Ферменты.

Ферментология – раздел биохимии изучающий теоретически и практические вопросы связанные с ферментами.

Ферменты – это высокоспециализированные белки способные повышать скорость реакции в живых организмах. Ферменты = биологические катализаторы.

Свое название ферменты получили от процессов дрожжевого брожения. В настоящее время энзимы-ферменты это синимы. Первые работы в области ферментологии в 1814 год Кирхгоф провер первую ферментативную реакцию расщепления крахмала до глюкозы из проросших злаков. 1897 Брюхнер впервые провел дрожжевое брожение бесклеточных экстрактов. 1926 Самнер впервые получил фермент уреазу в кристаллическом чистом состоянии. 1966 Меррифинд впервые осуществил искусственный синтез фермента РНК-аза.

Структура ферментов.

Все ферменты – белки, как правило глобулярные относятся как к простым так и к сложным. Белковая часть фермента может состоять из одной ППЦ – мономерные белки – ферменты (пепсин). Ряд ферментов является олигомерными включают в свой состав несколько протомеров или субъединиц. Протомеры объединяясь в олигомерную структуру соединяется самопроизвольно непрочными нековалентными связями. В процессе объединение (кооперации) происходят структурные изменения отдельных протомеров в результате чего активность фермента заметно возрастает. Отделенеие (диссциация) протомеров и их объединение в олигомерный белок является регуляторным механизмов активности ферментов.

Субъединицы (протомеры) в олигомерах могут быть одиканоковыми, могут отличатся по одной, трем структурам (конформация). В случае отличия возникает множественные формы одного и того же фермента – изоферменты.

Изоферменты катализируют одну и ту же реакцию, но отличаются по набору субъединиц, физико-химическим свойствам, электрофоретической подвижностью, по сродству к субстратам, активаторам, ингибиторам. Пример: лактат-дегидро-геназа (ЛДГ) – фермент окисляющий молочную кислоту в пировиноградную этот фермент тетрамер состоит из четырех протомеров двух типов. Первый Н – из сердечной мышцы, второй М – из скелетной мускулатуры. Поэтому возможно 5 сочетаний этих протомеров: Н₄, Н₃М, Н₂М₂, Н₁М₃, М₄.

Биологическая роль изоферментов.

Изоферметы обеспечивают протекание химических реакций в соответствии с условиями в разных органах.

1. ЛДГ₁ – обладает высоким сродством к кислороду поэтому он активен в тканях органов с высокой скоростью окислительных реакций (эритроциты, миокард). ЛДГ₅ – активен в присутствии высокой концентрации лактата (наиболее активен в печени)

2. Поскольку изоферменты органоспецифичны – это используется для диагностики заболеваний различных уровней.

3. Изоферменты имеют способность изменять свою активность с возрастом.

У плода при недостатке кислорода преобладает ЛДГ₃, а с увеличением возраста, увеличением кислорода возрастает доля ЛДГ₂.

Если фермент является сложным белком то он состоит из белковой и небелковой части. Белковая часть является высокомолекулярной, термолябильной частью фермента и называется апоферментом. Он имеет своеобразную структуру и определяет специфичность белковых ферментов. Небелковая часть фермента – ко-фактор (ко-фермент). Ко-фактором чаще всего являются ионы металлов которые могут прочно связыватся с апо-ферментом например: Zn-карбоангидраза, Сu-цитохромоксидаза. Ко-ферменты чаще всего являются органическими веществами мене прочно связываемые с апоферментом. Ко-ферментами являетются нуклеатиды, НАД, ФАД.

Ко-фермент – низкомолекулярная, термостабильная часть фермента его роль заключается в том, что он определяет пространственную укладку (конфирмацию) апофермента, и определяет его активность. Ко-факторы могут переносить электроны, функциональные группы, участвуют в образовании дополнительных связей между ферментом и субстратом.

