Ферменты: строение, свойства и особенности функционирования

1. Ферменты. Строение, свойства, особенности функционирования.

2024

2.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЗАНЯТИЮ
1.
Понятие о ферментах.
неорганических катализаторов.
Основные
отличия
ферментов
от
2. Структура ферментов. Активный центр ферментов, его строение,
участки активного центра.
3. Теории взаимодействия активного центра ферментов с субстратом
(теории Фишера и Кошланда).
4. Специфичность действия
значение для организма.
ферментов,
виды
специфичности,
ее
5. Классификация и номенклатура ферментов. Характеристика отдельных
классов ферментов.
6. Единицы измерения ферментативной активности.
количественного определения активности ферментов.
7. Витамины как участники ферментативных реакций
8. Гипер- и гиповитаминозы
Принципы

3.

Понятие о ферментах.
Ферменты (энзимы)
• – специализированные биокатализаторы
белковой природы, которые принимают
участие в осуществлении химических реакций
в организме.
• Слово ≪фермент≫ происходит от слова
≪fermentatio≫ – брожение, а энзим – от
≪enzyme≫, что означает закваска в дрожжах.
Наука, изучающая ферменты, называется
энзимологией или ферментологией.

4.

Сходство ферментов с небиологическими
катализаторами заключается в том, что они:
• Не расходуются в ходе химических реакций
• Катализируют энергетически возможные
реакции
• Ускоряют наступление равновесия в обратимых
реакциях, но никогда не меняют направление
реакции (не изменяют константу равновесия
химических реакций)
Отличие ферментов от неорганических
катализаторов:
• Более высокая скорость реакции,
• Обладают специфичностью,
• Работают в мягких условиях ( t-37, PH-7)
• Способны к регуляции

5.

Понятие о ферментах.
E + S → ES → EP → E + P
• Фермент (Е) – осуществляет реакцию
• Субстрат (S) – вещество, на которое воздействует
фермент.
• Продукт (Р) – вещество, которое получается в ходе
реакции.
• Энергия активации – дополнительная минимальная
энергия, которую необходимо сообщить системе,
чтобы все молекулы вступили в химическую реакцию.
Реакция протекает таким образом, что при достижении
определенного энергетического барьера фермент и субстрат
переходят в промежуточное (переходное состояние)
состояние –фермент-субстратный комплекс. После
осуществления реакции высвобождается продукт, а фермент
готов к новой реакции.

6.

Понятие о ферментах.
Для осуществления
химической реакции
необходимо, чтобы
реагирующие
вещества имели
суммарную энергию
выше, чем величина,
называемая
энергетическим
барьером реакции.
Для характеристики
величины
энергетического
барьера Аррениус
ввел понятие энергия
активации

7.

Понятие о ферментах.
Ферменты принимают участие в большинстве
процессов происходящих в организме –
1) реакциях синтеза и распада веществ,
2) процессах переваривания и всасывания,
3) освобождения энергии,
4) обеспечивают координацию биохимических
реакций.
Нарушение синтеза или активности ферментов приводит
к возникновению болезней.
Все ферменты- это глобулярные белки, имеющие молекулярную массу
около 10 4- 10 6 Да. И как любой белок, ферменты обладают первичной,
вторичной, третичной ступенями организации, или, если в его состав
входит несколько полипептидных цепей – то и четвертичной структурой.
Поскольку ферменты – белковые молекулы, следовательно, они обладают
всеми свойствами, характерными для белков.

8.

Структура ферментов.
Ферменты
Простые
Белковый
компонент
Сложные
Белковый
компонент
+ небелковая
часть
кофактор

9.

Структура ферментов
• Холофермент = кофактор + апофермент
• Кофактор может быть металлом (Mn, Zn,
Fe) или сложным органическим
соединением –коферментом.
• В коферменты входят производные
витаминов, гем, нуклеотиды и др. .
• Кофермент непрочно связан с
апоферментом – НАД – вит В3, КоА.
• Если кофермент прочно связан с
апоферментом, то это простетическая
группа (ФАД,ФМН – вит В2, гем)

10.

Структура ферментов
Коферменты :
❑
❑
❑
❑
❑
производные витаминов;
гемы, входящие в состав
цитохромов, каталазы,
пероксидазы и др.
нуклеотиды - доноры и
акцепторы остатка
фосфорной кислоты;
убихинон, или кофермент Q,
участвующий в переносе
электронов и протонов в ЦПЭ;
S-аденозилметионин (SAM) донор метильной группы;
глутатион, участвующий в
окислительновосстановительных реакциях.
Металлы как кофакторы
могут:
❑ при присоединении
способствовать формированию
каталитически активной
конформации, участвуя в
окончательном становлении
третичной структуры апофермента
❑ способствуют образованию
комплекса между ферментом и
субстратом
❑ металлы с переменной
валентностью могут участвовать в
транспорте электронов: медь,
железо (система цитохромов)

11.

