ОСОБЕННОСТИ ФЕРМЕНТОВ КАК БИОЛОГИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ
СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1. Общие свойства ферментов.
2. Условия протекания биохимических взаимодействий (реакций).
3. Понятие катализаторов и ингибиторов реакций.
4. Общие свойства катализаторов.
5. Особенности ферментов как биологических катализаторов.
6. Структурно функциональная организация ферментов.
7. Специфичность ферментов.
8. Механизм действия ферментов.
ОБЩИЕ СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ.
Ферменты являются самыми замечательными и наиболее специализированными белками которые обладают каталитической активностью. Ферменты являются необычно мощными катализаторами, они высокоспецифичные по отношению к субстрату и ускоряют строго определенные химические реакции без образования побочных продуктов. Они функционируют при низких концентрациях жидкостей организма (~ 0,1 н), а также при физиологических значениях температуры и рН.
Ферменты являются функциональными единицами метаболизма. Действуя в строго координированной и определенной последовательности они катализируют все многообразие реакций, в ходе которых расщепляются молекулы питательных веществ, осуществляются процессы трансформации, генерации и запасания энергии, синтезируются макромолекулы и др.
Особую группу составляют так называемые регуляторные ферменты, которые способны воспринимать (различать) различные метаболические сигналы и в соответствии с этим изменять функциональное состояние (см. активность ферментов) и соответственно течение обменных процессов. В конечном итоге достигается баланс в процессах анаболизма и катаболизма, необходимый для обеспечения жизнедеятельности клеток и организма в целом.
|
|
|
Активное изучение ферментов привело к становлению в начале XIX века науки энзимологии. Для обозначения биологических катализаторов применяют термины "ферменты" и "энзимы", но предпочтение отдают термину "фермент", хотя наука о ферментах называется энзимология. Слово "фермент" происходит от лат. fermentium - закваска, а "энзим" - от греч. еп - в, внутри и zуте - дрожжи. Данная терминология возникла исторически при изучении ферментативных процессов спиртового брожения.
Активное развитие энзимологии продолжается и в настоящее время. В задачи этой науки входят определение роли отдельных ферментов в ускорении химических реакций, протекающих в организме, выделение и очистка ферментов, установление их структуры, исследование механизма действия, изучение кинетических характеристик и особенностей регуляции активности in vivo (трактуется как в условиях организма).
УСЛОВИЯ ПРОТЕКАНИЯ БИОХИМИЧЕСКИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ (РЕАКЦИЙ).
|
|
|
ФЕРМЕНТЫ (энзимы) - это высокоспецифичные белки, выполняющие функции биологических катализаторов. Катализатор - это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само в ходе этой реакции не расходуется.
Какие условия необходимы для химического взаимодействия молекул, чтобы произошла химическая реакция?
1) Молекулы должны сблизиться (столкнуться). Но не всякое столкновение приводит к взаимодействию.
2) Необходимо, чтобы это столкновение стало эффективным - завершилось бы химическим превращением. Обязательное условие для эффективности столкновения - чтобы запас энергии молекул в момент столкновения был не ниже энергетического уровня реакции.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ РЕАКЦИИ - это запас энергии, которым должны обладать молекулы, чтобы их столкновение стало эффективным (чтобы произошла химическая реакция). Этот запас энергии является постоянной характеристикой (константой) для каждой данной реакции.
СРЕДНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ МОЛЕКУЛ – это энергия, которой обладает большинство молекул системы в данный момент времени. Эта средняя величина энергетического запаса, которая характеризует совокупность данных молекул в данных конкретных условиях (температура, давление и другие). Энергетический запас молекул - это понятие статистическое (вероятностное). Молекулы постоянно находятся в тепловом движении. Поэтому энергетический запас каждой из них все время изменяется, колеблется около величины, которая и представляет собой СРЕДНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ МОЛЕКУЛ.
|
|
|
|
|
В каждый момент времени наибольшая доля молекул данной совокупности обладает именно таким СРЕДНИМ запасом энергии. И чем больше отличается энергия определенной группы молекул от среднего энергетического уровня (в любую сторону), тем малочисленнее эта группа. В любой совокупности молекул ее определенная доля обладает такой энергией, которая выше среднего энергетического уровня и достаточна для протекания химической реакции.
РАЗНОСТЬ между СРЕДНИМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УРОВНЕМ МОЛЕКУЛ и ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УРОВНЕМ РЕАКЦИИ называется энергетическим барьером или ЭНЕРГИЕЙ АКТИВАЦИИ (Еакт.). Чем больше эта энергия активации, тем медленнее идет химическая реакция.