В функцианальном отношении в ферменте принято выделять два важных участка:

1. Активный центр

2. Аллостерический участок

Активнй центр – это участок в молекуле фермента, который взаимодействует с субстратом и участвует в каталитичском процессе. АЦ фермента образован радикалом аминокислт удаленных друг от друга в первичной структуре. АЦ имеет трехмерную укладку, чаще всего выявляются

- ОН группы серина

- SH – цистеина

- NH₂ лизина (NH₃)

- γ-СООН глютаминовой кислоты

В АЦ различают 2 зоны – связывания с субстратом и каталитическая.

Зона связывания обычно имеет жесткую структуру к которой комплиментрно присоединяется субстраты реакций. Пример: трипсин расщепляет белки в участках богатых аминокислотой лизином.

Каталитическая зона - это участок активного центра непосредственно воздействующий на субстрат и осуществляющий каталитическую функцию. Это зона более подвижна, допускает изменение функциональных групп.

В ряде ферментов чаще олигомерных, кроме активного центра есть аллостерический участок – участок молекулы фермента удаленный от активного центра взаимодействующий с субстратом и дополнительными веществами (регуляторами, эффекторами). В аллостеричесих ферментах в одной субъединице находится АЦ а в другой АУ. Аллостерические ферменты могут изменять свою активность следующим образом: эффектор (активатор, ингибитор) действует на аллостерическую субъединицу и изменяет ее структуру. Изменение конформации аллостерической субъединицы по принципу кооперативных изменений меняет структуру каталитической единицы.

Механизм действия ферментов.

Ферменты обладают рядом каталитических свойств:

1. Не смещают каталитическое равновесие

2. Не расходуются в процессе реакции

3. Катализирую только термодинамически реальные реакции. Такими реакциями являются те в которых сходный энергетический запас молекул больше чем финальный.

Разница между Е этого порога и исходным есть энергия активации. Скорость ферментативных реакций определяется энергией активации и другими факторами.

Константа скорости химической реакции определяется по уравнению:

К=P*Z*e^{- (Ea/RT)}

К - константа скорости

Р – пространственный стерический коэффициент

Z – число взаимодействующих молекул

Е_а – энергия активации

R – газовая постоянная

Т – универсальная температура

е – основание натуральных логарифмов

В этом уравнении z, е, RT – постоянные величины. Р и Еа переменные. Причем между скоростью реакции (К) и давлением зависимость прямая. К и Еа – обратная и степенная зависимость. Чем ниже Еа тем выше скорость реакции.

Механизм действия ферментов сводится к увеличению ферментами стерического коэффициента и уменьшению энергии активации.

Энергия активации.

Разложение Н₂О₂ без ферментов и катализаторов – 18 г/ккал на моль, если используется давление и температура то 12 000 ккал/моль. Если используется каталаза, то Еа=2 000 калл/моль.

Уменьшение Еа происходит в результате образования промежуточных фермент-субстратных комплексов. F+S <=> FS-комплекс → F + продукты реакции. Впервые возможность образование ферментных комплексов была доказана Михаэлисом, Ментеном. В последствии многие комплексы были выделены благодаря высокой избирательности ферментов при взаимодействии с субстратом: тория ключа и замка Фишера. Согласно теории фермент взаимодействует с субстратом абсолютно соответствуют друг другу (комплементарно) как ключ и замок. Теория объясняла специфичность ферментов, но не раскрывала механизмы воздействия на субстрат и поэтому возникла теории индуцированного соответствия фермента и субстрата. Теория Кошланда (резиновой перчатки) ее суть активный центр фермента сформирован и содержит все функциональные группы еще до взаимодействия с субстратом. Однако эти функциональные группы находятся в неактивном состоянии. В момент присоединения с субстратом субстрат индуцирует изменения положения, структуру радикальных групп в активном центре фермента и активный центр под действием субстрата переходит в активное состояние и в свою очередь начинает воздействовать на субстрат т.е. происходит взаимодействие АЦ фермента и субстрата. В результате субстрат переходит в нестабильное неустойчивое состояние, в результате чего уменьшается энергия активации.

Взаимодействие фермента и субстрата различно это реакции нуклеофильного замещения, эелектрофильного замещения, дегидратация субстрата. Возможно ковалентное взаимодействие, а в основном происходит геометрическая переориентация функциональных групп активного центра. Второй показатель – ферменты увеличивающие стерический коэффициент.