Структура ферментов
Активный центр – это участок фермента, включающий несколько
аминокислотных остатков от 5 до 10, участвующих в присоединении
и превращении субстрата. Это трехмерная структура (впадина, щель,
карман), выстланная остатками аминокислот, сближенными друг с
другом во время формирования третичной структуры белкафермента.
Активный центр формируется на третичном уровне организации
фермента

12.

Структура ферментов
Структура активного центра (АЦ) фермента
Наиболее часто в состав
активных центров ферментов
входят функциональные
группы таких аминокислот:
ОН – группы серина,
треонина, тирозина;
SН – группы цистеина;
NН – группа гистидина;
СООН – группы глутамата и
аспартата;
NН2 – группы аргинина и
лизина.

13.

Теории взаимодействия активного
центра ферментов с субстратом
• АЦ может иметь жесткую структуру и связывает
только один субстрат – (теория ключ-замок Э.
Фишер)
Эмиль Фишер
• АЦ может присоединять несколько похожих
субстратов подстраиваясь под них - рука –
перчатка – Д. Кошланд)
Даниэл Кошланд

14.

Специфичность ферментов
• Специфичность – свойство фермента избирательно
взаимодействовать с субстратом.
• Абсолютная специфичность – один фермент один субстрат
теория Фишера (аргиназа)
• Относительная специфичность – один фермент несколько
похожих по химической структуре субстратов (теория
Кошланда) - пептидазы катализируют разрыв пептидной
связи в любом белке, но по определенной аминокислоте.
• Стереоспецифичность – фермент работает с одним
изомером (Цис, Транс или L, D стереоформа) – оксдазы L и
D аминокислот.
• Каталитическая специфичность – преобразование одного и
того же субстрата под действием разных ферментов –
глюкозо 6 фосфат в организме превращается в 4 разных
вещества в зависимости от вида метаболического пути.

15.

Номенклатура ферментов
• Рабочее название фермента
(тривиальное): складывается из названия субстрата , типа
реакции и окончания «аза» – лактатдегидрогеназа;
• Систематическая – характеризует катализируемую им
химическую реакцию;
• Рациональная (напр. 1,4-альфа-D- глюканогидролаза – это
амилаза слюны.
Принципы количественного определения
активности ферментов
• МЕ или U: за единицу активности любого фермента
принимается то его количество, которое в оптимальных
условиях катализирует превращение 1 микромоля
субстрата или образование 1 микромоля продукта в
минуту (мкмоль/мин).
• Измеряется скорость убыли субстрата
образования продукта реакции
или
скорость

16. Международная классификация ферментов по типу реакции

№Название
Тип реакции
Пример
1 Оксидоредуктазы
окислительновосстановительные реакции
цитохром Средуктаза
2 Трансферазы
Перенос групп атомов,
отличных от атомов
водорода
аланинаминотрансфераза
3 Гидролазы
Разрыв связей с участием
воды
амилаза
4 Лиазы
Разрыв и образование
двойных связей между
атомами С
гидроксиметилглутарилКоАлиаза
5 Изомеразы
Образование структурных
изомеров
глюкозо-6фосфатизомераза
6 Лигазы
(синтетазы)
Соединение двух молекул с
образованием связей между
атомами С с затратой АТФ
глутаминсинтетаза

17.

ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ:
Подкласс дегидрогеназы – переносят атомы водорода
Подкласс оксидазы акцептором электрона служит
молекулярный кислород
Подкласс оксигеназы атом кислорода из молекулы
кислорода присоединяется к субстрату
SH + O2
монооксигеназа
H2O + S-OH

18.

ТРАНСФЕРАЗЫ- катализируют реакции переноса
функциональных групп от одного соединения к другому.
Разделяются на подклассы в зависимости от переносимой
группы. Например, трансаминазы переносят аминогруппу.
ГИДРОЛАЗЫ- катализируют реакции гидролиза
(расщепления ковалентной связи с присоединением
молекулы воды по месту разрыва). В зависимости от
расщепляемой связи подразделяют на эстеразы, фосфатазы,
протеазы и др.

19.

ЛИАЗЫ- катализируют отщепление от субстратов
негидролитическим путём определённую группу (при этом
могут отщепляться СО2, Н2О, NH2,SН2 и др.) или
присоединяющие молекулу по двойной связи.
ИЗОМЕРАЗЫ- катализируют внутримолекулярные
превращения

20.

ЛИГАЗЫ – катализируют реакции присоединения друг к
другу двух молекул с образованием ковалентной связи.
Этот процесс сопряжён с разрывом фосфоэфирной связи
в молекуле АТФ (или других нуклеозидтрифосфатов) или
с разрывом макроэргических связей других соединений

21.