КАК УСКОРИТЬ ХИМИЧЕСКУЮ РЕАКЦИЮ? Повышение среднего энергетического уровня молекул (повышение температуры, давления и других параметров среды, которое используют на химических заводах и фабриках) НЕВОЗМОЖНО для живых организмов, которые нормально функционируют только при постоянных значениях температуры, давления и других параметров. Невозможен и другой путь - уменьшение энергии активации путем снижения энергетического уровня реакции, поскольку эта величина является постоянной характеристикой данной реакции.
|
|
|
Поэтому, только явление катализа (применение катализаторов) может обеспечить ускорение химических реакций в живых организмах. Рассмотрим две реакции (смотрите рисунок).
|
|
В общем случае энергии активации реакций 1, 2а и 2б не совпадают между собой, и все разнообразие возможных вариантов можно разделить на две группы:
1) Еакт2а и/или Еакт2б БОЛЬШЕ, чем Еакт1.
Во всех таких случаях реакция образования вещества "АВ" с участием вещества "К" пойдет медленнее. Значит, вещество "К" является ИНГИБИТОРОМ (замедлителем) этой реакции.
2) Еакт2а и/или Еакт2б МЕНЬШЕ, чем Еакт1.
В этих случаях реакция с участием вещества "К" пойдет быстрее, чем без него. Значит, вещество "К" является КАТАЛИЗАТОРОМ (ускорителем) данной химической реакции.
КАТАЛИЗАТОР - это вещество, которое направляет реакцию по такому обходному пути, на котором энергетические барьеры ниже. Это достигается в большинстве случаев разбиением реакции на несколько промежуточных стадий.
 |
Рассмотренные реакции можно представить в виде "вертикального среза" через вершину вулкана, кратер которого имеет неодинаковые по высоте края.
|
|
На этом рисунке видно, что энергия, которую надо затратить для "подъема" молекулы от среднего энергетического уровня реакции, полностью компенсируется при самостоятельном "скатывании" молекулы по склону "вулкана". При дальнейшем самопроизвольном "скатывании" до подошвы "вулкана" (то есть, до среднего энергетического уровня молекул, которые являются продуктами данной реакции). Энергия, которая при этом выделяется, называется "ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИТОГ РЕАКЦИИ".
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИТОГ РЕАКЦИИ - это разность между энергетическим уровнем исходных веществ (субстратов) и энергетическим уровнем продуктов реакции.
Энергетический итог реакции не зависит от пути, по которому идет реакция (он одинаков и для реакции с участием катализатора, и для реакции без его участия). Он не зависит и от величины энергии активации - от нее зависит только скорость протекания каждого из путей этой реакции.
Это видно из УРАВНЕНИЯ АРРЕНИУСА:
V = α*e-Eакт/RT;
где V-скорость химической реакции;
α-предэкспоненциальная величина, значение которой определяет множество факторов, например стерический (пространственный)Ю который показывает вероятность эффективного столкновения молекул, сопровождаемое реакцией между ними;
e-основание натуральных логарифмов;
R-универсальная газовая постоянная;
T-абсолютная температура;
Вывод из уравнения Аррениуса: так как энергия активации в этом уравнении входит в показатель степени, то даже небольшое изменение энергии активации приводит к большим изменениям скорости реакции.
ОБЩИЕ СВОЙСТВА КАТАЛИЗАТОРОВ
1. Катализаторы сами НЕ ВЫЗЫВАЮТ химическую реакцию, а только УСКОРЯЮТ реакцию, которая протекает и без них.
2. Не влияют на энергетический итог реакции.
3. В обратимых реакциях катализаторы ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, причем в ОДИНАКОВОЙ степени, из чего следует, что катализаторы:
а) НЕ ВЛИЯЮТ на НАПРАВЛЕННОСТЬ обратимой реакции, которая определяется только соотношением концентраций исходных веществ (субстратов) и конечных продуктов;
б) НЕ ВЛИЯЮТ на ПОЛОЖЕНИЕ РАВНОВЕСИЯ обратимой реакции, а только ускоряют его достижение.
ОСОБЕННОСТИ ФЕРМЕНТОВ КАК БИОЛОГИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ
Ферменты обладают всеми общими свойствами обычных катализаторов. Но, по сравнению с обычными катализаторами, все ферменты являются белками. Поэтому они обладают особенностями, отличающими их от обычных катализаторов. Эти особенности ферментов, как биологических катализаторов, иногда называют общими свойствами ферментов. К ним относятся:
1. Высокая эффективность действия. Ферменты могут ускорять реакцию в 108 -1012 раз (к примеру 1 г пепсина расщепляет 50 кг яичного белка за один час). Кроме того, в процессе протекания ферментативной реакции исключительно образуется необходимый продукт, и НЕ ОБРАЗУЮТСЯ побочные, ненужные для клетки соединения.
