Сайт дистанционных консультаций  для студентов заочной формы обучения товароведческого факультета ФГОУ ВПО ИВМ ОмГАУ специальностей "Товароведение и экспертиза товаров" и "Стандартизация и сертификация".

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Биохимия продуктов питания

 

Лекция №3

Тема:  Ферменты: строение и свойства

План

1.      Химическая природа ферментов.  

2.      Свойства ферментов. Специфичность действия ферментов.

3.      Строение ферментов. Понятие об активном центре фермента. Однокомпонентные и двухкомпонентные ферменты.

4.      Строение и функции коферментов

 

1. Химическая природа ферментов

То, что в основе всех жизненных процессов лежат химические реакции,  ни у кого не вызывает сомнения. Но протекание этих реакций в организме имеет свои особенности и главной из них является та, что в организме реакции протекают с высокой скоростью по сравнению с такими же реакциями в неживой природе и упорядоченно, то есть строго соблюдается их последовательность. Высокую скорость и регулируемость реакций в организме обеспечивают биологические катализаторы ферменты. Именно поэтому данные вещества играют важную роль в процессах жизнедеятельности и любое их изменение приводит к патологии органов и тканей.

В настоящее время наука о ферментах энзимология бурно развивается, основное внимание уделяется исследованию строения ферментов, изучению механизма их действия, путей регуляции их активности. Достижения энзимологии используются в практической медицине, ветеринарии, фармации, животноводстве, пищевой промышленности.

Термины энзим и фермент синонимы. В русскоязычной литературе используется термин фермент, а отрасль биохимии, изучающая ферменты называется энзимологией. Термин фермент происходит от лат fermentum - закваска, а энзим - от греч. в дрожжах. То есть происхождение названия биологических катализаторов связано с тем, что впервые ферментативные реакции были изучены в бродильном процессе (винокурение, хлебопечение, сыроделие).

Зарождение знаний о ферментах относится к первой половине 19 века, когда в 1914 году русский ученый К. Кирхгоф установил, что крахмал гидролизуется до глюкозы под действием веществ, содержащихся в проросшем ячмене. В 1898 году Дюкло предложил в названии ферментов употреблять окончание аза и составлять название фермента из названия субстрата и этого окончания.

Субстратом называется вещество, которое изменяется при участии фермента, например, гидролиз крахмала протекает при участии фермента амилазы (от лат. аmilum крахмал).

Важным шагом в развитии энзимологии было выделение ферментов в кристаллическом виде и установление их химической природы. В 1926 году Дж. Самнер выделил кристаллы уреазы (фермент, гидролизующий мочевину) из семян конваллии и показал, что фермент является белком. В 1930 году Дж. Нортроп выделил ферменты, гидролизующие белки химотрипсин, трипсин, пепсин. Они также оказались белками. Итак, белковая природа ферментов была доказано, а Дж. Нортроп и Дж. Самнер  за исследования получили Нобелевскую премию. Ферменты наиболее важная группа белков, универсальная по своим биологическим функциям. Они являются высокоэффективными и специфическими катализаторами химических реакций в живых  клетках. Наиболее точным следует считать такое определение ферментов: фермент это белок, который благодаря своей способности к специфическому активированию других веществ, обладает каталитическими свойствами.

 

2. Свойства ферментов. Специфичность действия.  

Являясь катализаторами, ферменты имеют ряд общих с неорганическими катализаторами свойств:

  1. Не входят в состав продуктов реакций

  2. Катализируют только энергетически возможные реакции

  3. Не изменяют положения равновесия химической реакции, не изменяют направления реакции, а лишь ускоряют наступление равновесия.

Однако ферменты обладают отличными от неорганических катализатовров свойствами, которые обусловлены биологической природой ферментов. Отличие свойств ферментов от неорганических катализаторов связано с тем, что ферменты являются белками.

 

Свойства ферментов: высокая эффективность действия, специфичность, регулируемость действия. Высокая эффективность действия. Скорость ферментативной реакции во много раз выше, чем скорость реакции при участии неорганического катализатора. Ферменты более значительно снижают энергию активации реакции. Например: разложение пероксида водорода (H2O2H2O2 + O2) при обычных условиях протекает очень медленно, Еакт. = 75,3 кДж/моль. Ионы железа снижают Еакт. до 54,1 кДж/моль, органической вещество гем еще боле снижает энергию активации и скорость реакции возрастает в тысячу раз, а фермент каталаза увеличивает скорость данной реакции в миллионы раз, реакция протекает практически мгновенно, с бурным выделение кислорода, Еакт. = 8,0 кДж/моль. 1 молекула фермента катализирует разложение 1 млн. молекул субстрата. Примеры высокой эффективности ферментов: 0,5 кг глюкозы суточная норма человека окисляется в ферментативных реакциях в организме за сутки, при обычных условиях окислялась бы 10 тыс. лет. 1 г пепсина (протеолитический фермент желудка) расщепляет 25 кг белка. Специфичность действия ферментов. Ферменты обладают высокой избирательностью действия на субстрат.

