Надо Знать

добавить знаний



Ферменты



План:


Введение

Пространственная структура триозфосфат-изомеразы ( PDB 1WYI)

Ферменты или энзимы - органические катализаторы белковой или РНК природы. Ферменты катализируют большинство химических реакций, происходящих в живых организмах. Они могут иметь от одного до нескольких полипептидных цепей - субъединиц. Каждый из ферментов имеет один или более активных центров, которые определяют специфичность химической реакции, катализируемой данным ферментом. Кроме активного центра некоторые ферменты имеют алостеричний центр, который регулирует работу активного центра. Ферментативная реакция также может регулироваться другими молекулами, как белковой природы, так и другими - активаторами и ингибиторами.

Ферменты РНК-природы называются рибозимами и считаются первоначальной форме ферментов, которые были заменены белковыми ферментами в процессе эволюции.

Термины "фермент" и "энзим" можно использовать как синонимы. Но наука о ферментах называется энзимологии, а не ферментологию (вероятно чтобы не смешивать корни слов латинского и греческого языков).


1. История исследования

Термин "фермент" был предложен в 17 веке химиком ван Гельмонтом для описания механизмов пищеварения. В конце 18 - начале 19 века уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком, а крахмал превращается в сахар под действием слюны. Однако механизм этих явлений был неизвестен [1]. В 19 веке Луи Пастер, изучая превращение углеводов в этиловый спирт под действием дрожжей, пришел к выводу, что этот процесс ( брожение) катализируется некой "жизненной силой", находящийся в дрожжевых клетках.

Более ста лет назад термины "фермент" и "энзим" отражали взгляды Луи Пастера с одной стороны и Марселен Бертло и Юстуса Либиха с другой в теоретическом споре о природе спиртового брожения. Собственно "ферментами" (от лат. fermentum - "Закваска") называли "организованные ферменты (то есть именно живые микроорганизмы), а термин "энзим" (от греч. ἐν- - "В-" и ζύμη - "Дрожжи", "закваска"), предложенный 1876 ​​года В. Кюне для неорганизованных ферментов", что секретируются клетками, например, в желудке ( пепсин) или кишечника ( трипсин, амилаза). За два года после смерти Пастера 1897 года Эдуард Бюхнер опубликовал работу "Спиртовое брожение без дрожжевых клеток, в которой экспериментально показал, что экстракт клеток дрожжей осуществляет спиртовое брожение так же, как и неразрушимые дрожжевые клетки [2] 1907 году за эту работу он был удостоен Нобелевской премии.


2. Функции ферментов

Ферменты являются биологическими катализаторами, они присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ ( субстратов) в другие (продукты). Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех биохимических реакциях, происходящих в живых организмах - ими катализируется около 4000 химически отдельных биореакций [3]. Ферменты играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ организма.

Подобно всем катализаторов, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, снижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямой, ни в обратную сторону. Отличие ферментов от небелковых катализаторов заключается в их высокой специфичности - константа диссоциации некоторых субстратов с белком-ферментом может достигать менее 10 -10 моль / л.

Ферменты широко используются в народном хозяйстве - пищевой, текстильной промышленности, в фармакологии.


3. Классификация ферментов

По типу реакций, катализируемых, ферменты подразделяются на 6 классов по иерархической классификации ферментов (КФ или EC - Enzyme Commission code). Классификация была предложена Международным союзом биохимии и молекулярной биологии (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Каждый класс содержит подклассы, так что фермент описывается совокупностью четырех чисел, разделенных точками. Например, пепсин имеет код КФ 3.4.23.1. Первое число описывает класс реакций катализирует фермент:

Являясь катализаторами, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакции, поэтому, например, лиазы способны катализировать и обратную реакцию - присоединение по двойным связям. Тем не менее направление реакции может привлекать несколько субстратов и быть таким, что обратная реакция практически не происходит.


4. Наименование ферментов

Обычно ферменты именуют по типу реакции, которую он катализирует, добавляя суффикс-аза к названию субстрата (например лактаза - фермент, участвующий в превращении лактозы). Таким образом, в различных ферментов, выполняющих одну функцию, будет одинаковое название. Такие ферменты различают по другим свойствам, например, по оптимальному pH (щелочная фосфатаза) или локализации в клетке (мембранная АТФ-аза).


5. Кинетика ферментативной реакции

Кривая насыщения химической реакции (уравнение Михаэлиса-Ментен), иллюстрирующая соотношение между концентрацией субстрата [S] и скоростью реакции V.

Самым простым и распространенным описанием кинетики односубстратних ферментативных реакций уравнения Михаэлиса-Ментен.

На сегодняшний момент описано и несколько сложных типов кинетики ферментов. Например, если реакция требует нескольких молекул субстрата или различных субстратов, часто реакция протекает через образование третичного комплекса. Для действия многих ферментов также типичное образований переходных комплексов (состояний), которое описывается "механизмом пинг-понг".


6. Структура и механизм действия ферментов

Активность ферментов определяется их трехмерной структурой [4].

Как и все белки, ферменты синтезируются в виде линейной цепочки аминокислот, который сворачивается определенным образом. Каждая последовательность аминокислот сворачивается особым образом, и молекула (белковая глобула), что значит, обладает уникальными свойствами. Несколько белковых цепочек могут объединяться в белковый комплекс. Наибольшие уровни структуры белков - третичная и четвертичная структуры - разрушаются при нагревании или под действием некоторых химических веществ.

