують процеси гідролізу, наприклад пепсин, трипсин, рибонуклеаза.
2. Будова ферментів.
Більшість ферментів належать до групи складних білків. Такі ферменти, крім білкової частини містять групу небілкової природи – кофактор. Численні дослідження свідчать, що роль кофакторів у ферментах – протеїдах виконують деякі вітаміни та їх похідні, окремі фосфорні ефіри моносахаридів, нуклеотиди, металовмісні комплекси. Зараз усі кофактори ферментів поділяють на коферменти, простетичні групи і активатори.
Коферменти зв’язані з білковою частиною ферменту слабкими електростатичними силами. З’єднання коферменту з білковою частиною підвищує його стійкість до різних зовнішніх факторів. Коферменти у ферментах – протеїдах виконують роль переносників різних функціональних груп, атомів, електронів і протонів. Окремі коферменти беруть участь в активуванні молекул субстратів.
Нікотинамідні коферменти – це найбільш поширена і численна група коферментів. До складу нікотинамідних коферментів входить залишок аміду нікотинової кислоти ( вітаміну РР ), ці коферменти входять до складу ферментів класу оксидоредуктаз. Вони приймають участь в окисленні субстратів і перенесенні протонів та електронів на інші ферменти або субстрати.
Ліпоєва кислота є коферментом окислювально-відновних ферментів, що приймають участь у процесах окислювального декарбоксилювання кетокислот. Вона легко окислюється і відновлюється, утворюючи дисульфідні зв’язки або сульфгідрильні групи.
Убіхінони – це група жиророзчинних речовин, які містяться в усіх клітинах організму.
Тетрагідрофолієва кислота є гомологом фолієвої кислоти. Входить до складу ферментних систем, які беруть участь у процесах перенесення одно вуглецевих залишків.
Кофермент А (коензим А). Для його позначення використовується скорочена форма – КоА – SH. Коензим А складається із 3-фосфоаденозин-5-дифосфату і пантотеїну, який утворюється внаслідок з’єднання вітаміну пантотенової кислоти з меркаптоетиламіном. Коензим А бере участь у процесах обміну речовин в організмі: в окисленні і синтезі жирних кислот, нейтральних жирів і фосфатидів, біосинтезі стероїдів, у біохімічних перетвореннях циклу три карбонових кислот і циклу гліоксилової кислоти.
Глутатіони. Цей кофермент є трипептидом. Він побудований із залишків L – глутамінової кислоти, L – цистеїну і гліцину. Глутатіон приймає участь в окислювально-відновних процесах організму. Крім того, відновлена форма глутатіону є коферментом деяких ферментів, що каталізують реакції ізомеризації.
Простетичні групи. З апоферментом простетичні групи зв’язані ковалентними зв’язками. Найбільш часто у ферментах – протеїдах зустрічаються такі простетичні групи:
Флавіннуклеотиди. До цієї групи належать флавінмононуклеотид (ФМН) і флавінаденіндинуклеотид (ФАД). Ферменти, які містять флавінові простетичні групи приймають участь в окислювально-відновних реакціях клітинного дихання. Вони переносять електрони і протони від відновних нікотинамідних коферментів до цитохромів, приймають участь в окисленні альдегідів, амінокислот, глюкози, дегідруванні похідних коферменту А.
Тіамінпірофосфат виконує функції простетичної групи у ферментах, які каталізують просте і окислювальне декарбоксилювання α – кетокислот, беруть участь в реакціях синтезу і розкладу α-оксикетонів і дикетонів. Значний вплив на каталітичну активність тіамінпірофосфату мають піридинове кільце і сірка, яка входить до складу тіаміну. Вони значно посилюють функцію тіазолового кільця і позитивно впливають на зв’язування простетичної групи з апоферментом.
Піридоксальфосфат і піридоксамінфосфат є похідними вітаміну В6. Ферменти, які містять дані сполуки, відіграють важливу роль в білковому обміні. Вони каталізують реакції переамінування амінокислот, їх декарбоксилювання, розщеплення і синтез.
Біотин входить до складу ферментів, які каталізують реакції карбоксилювання і перенесення карбоксильних груп.
Залізопорфінові комплекси є простетичною групою ферментів – каталази, пероксидази і цитохромів. Ферменти, які містять залізопорфінові комплекси відіграють важливу роль у процесах тканинного дихання як переносники електронів до кисню.
Активатори ферментів. До цієї групи належать такі кофактори, які прискорюють реакції, що каталізуються ферментами. Активаторами часто є іони металів – магнію, цинку, марганцю, кобальту.
Необхідно підкреслити, що поділ кофакторів на коферменти, простетичні групи і активатори до певної міри умовний. Наприклад, в окремих випадках у ферменту оксидази Д - амінокислот кофактор – ФАД з білковою частиною зв’язаний не міцно і виступає як кофермент. Це й же кофактор зв’язаний міцно ( ковалентно ) з ферментами тканинного дихання, виконує в них уже функцію простетичної групи.
Між іонами металів, які входять до складу ферменту та іонами, які активують каталітичний процес, чіткого поділу немає.
Розглядаючи хімічну природу ферментів-протеїдів, потрібно зауважити, що білкова і небілкова частини окремо ферментативної активності не виявляють. Така активність спостерігається тільки тоді, коли білкова частина з’єднана з небілковою. Вважають, що небілкова частина підвищує стійкість білкової частини, а остання зумовлює специфічність каталітичної дії ферменту. Небілкова частина приєднуючись до різних білків, може каталізувати зовсім інші процеси.