2. Высокая избирательность ферментов к субстратам (субстратная специфичность) и к типу катализируемой реакции (специфичность действия).
3. Конформационная лабильность. Каталитическая активность фермента, как и любой белковой молекулы, зависит от его конформации, и в частности конформации активного центра. В клетке присутствуют вещества, которые в той или иной мере влияют на конформацию молекулы фермента за счет разрыва одних и образования других слабых связей, что сопровождается изменением активности фермента.
4. Активность ферментов может регулироваться. Действие ферментов в клетке строго упорядоченно: продукт одной реакции является субстратом другой (следующей) реакции. Таким образом организуются метаболические пути. Среди множества ферментов определенного метаболического пути имеются ключевые, или регуляторные ферменты, активность которых может целенаправленно меняться в зависимости от потребностей клетки в конечном продукте данного метаболического пути.
5. Высокая и избирательная чувствительность к физико-химическим воздействиям тех или иных химических веществ, которые благодаря этому могут взаимодействовать с ферментом, улучшая или затрудняя его.
6. Высокая чувствительность ферментов к неспецифическим физико-химическим факторам среды - температуре, рН, ионной силе раствора и т.д.
7. Высокая чувствительность к химическим реагентам.
СТРУКТУРНО ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
В ферментативном процессе (реакции) принимают участие следующие участники:
субстрат (S) – вещество (лиганд), которое подвергается химическому превращению; продукт (Р) реакции, как итог данной реакции; и фермент (Е) катализирующий реакцию.
В общем виде этот процесс описывается следующей реакцией:
S + Е ↔ Р + Е;
Биологическая функция фермента, как и любого белка, обусловлена наличием в его структуре активного центра. Участок поверхности молекулы фермента Е, который непосредственно взаимодействует с молекулой субстрата S, называется АКТИВНЫМ ЦЕНТРОМ ФЕРМЕНТА. В активном центре фермента есть аминокислотные остатки, функциональные группы которых обеспечивают связывание субстрата, и аминокислотные остатки, функциональные группы которых осуществляют химическое превращение субстрата. Условно эти группы обозначают как участок связывания субстрата и каталитический участок, однако не всегда эти участки имеют чёткое 
пространственное разделение и иногда могут "перекрываться".
Рис. 1. Строение активного центра фермента. А - присоединение субстрата к ферменту в активном центре; Б - положение аминокислотных остатков, формирующих активный центр фермента, в первичной структуре белка; В - активный центр фермента условно разделяется на участок связывания и каталитический участок. Участок связывания представлен радикалами аминокислот, функциональные группы которых обеспечивают связывание субстрата. Каталитический участок образован радикалами аминокислотных остатков, функциональные группы которых обеспечивают химическое превращение субстрата.
АКТИВНЫЙ ЦЕНТР ФЕРМЕНТА
Активный центр фермента образован из остатков аминокислот, которые расположены в различных участках полипептидной цепи или различных полипептидных цепей, пространственно сближенных друг с другом. Он образуется на уровне третичной структуры белка-фермента.
В пределах активного центра фермента различают АДСОРБЦИОННЫЙ УЧАСТОК (центр) и КАТАЛИТИЧЕСКИЙ УЧАСТОК (центр). Кроме того, вне активного центра фермента встречаются особые функциональные участки; каждый из них обозначают термином АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЙ ЦЕНТР.
КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР - это область (зона) активного центра фермента, которая непосредственно участвует в химических преобразованиях субстрата.
В каталитическом участке субстрат претерпевает химическое превращение в продукт, который затем высвобождается из активного центра фермента. Схематично процесс катализа можно представить следующим уравнением:
Е + S ↔ ES ↔ ЕР ↔ Е + Р,
где Е - фермент (энзим), S - субстрат, Р - продукт. Данные обозначения общеприняты и происходят от английских слов enzyme, substrat, product.
Формируется каталитический участок за счет радикалов двух, иногда трех аминокислот, расположенных в разных местах полипептидной цепи фермента, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи. Например, каталитический центр "серин-гистидиновых" ферментов формируется за счет радикалов аминокислот Ser и His. Если фермент является сложным белком, то в формировании каталитического центра нередко участвует простетическая группа молекулы фермента (кофермент). Коферментную функцию выполняют все водорастворимые витамины и жирорастворимый витамин K.
