Химическая природа ферментов.
По химической природе ферменты являются белками и подразделяются на простые и сложные. Простые ферменты при гидролизе расщепляются до аминокислот. Примеры простых ферментов: трипсин, уреаза, рибонуклеаза.
Большинство природных ферментов относится к сложным белкам, содержащим кроме белкового компонента, называемого апоферментом, и небелковую часть — кофактор. Апофермент и кофактор отдельно друг от друга не могут обеспечивать катализ химической реакции. Объединение их дает активную молекулу фермента — холофермент.
Кофакторы могут быть неорганической природы (представлены ионами металлов Zn 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ , Cu 2+ и др.) и органической природы (коферменты, которые в большинстве случаев в своей структуре содержат остатки водорастворимых витаминов, например тиаминпирофосфат содержит остаток витамина В1, флавинмононуклеотид и флавинадениндинуклеотид — остаток витамина В2, кофермент ацилирования — остаток витамина В3, никотинамидадениндинуклеотид и никотинамидадениндинуклеотидфосфат — остаток витамина В5, пиридоксальфосфат — остаток витамина В6).
Кофакторы в процессе катализа выполняют следующие функции:
— изменяют трехмерную структуру фермента или субстрата для улучшения взаимодействия между ними;
— многие из них служат основой для формирования активного центра фермента;
— участвуют в процессе переноса протонов, электронов, атомов и атомных групп;
— могут выступать в реакции в роли дополнительного субстрата.
В зависимости от строения ферменты делятся на мономерные и олигомерные. Мономерные ферменты (например, рибонуклеаза, трипсин) содержат одну полипептидную цепь и имеют первичную, вторичную и третичную структуры. Олигомерные ферменты содержат 2 и более полипептидных цепей (субъединиц) и имеют помимо вышеуказанных и четвертичную структуру. Чаще всего встречаются олигомерные ферменты с четным числом субъединиц (лактатдегидрогеназа — 4, уреаза — 8).
Если различные олигомерные ферменты катализируют разные, но взаимосвязанные между собой реакции, то они образуют мультиферментный комплекс (например, пируватдегидрогеназный комплекс содержит 3 фермента — пируватдегидрогеназу, дигидролипоилдегидрогеназу, дигидролипоилтрансацетилазу, катализирующие связанные между собой реакции в процессе аэробного окисления пировиноградной кислоты).
Изоферменты, их строение и биологическая роль.
Изоферменты — это разновидности одного и того же олигомерного фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но различающиеся между собой физическими и химическими свойствами.
Одним из наиболее изученных олигомерных ферментов является лактатдегидрогеназа (ЛДГ), представляющий собой тетрамер (т.е. состоящий из 4-х субъединиц). ЛДГ катализирует обратимое превращение пировиноградной кислоты в молочную.
ЛДГ существует в виде 5 изоферментов, которые образуются в результате различного сочетания субъединиц 2-х типов: H (сердечного) и М (мышечного):
Рис 5.1. Изоферментный спектр лактатдегидрогеназы в различных органах.
Для каждого органа, ткани, биологической жидкости характерен свой изоферментный спектр (рис 5.1), т.е. определенное содержание и соотношение изоферментов, что связано с направленностью обмена веществ в этих органах и тканях.
Например, ЛДГ1 преобладает в сердечной мышце, а ЛДГ5 — в печени. Изучение картины изоферментного спектра широко используется в клинической диагностике, что позволяет определить характер патологического процесса, а также контролировать ход лечения. Так, при инфаркте миокарда в плазме крови будут преобладать изоферменты ЛДГ с Н-типом субъединиц, а при воспалительных процессах печени — М-типа.
Активный и аллостерический центры, их роль в процессе ферментативного катализа.
Активный центр фермента — это участок фермента, который специфически взаимодействует с субстратом и в котором осуществляется процесс катализа химической реакции.
На активный центр приходится относительно малая доля общего объема фермента, большая часть аминокислотных остатков в молекуле фермента не контактирует с субстратом. Активный центр представляет собой трехмерное образование, пространственная структура его стереохимически комплементарна субстрату (рис. 5.2), предопределяя природу химических превращений. Активный центр фермента специфически связывается с субстратом, что обусловлено строго определенным расположением аминокислотных остатков и их функциональных групп, называемых каталитическими.
Рис. 5.2. Взаимодействие субстрата с ферментом согласно модели «ключ-замок» (активный центр фермента комплементарен субстрату)
Активные центры некоторых ферментов представляет собой нежесткую структуру, а форма его становится комплементарной форме субстрата только после связывания этого субстрата (рис. 5.3). Этот процесс называется «индукцией соответствия».
Помимо активного центра в молекуле многих ферментов присутствует также аллостерический центр. Это пространственно удаленный от активного центра участок молекулы, с которым связываются определенные химические вещества, называемые аллостерическими эффекторами. Они могут быть положительными или отрицательными. Присоединение эффектора к аллостерическому центру приводит к изменению пространственной структуры фермента, в том числе и активного центра, что отражается на каталитической активности фермента.