Если в раствор, содержащий смесь гексоз: глюкозы, фруктозы, маннозы добавить фермент глюкозооксидазу, то в расторе уменьшится только концентрация глюкозы. То есть фермент катализирует окисление только глюкозы, и не действует на сходные по строению вещества. Фермент уреаза катализирует реакцию гидролиза мочевины и не действует на тиомочевину, хотя молекулы этих веществ отличаются только одним атомом. Формула мочевины CO(NH2)2, тиомочевины   CS(NH2)2

Различают групповую и индивидуальную (абсолютную специфичность).

Фермент с абсолютной специфичностью катализирует превращение только одного субстрата и не действует на другие вещества, даже с очень похожей структурой и составом. Ферменты с абсолютной стереоспецифичностью действуют только на один стереоизомер, например, фумараза катализирует реакцию гидратации только фумаровой кислоты (цис-изомер) и не действует на малеиновую кислоту (транс-изомер).

Ферменты, обладающие групповой специфичностью катализируют превращение группы сходных по строению веществ, например, протеолитические ферменты пепсин, трипсин, химотрипсин катализируют гидролиз пептидных связей в молекулах различных белков. Они гидролизуют связи образованные определенными аминокислотами. Химотрипсин действует на связи, образованные карбоксильной группой фенилаланина или тиртирозина. Фермент алкагольдегидрогеназа окисляет одноатомные спирты.

Именно специфичность действия ферментов обеспечивает строгую последовательность химических реакций в клетке. Субстраты изменяются в одном направлении. Например, глюкоза превращается только в глюкозо-6-фосфат, так как в клетке активен фермент глюкофосфотрансфераза (глюкокиназа).

Через регуляцию активности ферментов осуществляется координация всех метаболических процессов во времени и пространстве. Молекулы ферментов могут синтезироваться в неактивном виде как проферменты и активироваться при помощи различных механизмов.

Скорость ферментативной реакции пропорциональна его концентрации. Низкая концентрация фермента приводит к снижению скорости реакции. Таким образом, регуляция процессов осуществляется путем регуляции синтеза ферментов. В ферментативных реакциях практически не образуется побочных продуктов, т.е. реакции протекают практически со 100% выходом.

 

3. Строение ферментов. Понятие об активном центре фермента. Однокомпонентные и двухкомпонентные ферменты.

 

Все ферменты являются глобулярными белками. Их белковая природа была доказана Самнером и Нортропом. Молекулярная масса ферментов от 15 тыс. Да до нескольких млн. В настоящее время расшифрована аминокислотная последовательность многих ферментов, а методом рентгеноструктурного анализа изучена их пространственная структура. Для ферментов характерна третичная природная структура, некоторые ферменты обладают четвертичной структурой (ЛДГ). Молекулы субстратов имеют небольшие размеры по сравнению с молекулами ферментов. Известно, что связывание фермента с субстратом происходит при контакте субстрата всего с несколькими аминокислотами фермента, причем эти аминокислоты в пептидной цепи фермента не соединены друг с другом и представляют собой уникальную комбинацию аминокислот для каждого фермента. При образовании третичной структуры эти аминокислоты оказываются сближенными и образуют активный центр (АЦ) фермента (на трехмерной модели фермента это выглядит как карман или щель).

АЦ фермента обычно формируют такие аминокислоты как треонин, серин, гистидин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, аргинин, лизин. Радикалы этих кислот в водном растворе ионизировнаы. Активный центр функционально неоднороден, в нем выделяют зону связывания (контактную) и каталитическую зону. Хотя деление на зоны условно, поскольку связывание субстрата в зоне связывания влияет на скорость превращения субстрата в каталитической зоне. Специфичность фермента определяется положением аминокислот в активном центре, субстрат связывается с ферментом, если его пространственная конфигурация соответствует геометрии активного центра фермента. При взаимосвязывании субстрата с ферментом в активном центре образуется фермент-субстратный комплекс.

Некоторые ферменты имеют участок, который называется аллостерическим центром (от allos- другой,  stereos- пространственный). При связывании молекулы низкомолекулярного вещества (эффектора) с ферментом в аллостерическом центре изменяется пространственная конфигурация активного центра, и образование фермент-субстратного комплекса становится невозможным. Вещества, присоединяющиеся к ферменту в аллостерическом центре, называются аллостерическими эффекторами, этот могут быть молекулы лекарственных препаратов, ксенобиотиов, низкомолекулярных регуляторов организма. Ферменты, активность которых контролируется состоянием как активного,  так и аллостерического центров, называются аллостерическими ферментами.