АДСОРБЦИОННЫЙ ЦЕНТР - это участок активного центра молекулы фермента, на котором происходит сорбция (связывание) молекулы субстрата и образование фермент-субстратного комплекса (поэтому данный участок также называется субстрат связывающий или субстрат узнающий центр). Он формируется одним, двумя, чаще тремя радикалами аминокислот, которые обычно расположены рядом с каталитическим центром. Главная его функция - связывание молекулы субстрата и передача этой молекулы каталитическому центру в наиболее удобном положении (для каталитического центра). Эта сорбция происходит ТОЛЬКО ЗА СЧЕТ СЛАБЫХ ТИПОВ СВЯЗЕЙ (не ковалентных) и потому ЯВЛЯЕТСЯ ОБРАТИМОЙ. По мере формирования этих связей происходит конформационная перестройка адсорбционного центра, которая приводит к более тесному сближению субстрата и активного центра фермента, более точному соответствию между их пространственными конфигурациями. Такое соответствие - не заранее "готовое", а формирующееся в ходе взаимодействия - американский ученый Кошленд положил в основу теории ИНДУЦИРОВАННОГО СООТВЕТСТВИЯ (или «НАВЕДЕННОГО» СООТВЕТСТВИЯ), которая преодолела ограниченность существовавшей ранее теории КЛЮЧА И ЗАМКА (жесткого соответствия структуры субстрата структуре адсорбционного центра по теории Фишера).
Очевидно, что именно структура адсорбционного центра определяет субстратную специфичность фермента, то есть требования фермента к молекуле химического вещества, чтобы она могла стать для него подходящим субстратом.
Некоторые вещества, обладающие подходящими характеристиками (то есть похожие по строению на субстрат), могут тоже связываться с адсорбционным центром фермента. Но если в их молекуле нет такой химической связи, на которую может воздействовать каталитический центр данного фермента, то химических превращений этого вещества не произойдет. Занимая активный центр фермента, такие молекулы блокируют его работу, то есть являются ОБРАТИМЫМИ ИНГИБИТОРАМИ данного фермента (обратимыми, потому что связаны с ферментом слабыми типами связей). Повышая концентрацию субстрата, их можно ВЫТЕСНИТЬ из адсорбционного центра. Поэтому такие ингибиторы называют КОНКУРЕНТНЫМИ. Они конкурируют с истинным субстратом данного фермента за обладание его адсорбционным центром.
АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ ЦЕНТРАМИ называют такие участки молекулы фермента вне его активного центра, которые способны связываться СЛАБЫМИ ТИПАМИ СВЯЗЕЙ (значит - обратимо) с тем или иным веществом (лигандом). Причем такое связывание приводит к такой конформационной перестройке молекулы фермента, которая распространяется и на активный центр, облегчая, либо затрудняя (замедляя) его работу. Соответственно такие вещества называются АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ АКТИВАТОРАМИ или АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ ИНГИБИТОРАМИ данного фермента.
Термин "аллостерический" ἄλλος - иной, στερεός – пространство, (то есть "имеющий иную пространственную структуру", или расположен в другом месте в пространстве) появился в связи с тем, что эти эффекторы по своей пространственной конфигурации совсем не похожи на молекулу субстрата данного фермента (и потому не могут связываться с активным центром фермента). Было сделано заключение, что и аллостерический центр не похож по своей структуре на активный центр фермента.
Аллостерические центры найдены не у всех ферментов. Они есть у тех ферментов, работа которых может изменяться под действием гормонов, медиаторов и других биологически активных веществ. Некоторые искусственно синтезированные лекарства обладают биологической активностью потому, что их молекулы комплементарны аллостерическому центру некоторых ферментов организма.
Многие ферменты оказывают каталитическое действие на субстраты только в присутствии специфического термостабильного низкомолекулярного органического соединения—кофермента. В таких случаях холофермент (каталитически активный комплекс) состоит из апофермента (белковая часть) и связанного с ним кофермента.
Кофермент может быть связан с апоферментом ковалентными или нековалентными связями. Термин «простетическая группа» (prosteo приоединять) относится к ковалентно связанному коферменту. К числу реакций, требующих присутствия коферментов, относятся окислительно-восстановительные реакции, реакции переноса групп и изомеризации, а также реакции конденсации (по системе IUB это классы 1, 2, 5 и 6). Реакции расщепления, например, гидролитические реакции, катализируемые пищеварительными ферментами, протекают в отсутствие кофермента (по системе IUB это классы 3 и 4). Коферменты (коэнзимы) в зависимости от выполняемых функций классифицируют следующим образом:
1. Коферменты, участвующие в переносе любых групп, кроме атомов водорода: сахарофосфаты, CoASH, тиаминпирофосфат, пиридоксальфосфат, фолиатные коферменты, биотин. кобамидные (В12) коферменты, липоевая кислота.