Чтобы катализировать реакцию, фермент должен связаться с одним или несколькими субстратами. Белковый цепочку фермента сворачивается таким образом, что на поверхности глобулы образуется щель или впадина, к которой присоединяются молекулы субстрата. Эта область называется участком (сайтом) связывание субстрата. Обычно она совпадает с активным центром фермента или находится вблизи него. Некоторые ферменты содержат участки связывания кофакторов или ионов металлов.

В некоторых ферментов присутствуют также участки связывания малых молекул, которые не принимают непосредственного участия в реакции и часто, но не обязательно, являются субстратами или продуктами метаболического пути, в который входит фермент. Они уменьшают или увеличивают активность фермента, что создает возможность для обратной связи или регуляции работы фермента.

Для активных центров некоторых ферментов характерно явление кооперативности.


6.1. Специфичность

Ферменты обычно проявляют высокую специфичность по отношению к своим субстратам. Это достигается частичной комплиментарность формы распределения зарядов и гидрофобных областей на молекуле субстрата и в области связывания субстрата на ферменте. Ферменты демонстрируют высокий уровень стереоспецифичности (пространственной специфичности), региоселективности (специфичности ориентации) и хемоселективности (специфичности в химических групп).


6.1.1. Модель "ключ-замок"

Гипотеза Кошланда о индуцированную соответствие
Реалистичная ситуация индуцированного соответствия - "неправильные" субстраты очень большие или очень маленькие и не подходят к активному центру

В 1890 году Эмиль Фишер предположил, что специфичность ферментов определяется точным соответствием формы фермента и субстрата [5]. Такое предположение называется моделью "ключ-замок". Фермент соединяется с субстратом с образованием короткоживущего фермент-субстратного комплекса. Однако, хотя эта модель объясняет высокую специфичность ферментов, она не объясняет явления стабилизации переходного состояния, которое наблюдается на практике.


6.1.2. Модель индуцированного соответствия

В 1958 году американский исследователь Дэниэл Кошланд предложил модификацию модели ключ-замок" [6]. Ферменты, в основном, - не жесткие, а гибкие молекулы. Активный центр фермента может изменить конформацию после связывания с ним субстата. Боковые группы аминокислот активного центра занимают такое положение, которое позволяет ферменту выполнять свою каталитическую функцию. В некоторых случаях молекула субстрата также меняет конформацию после связывания в активном центре. В отличие от модели ключ-замок", модель индуцированного соответствия объясняет не только специфичность ферментов, но и стабилизацию переходного состояния.


6.2. Модификации

Многие ферменты после синтеза белковой цепи претерпевают модификации, без которых фермент не проявляет свою активность в полной мере; такие модификации называются посттрансляционным. Один из самых распространенных типов посттрансляционным модификаций - присоединение химических групп к боковым остаткам полипептидной цепочки. Например, присоединение фосфатной группы называется фосфорилированием, оно катализируется ферментом- киназы. Многие ферменты эукариот гликозилированного, т.е. модифицировать олигомерами углеводной природы.

Еще один распространенный тип посттранляцийних модификаций - расщепление полипептидной цепочки. Например, химотрипсин ( протеаза, участвующая в пищеварении), образующийся при отщеплении полипептидную участки с химотрипсиногена. Химотрипсиногена является неактивным предшественником химотрипсина и синтезируется в поджелудочной железе. Неактивная форма транспортируется желудка, где превращается в химотрипсин. Такой механизм необходим для того, чтобы избежать повреждения поджелудочной железы и других тканей до поступления фермента в желудок. Неактивный предшественник фермента называют также "зимогена".


6.3. Кофакторы ферментов

Некоторые ферменты выполняют каталитическую функцию сами собой, без дополнительных компонентов. Однако есть ферменты, которым для осуществления катализа необходимы компоненты небелковой природы. Кофакторы могут быть как неорганическими молекулами ( ионы металлов, железо - серные кластеры и другие), так и органическими (например, флавин или гем). Органические кофакторы, постоянно (навсегда) связаны с ферментом, называют также простетическими группами. Кофакторы органической природы, которые способны отделяться от фермента, называют коферментами.

Фермент, который требует наличия кофактора для осуществления каталитической активности, но не связан с ним, называется апоферментом. Апофермент в комплексе с кофактором носит название голоферменту. Большинство кофакторов связано с ферментом нековалентными, но достаточно прочными взаимодействиями. Есть и такие простетические группы, которые связаны с ферментом ковалентно, например, тиаминпирофосфат в составе фермента пируватдегидрогеназы.


Литература

  • Волькенштейн М. В., Догонадзе Р. Р., Мадумаров А.К., Урушадзе С. Д., Харкац Ю. И. К теории ферментативного катализа. - Молекулярная биология, т. 6, вып. 3, 1972, ст. 431-439.
  • Koshland D. The Enzymes, V. I, Ch. 7. New York, Acad. Press, 1959.
  • Диксон, М. Ферменты / М. Диксон, Э.. Уэбб. - В 3-х т. - Пер. с англ. - Т.1-2. - М.: Мир, 1982. - 808 с.
  • Urushadze Z. About a Real Conceptual Framework for Enzyme Catalysis. - Bull. Georgian Natl. Acad. Sci., Vol. 173, No 2, 2006, pp. 421-424.

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам