Тема 1 : ферменты.

Ферменты- высокоспециализированные белки

Биохимические реакции, необходимые для функционирования организма, строго детерминированы, генетически запрограммированы и создают всю картину обмена веществ и свои особенности метаболизма, характерные для данного вида.

Практически все реакции, избранные природой для осуществления онтогенеза, протекают в организме с участием белков-ферментов.

Информация о первичной структуре белка закодирована в соответствующем ему структурном гене. Выполняется закон:

Ген -> белок-фермент – > одна биохимическая реакция.

В постулате «одна реакция» проявляется специфичность фермента, которая может быть:

А. субстратная абсолютная ( единственное вещество является субстратом этого фермента.

Б. субстратная групповая, относительная (вещества одного класса или сходного строения являются субстратами фермента)

В. стерео (в отношении пространственного строения – геометрических и оптических изомеров)

Г. каталитическая (реализация одного направления реакции из нескольких возможных)

Все множество реакций, происходящих в организме, можно разделить на 6 типов,

в связи с этим предложена классификация ферментов, включающая 6 классов.

1. Оксидоредуктазы 4. Лиазы

2. Трансферазы 5. Изомеразы

3. Гидролазы 6. Лигазы( синтетазы)

* ( соответствие номера класса и название класса следует заучить )

По составу ферменты бывают

а. простые белки

б. сложные белки, состоящие из белковой части ( апофермента) и небелковой части

( кофермента). Совокупное название всего сложного фермента – холофермент.

Химическая природа коферментов - органические молекулы( гем, нуклеотиды ФАД, НАД⁺, витамины В-1, В-6, В-12, С, биотин, липоевая, фолиевая кислоты и др.) , катионы металлов (цинк, медь, марганец и др.)

Признак специфичности определяет белковая часть фермента, направляя каталитические возможности кофермента на нужный путь. Например, витамин В-6 может быть коферментом в составе трансаминаз ( класс трансферазы) и в составе декарбоксилаз аминокислот ( класс лиазы). Исследование активности трансаминаз АСТ и АЛТ широко применяется в клинической лабораторной диагностике.

Ферменты, обладающие одинаковой специфичностью, но отличающиеся строением первичной структуры белка, называются изоферментами. Изоферменты характеризуются различными физико-химическими свойствами: термолабильность. величина рI, электрофоретическая подвижность, Км

( рI - изоэлектрическая точка, Км – константа Михаэлиса - см. объяснения ниже в тексте)

Изоферменты локализуются в различных органах, появляются на разных этапах жизни (изменения в онтогенезе) или при изменении физиологических условий, осуществляя адаптацию. Как правило, для них характерна четвертичная структура, представленная вариантами сочетаний четного числа двух различных субъединиц.

Хорошо изученный фермент ЛДГ состоит из 4 субъединиц, представленных набором двух различных полипептидов : Н( heart ) и M ( muscle). Поэтому существует 5 изоферментов ЛДГ, отличающихся комбинациями субъединиц:

ЛДГ₁ НННН ЛДГ₂ Н ННМ ЛДГ ₃ ННММ

ЛДГ ₄ НМММ ЛДГ₅ НМММ

.Знание изоферментного спектра органов широко используется в энзимодиагностике.

Ферменты катализируют

-только энергетически возможные реакции,

-направление реакции в процессе катализа изменяться не может,

- любой катализатор( в т.ч. фермент) в процессе реакции не расходуется.

К особенностям ферментативного катализа относятся:

* высокие скорости реакций

* физиологические условия ( температура в предела 36-38 ⁰ С , значение рН 6,9 – 7,5)

* высокая специфичность

* возможность регуляции скорости реакции

Функции ферментов обеспечиваются их пространственным строением.

На поверхности белка фермента выделяют особый активный центр, в составе которого есть 2 различных по функциям участка :

субстратный ( служит для связывания субстрата). Формируется с участием радикалов аминокислот, которые оказываются сближенными благодаря образованию третичной пространственной структуры , изменение которой нарушает функции субстратного центра.

каталитический( в нем проходит превращение субстрата в продукт реакции). Именно в каталитическом участке сложного белка-фермента находится кофермент, а в случае простого белка фермента каталитический центр вновь формируется радикалами аминокислот.