2. Коферменты, участвующие в переносе атомов водорода: NAD+\ NADP+; FMN, FAD, липоевая кислота, кофермент Q.
СПЕЦИФИЧНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ.
Различают два главных вида специфичности ферментов: субстратную специфичность и специфичность действия.
СУБСТРАТНАЯ СПЕЦИФИЧНОСТЬ.
Это способность фермента катализировать превращения только одного определенного субстрата или же группы сходных по строению субстратов. Определяется структурой адсорбционного участка активного центра фермента. (См. рис 2.)
Различают 3 типа субстратной специфичности:
1) АБСОЛЮТНАЯ субстратная специфичность - это способность фермента катализировать превращение только одного, строго определенного субстрата.
2) ОТНОСИТЕЛЬНАЯ субстратная специфичность - способность фермента катализировать превращения нескольких, сходных по строению, субстратов.
3) СТЕРЕОСПЕЦИФИЧНОСТЬ - способность фермента катализировать превращения определенных стереоизомеров.
Например, фермент оксидаза L-аминокислот способен окислять все аминокислоты, но относящиеся только к L-ряду. Таким образом, этот фермент обладает относительной субстратной специфичностью и стереоспецифичностью одновременно.
СПЕЦИФИЧНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ.
Специфичность действия - это способность фермента катализировать только определенный тип химической реакции. Определяется структурой каталитического участка активного центра фермента. (См. рис 2.)
В соответствии со специфичностью действия все ферменты делятся на 6 классов. Классы ферментов обозначаются латинскими цифрами. Название каждого класса ферментов соответствует этой цифре.
Рис. 2. Функциональная значимость отдельных участков активного центра фермента.
МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ
 |
Любая ферментативная реакция протекает через ряд промежуточных стадий. Различают три основных этапа ферментативного катализа:
1 этап. ОРИЕНТИРОВАННАЯ СОРБЦИЯ СУБСТРАТА НА АКТИВНОМ ЦЕНТРЕ ФЕРМЕНТА С ОБРАЗОВАНИЕМ ОБРАТИМОГО E-S КОМПЛЕКСА (ФЕРМЕНТ-СУБСТРАТНОГО). На этом этапе происходит взаимодействие адсорбционного центра фермента с молекулой субстрата. При этом и субстрат подвергается конформационной перестройке. Все это происходит за счет возникновения слабых типов связей между субстратом и адсорбционным центром фермента. В результате этого молекула субстрата ориентируется по отношению к каталитическому центру в наиболее удобном для него положении. Этот этап является легко обратимым, потому что здесь участвуют только слабые типы связей. Кинетическая характеристика 1-го этапа ферментативного катализа - константа Михаэлиса (Км).
2 этап. ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ СУБСТРАТА В СОСТАВЕ ФЕРМЕНТ-СУБСТРАТНОГО КОМПЛЕКСА С ОБРАЗОВАНИЕМ КОМПЛЕКСА ФЕРМЕНТА С ХИМИЧЕСКИ ПРЕОБРАЗОВАННЫМ СУБСТРАТОМ. На этом этапе разрываются одни ковалентные связи в составе субстрата и возникают новые. Поэтому этот этап протекает значительно медленнее, чем 1-й и 3-й этапы. Именно скорость второго этапа определяет скорость всей ферментативной реакции в целом. В целом, скорость ферментативного процесса в характеризуется величиной k+2, которая является почти всегда самой маленькой из всех частных констант скоростей. Кинетическая характеристика 2-го этапа - максимальная скорость (Vmax).
3 этап. ДЕСОРБЦИЯ (ОТСОЕДИНЕНИЕ) ГОТОВОГО ПРОДУКТА ИЗ ЕГО КОМПЛЕКСА С ФЕРМЕНТОМ. Этот этап протекает легче, чем 2-й. Он, как и 2-й этап, тоже необратим. Исключение - обратимые ферментативные реакции.
Процесс освобождения продукта реакции от фермента становится возможным так как он связан с ферментом слабыми силами. Более того после реакции меняется его структура и конфигурация молекулы, в результате чего продукт реакции теряет комплементарность к ферменту и данный комплекс самопроизвольно распадается, т.е. комплекс диссоциирует на продукт и свободный фермент. После диссоциации фермент способен к взаимодействия с другой молекулой субстрата.
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 641; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!