Стерический коэффициент – вводится для реакции в которых участвуют крупные молекулы имеющие пространственную структуру. Стерический коэффициент – показывает долю удачных столкновений активных молекул.

Ферменты увеличивают стерический коэффициент так как они изменяют молекулы субстрата в фермент субстратном комплексе и комплиментарность возрастает.

2) До взаимодействия с ферментом молекулы располагаются хаотично, а после упорядочиваются.

Номенклатура ферментов.

Ферменты имеют несколько типов названий:

1. Тривиальные (трипсин, пепсин)

2. Рабочее номенклатура в этом названии присутсвует окончание –аза которое прибавляется:

   • к названию субстрата (сахараза, амилаза),

   • к виду связи на которую действует фермент (пептидаза, гликозидаза),

   • к типу реакции, процесса (синтетаза, гидролаза).

У каждого фермента есть классификационное название в котором отражается тип реакции вид субстрата и кофермента например: ЛДГ – лактат-НАД⁺-окидоредуктаза.

Классификация ферментов.

1961 год согласно классификации расположен в определенном классе, подклассе, подподклассе и имеет порядковый номер. Поэтому каждый фермент имеет цифровой шифт первая цифра – класс, вторая – подкласс, третья – подподкласс, четвертая – порядковый номер (ЛДГ: 1,1,1,27). Все ферменты классифицируются на 6 классов.

1. Оксидоредуктазы

2. Трансферразы

3. Гидролазы

4. Лиазы

5. Изомеразы

6. Синтетазы (лигазы)

Оксидоредуктазы.

Ферменты катализирующие окислительно-востановительные процессы. Общий фид реакции: А_ок + В_вос = А_вост+В_ок. Наиболее важный подкласс:

1. Дегидрогиназы, катализирует реакции путем отщепления водорода от окисляемого вещества они бывают аэробные (переносят водород на кислород) и анаэробные (переносят водород не на кислород, а на какое-то другое вещество).

2. Оксигеназы ферменты катализирующие окисление путем присоединение кислорода к окисляемому веществу. Если присоединяется один атом кислорода – монооксигеназы, если два – диоксигеназы.

3. Пероксидазы ферменты катализирующие окисление веществ при участии пероксидов.

Трансферразы.

Ферменты осуществляющие межмолекулярный перенос функциональных групп с одного вещества на другое АВ + С = А + ВС. Подклассы выделяют в зависимости от вида переносимых групп: аминотрансферразы, метилтрансферразы, сульфатрансферразы, ацилтрансферразы – переносят остатки жирных кислот, фосфотрансферразы – переносят остатки фосфорных кислот.

Гидролазы.

Катализирует разрыв химической связи с присоединением воды по месту разрыва то есть реакции гидролиза. АВ + НОН = АН + ВОН. Подклассы выделяют от вида разрываемых связей: пептидазы (пептин), гликозидазы - гликозидные связи (амилаза), эстеразы – сложноэфирные связи (липаза).

Лиазы.

Катализируют разрыв химической связи без присоединения воды по месту разрыва при этом в субстратах образуются двойные связи. АВ = А + В. Подклассы зависят от того между какими атомами разрывается связь и какие вещества образуются: альдолазы – разрывает связь медлу двумя атомами водорода например фруктоза 1,6-ди-фосфатальдолаза разрезает фруктозу и две триозы. К лиазам относят ферменты декарбоксилазы – они вырезают углекислый газ. Дегидротазы – вырезают молекулы воды.

Изомеразы.

Катализируют взаимопревращения различных изомеров. Фосфогексоизимераза переводит фруктозу в глюкозу, подклассы – мутазы (фосфоглюуомутаза переводит глюкозу 1 фосфат), эпимеразы переводят рибозу в ксилулозу, таутомеразы

Синтетазы (лигазы).

Это ферменты катализирующие реакции синтеза новых веществ за счет энергии АТФ, А+В+АТФ = АВ. Глютаминсинтетаза соединяется (глю+NH₃+АТФ = глютамин).