Витамины как участники ферментативных
реакций
Витамины — низкомолекулярные органические соединения,
которые при потреблении в ничтожно малых количествах
обеспечивают протекание биохимических и физиологических
процессов, не включаясь в структуру ткани и не используясь в
качестве источника энергии.
Жирорастворимые - К, Е, Д, А,F
(запасаются в печени и жировой ткани)
Эти витамины встречаются в продуктах
животного происхождения и для
улучшения их всасывания
необходимы жиры.
Водорастворимые (избыток
выводится с мочой) – это витамины группы В, вит С, Н, и др.
Эти витамины растительных продуктов, некоторые в печени и
яичном желтке, а также небольшое количество синтезируются
микроорганизмами кишечника

22.

Функции витаминов
• Кофакторная – группа В – участвуют в биохимических
реакциях в составе ферментов.
• Косубстратная – вит. С – участвует в восстановлении
рабочего состояния фермента.
• Антиоксидантная – вит. Е, А, С – являются «ловушками»
активных форм кислорода.
• Гемокоагулирующая – вит К – участвует в процессе
свертывания крови.
• Регуляторная (концентрация Са в крови) – вит. Д
предшественник в синтезе гормона кальцитриола.
• Рецепторная (фоторецепторная) – вит. А участвует в работе
зрительного анализатора.
Антивитамины:
- блокируют встраивание витаминов в активный центр ферментов
- затрудняют всасывание витаминов (авидин);
- модифицируют структуру витамина.
Антивитамины также используют в качестве лекарственных форм
– сульфаниламиды.

23.

24.

Витаминоподобные вещества:
группа условно незаменимых факторов питания, напоминающих по
физиологическому действию витамины, при дефиците которых не
наблюдается развития патологических изменений (витаминной
недостаточности).
Карнитин, липоевая кислота, убихинон и др. – участвуют в
метаболических процессах, как в качестве коферментов, так и как
доноров функциональных групп

25.

Недостаточное поступление витаминов с пищей или прием
лекарственных препаратов обладающих действием
антивитаминов приводит к гиповитаминозам и
авитаминозам.
(витамин А – куринная слепота, вит С – цинга и т.д. )
Избыточный прием
витаминов может дать
гипервитаминоз – патологическое
нарушение обмена веществ.
Авитаминоз — патологическое
состояние, возникающее при
полном отсутствии в пище
витаминов либо при полном
нарушении их усвоения.

26.

27.

28.

Термины,
необходимые для понимания раздела
Ферменты (энзимы) — специализированные биокатализаторы
белковой природы, которые принимают участие в осуществлении с
высокой скоростью химических реакций в организме.
Энзимология — раздел биохимии, изучающий свойства, строение и
механизм действия ферментов.
Активный центр фермента — это участок фермента, который
включает несколько аминокислотных остатков, участвующих в
присоединении и превращении субстрата. Это углубление,
выстланное остатками аминокислот, сближенными друг с другом во
время формирования конформации белка-фермента.
Энергия активации (Еа) — минимальное количество энергии,
необходимое для перевода всех молекул вещества в активированное
состояние, из которого переходный комплекс самопроизвольно
превращается в продукты реакции
Простые ферменты — это ферменты, которые состоят только из
аминокислотных остатков.
Сложные ферменты помимо белковой части (апофермента) содержат
небелковый компонент, который в общем виде называют кофактор.

29.

Термины,
необходимые для понимания раздела
Кофермент — органический кофактор сложного фермента, который
непрочно (слабыми нековалентными связями) присоединен к
апоферменту (белковой части) и может быть отделен от него.
Простетическая группа — органический кофактор сложного
фермента, который прочно (ковалентными связями) связан с
апоферментом и не может быть отделен от него.
Витамины — низкомолекулярные органические соединения,
которые при потреблении в ничтожно малых количествах
обеспечивают протекание биохимических и физиологических
процессов, не включаясь в структуру ткани и не используясь в
качестве источника энергии.
Витаминоподобные вещества — группа условно незаменимых
факторов питания, напоминающих по физиологическому действию
витамины, при дефиците которых не наблюдается развития
патологических изменений (витаминной недостаточности).

30.

Термины,
необходимые для понимания раздела
Авитаминоз — патологическое состояние, возникающее при
полном отсутствии в пище витаминов либо при полном нарушении
их усвоения.
Гиповитаминоз — патологическое состояние, обусловленное
недостаточным поступлением витаминов с пищей, неполным их
усвоением или нарушением их использования организмом.
Антивитамины — любые вещества, вызывающие независимо от
механизма их действия снижение или полную потерю
биологической активности витаминов.
Гипервитаминозы — патологические состояния, связанные с
поступлением чрезмерно большого количества витаминов.