Рис.5.3. Взаимодействие субстрата с ферментом согласно модели «индуцированного соответствия».
Положительные эффекторы переводят фермент в активное состояние и называются активаторами, отрицательные — в неактивное и называются ингибиторами. Чаще всего в роли эффекторов выступают гормоны.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Источник
2. Ферменты
Ферменты, или энзимы — вещества белковой природы, обладающие каталитической активностью. Термин «энзим» — от греч. en zyme- в дрожжах, «фермент» — от лат. fermentatio — брожение.
Учение о ферментах выделено в самостоятельную науку энзимологию.
Хотя уже осуществлен лабораторный синтез ряда ферментов — рибонуклеазы, лизоцима, единственный способ получения ферментов — это выделение их из биологических объектов.
2.1. Химическая природа ферментов
Доказательства белковой природы ферментов:
1. Ферменты при гидролизе распадаются на аминокислоты.
2. Под действием кипячения и др. факторов ферменты подвергаются денатурации и теряют каталитическую активность.
3. Осуществлено выделение ферментов в форме кристаллов белка.
4. Ферменты оказывают высокоспецифическое действие.
Прямым доказательством белковой природы ферментов является лабораторный синтез первого фермента – рибонуклеазы.
Выделяют простые ферменты, состоящие только из полипептидной цепи: пепсин, трипсин, уреаза, рибонуклеаза, фосфатаза и др.
Большинство природных ферментов — сложные белки. Их небелковые компоненты называются кофакторами и необходимы для выполнения ферментом его каталитической роли. Кофакторами ферментов являются витамины или соединения, построенные с их участием (коэнзим А, НАД + , ФАД); фосфорные эфиры некоторых моносахаридов, ионы металов.
Кофермент — небелковый фактор, который легко отделяется от белковой части — апофермента при диссоциации.
Простетическая группа – ковалентно связанный с белковой цепью небелковый компонент, который не отделяется при выделении и очистке фермента.
Весь фермент вместе с простетической группой назыывают холоферментом. Только объединение апофермента и кофермента обеспечивает активность холофермента.
Субстрат – вещество, подвергающееся превращениям под действием фермента.
Активный центр — специфический участок на поверхности фермента, связывающийся с молекулой субстрата и непосредственно участвующий в катализе. Активные центры ферментов образуются на уровне третичной структуры. У сложных ферментов в состав активного центра входят также простетические группы. Кофакторы ферментов выполняют роль промежуточных переносчиков атомов или групп.
В активном центре различают два участка. Субстратный (связывающий) центр — участок, отвечающий за присоединение субстрата. Его называют контактной, или «якорной» площадкой фермента. Каталитический центр отвечает за химическое превращение субстрата. В состав каталитического центра большинства ферментов входят такие аминокислоты, как серин, цистеин, гистидин, тирозин, лизин. Субстратный центр может совпадать (или перекрываться) с каталитическим центром.
Аллостерический центр — участок молекулы фермента вне его активного центра, который способен связываться с тем или иным веществом (лигандом). В результате изменяется третичная, а часто и четвертичная структура белковой молекулы. Как следствие изменяется конфигурация активного центра и каталитическая активность фермента. Это т. н. аллостерическая регуляция активности ферментов. Ферменты, активность каталитического центра которых подвергается изменению под влиянием аллостерических эффекторов, называют аллостерическими.
Некоторые из ферментов являются полифункциональными, т. е. обладают несколькими энзиматическими активностями, но всего лишь одной полипептидной цепью. Их белковая цепь образует несколько доменов, каждый из которых характеризуется своей каталитической активностью. Например, алкогольдегидрогеназа не только катализирует реакцию окисления спиртов, но также реакции обезвреживания ряда ксенобиотиков.
Изоферменты — это множественные формы фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся друг от друга по физическим и химическим свойствам — сродству к субстрату, активности, электрофоретической подвижности.
Например, фермент лактатдегидрогеназа катализирует обратимое превращение пировиноградной кислоты в молочную. Она состоит из 4 субъединиц и содержит два типа полипептидных цепей: Н- сердечный тип (от англ. heart- сердце) и М — мышечный тип (от англ. muscle- мышца). Этот фермент благодаря различным сочетаниям субъединиц может существовать в 5 формах:
Для каждой ткани в норме характерно свое соотношение форм (изоферментный спектр) ЛДГ. Например, в сердечной мышце преобладает Н4, т.е. ЛДГ1, а в скелетных мышцах и печени – М4 (ЛДГ5). Изучение появления изоферментов ЛДГ в сыворотке крови позволяет судить о месте патологического процесса и о степени поражения органа или ткани.
Особую группу ферментов составляют мультимолекулярные ферментные комплексы. Существование таких комплексов ускоряет химические превращения. Если мультиэнзимный комплекс обслуживает единый, многоступенчатый процесс биохимических превращений, его называют метаболоном. Таковы метаболоны гликолиза, цикла Кребса, дыхательная цепь митохондрий и др.
Источник