Субстратный и каталитический участки находятся в кооперативном взаимодействии. Достаточно часто в составе фермента присутствуют различные ионы, располагающиеся вне активного центра, но необходимые для полноценного функционирования фермента - их называют кофакторы.

У особых регуляторных ферментов есть дополнительный участок – аллостерический центр, который связывает особые вещества модуляторы, или эффекторы, способные изменять активность фермента. Лекарственные препараты могут действовать как аллостерические активаторы или ингибиторы .

Термин аллостерический ( пространственно иной- греч) ввел Ж. Моно- французский биохимик и микробиолог лауреат Нобелевской премии ( 1965 )

Ошибки в аминокислотной последовательности первичной структуры белка наиболее опасны в тех случаях, когда аминокислоты участвуют в образовании функционально важных участков фермента.- возникают дефектные ферменты( одна из причин наследственной энзимопатии).

Скорость ферментативной реакции зависит от факторов:

* температуры

* величины рН среды

* концентрации энзима ( зависимость линейная)

* концентрации субстрата ( зависимость описывается гиперболой, при достаточном увеличении концентрации субстрата скорость перестает расти , достигает максимальной и сохраняется постоянной при дальнейшем увеличении концентрации субстрата., в отдельных случаях может и понижаться.)

В обоих случаях ( температура., рН ) наблюдается максимальное значение скорости реакции при определенных оптимальных значениях этих величин. При отклонении от оптимального значения в обе стороны скорость реакции снижается.

Снижение температуры, как правило, вызывает обратимую денатурацию белка-фермента вследствие повышения энергетического барьера реакции. Повышение температуры выше Т ( опт) сопровождается необратимой денатурацией белка, поскольку белки термолабильны. Уместно напомнить, что термин денатурация белка означает потерю нативных ( природных) свойств белка.

Изменение величины рН сопровождается нарушением конформации третичной структуры белка, которая формирует активный или аллостерический центры : изменяется заряд белка., меняется характер ионного взаимодействия, число водородных связей.

Знание вышеперечисленные зависимостей позволяет научно объяснить :

1. необходимость поддержания кислотно-основного гомеостаза организма, который нужен для обеспечения функций белков- ферментов, белков-рецепторов.

2 при осуществлении энзимотерапии: выбор дозы, условия применения лекарственного препарата, содержащего ферменты.

Локализация и компартментализация ферментов в клетке и тканях.

Ферменты по локализации делят на 3 группы:

I – общие ферменты (универсальные)

II - органоспецифические

III - органеллоспецифические

Общие ферменты обнаруживаются практически во всех клетках, обеспечивают жизнедеятельность клетки, катализируя реакции биосинтеза белка и нуклеиновых кислот, образование биомембран и основных клеточных органелл, энергообмен. Общие ферменты разных тканей и органов, тем не менее, отличаются по активности.

Органоспецифичные ферменты свойственны только определенному органу или ткани. Например: Для печени – аргиназа. Для почек и костной ткани – щелочная фосфатаза. Для предстательной железы – КФ (кислая фосфатаза). Для поджелудочной железы – α-амилаза, липаза. Для миокарда – КФК (креатинфосфокиназа), ЛДГ, АсТ и т.д.

Внутри клеток ферменты также распределены неравномерно. Одни ферменты находятся в коллоидно-растворенном состоянии в цитозоле, другие вмонтированы в клеточных органеллах (структурированное состояние).

Органеллоспецифические ферменты. Разным органеллам присущ специфический набор ферментов, который определяет их функции.

Органеллоспецифические ферменты это маркеры внутриклеточных образований, органелл:

-Клеточная мембрана: ЩФ (щелочная фосфатаза), АЦ (аденилатциклаза), К-Nа-АТФаза

-Цитоплазма: ферменты гликолиза, пентозного цикла.

-ЭПР: ферменты обеспечивающие гидроксилирование (микросомальное окисление).

-Рибосомы: ферменты обеспечивающие синтез белка.

- Лизосомы: содержат гидролитические ферменты, КФ (кислая фосфатаза).

- Митохондрии: ферменты окислительного фосфорилирования, ЦТК (цитохромоксидаза, сукцинатдегидрогеназа), β-окисления жирных кислот.

-Ядро клетки: ферменты обеспечивающие синтез РНК, ДНК ( РНК-полимераза, НАД-синтетаза).