В 1890 году для объяснения специфичности Э.Фишер использовал сравнение фермента и субстрата с замком и ключом, то есть по Фишеру в основе специфичности лежит строгое пространственное соответствие АЦ (замочной скважины) фермента и субстрата. Исследования последних лет показали, что АЦ не является жесткой структурой, его форма модифицируется при связывании с субстратом, она становится комплементарной (соответственной) субстрату только после присоединения субстрата к ферменту. Такой процесс динамического узнавания называется индукцией соответствия. Впервые гипотезу индукции соответствия предложил Кошленд. Замочная скважина по Кошленду сделана из податливого материала и принимает окончательную форму ключа только после контакта с ним.

В состав молекулы фермента могут входить и небелковые молекулы. Такие ферменты называются сложными. Белковая часть сложного фермента называется апофермент, небелковая кофермент или коэнзим, иногда называют простетическая группа. Активен фермент только при соединении этих частей друг с другом и называется холоферментом.

Апофермент термолабильная часть холофермента, опреего деляет специфичность. Один и тот же кофермент может связыватся с различными апоферментами с образованием разных холоферментов (например, НАД входит в состав ЛДГ, АДГ, МДГ)

Кофермент термостабильная часть фермента, он выполняет следующую функции:

1. участвует в акте катализа, то есть переносит электроны или группировки

2. Осуществляет контакт фермента с субстратом

3. Стабилизирует третичную структуру фермента.

Белковую часть можно сравнить с мастером, от которого зависит эффективность работы фермента, а кофермент с инструментом, без которого мастер бессилен что-либо сделать).

 

4.  Строение и функции коферментов.

Небелковые компоненты ферментов могут иметь различную природу, чаще всего это органические молекулы или ионы металлов.

По химическому строению различают коферменты:

1.      нуклеотидного типа нуклеозидтрифосфаты АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ; они являются источником фосфатной группы, переносимой на субстрат

2.      никотинамидные коферменты: NAD - никотинамидадениндинуклеотид (рис.1) и NADF никотинамидадениндинуклеотидфосфат. Азотистое основание одного нуклеотида никотинамид (В5), а другого аденин. Эти коферменты участвуют в окислительно-восстановительных реакциях в составе дегидрогеназ: алкагольдегидрогеназы (АДГ), малатдегидрогеназы (МДГ), лактатдегидрогеназы (ЛДГ), дегидрогеназы изолимонной кислоты. Коферменты являются акцепторами атомов водорода.

 

Рис. 1. Строение кофермента NAD

3.      Флавиновые коферменты: флавинмононуклеотид (FMN) (рис.2) и флавинадениндинуклеотид (FAD) (рис.3), ферменты, содержащие эти коферменты,  называют флавопротеинами, они участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, например, окисление янтарной кислоты катализирует сукцинатдегидрогеназа (СДГ) в состав которой входит FAD. Окисление аминокислот, аминов, восстановленного NAD (NADH + Н+) происходит также при участии этого кофермента.

 

 

Рис.2. Строение кофермента FMN

 

 

 

Рис. 3. Строение кофермента FAD

4.      Кофермент ацетилирования (КоА или НS-КоА) состоит из меркаптоэтиламина, пантотеновой кислоты (В3) и АДФ.

5.      Нуклеотидная часть кофермента служит ручкой при помощи которой кофермент присоединяется к белковой части фермента. Кофермент участвует в активации жирных кислот и уксусной кислоты, входит в состав декарбоксилазных систем окисления α кетокислот (ПВК и αкетоглутаровой), участвует в синтезе и окислении жирных кислот.

6.      Глутатион. Это трипептид γ-глутамил-цистеил-глицин (рис.4). Он распространен почти во всех тканях, наибольшая активность с хрусталике глаза, в печени. Является донором атомов водорода в реакциях восстановления субстратов: 2Гл-SН 2Н→ Гл-S-S-Гл. Фермент глутатионпероксидаза катализирует восстановление пероксида водорода за счет атомов водорода глутатиона.

 

 

 

Рис. 4. Глутатион

7.      Пиридоксальфосфат (ПАЛФ) производное витамина (В6), участвует в реакциях трансаминирования - переносе аминогрупп от аминокислот на кетокислоты, аминированная форма называется пиридоксаминфосфат (ПАМФ). Также участвует в реакциях изомеризации, декрбоксилирования, дегидротации аминокислот, то есть в метаболизме белков и аминокислот.

8.      Гем кофермент каталазы, пероксидазы, цитохромов, состоит из порфириновой группировки, связанной с ионом железа. За счет изменения степени окисления железа участвует в окислительно-восстановительных реакциях

9.      Металлоферменты содержат ионы металлов: цинка (карбангидраза, АДГ, карбоксипептидаза, ДНК-полимераза), ионы магния (гексакиназа, глюкозо-:-фосфатаза), ионы марганца (пируватдекарбоксилаза, аргиназа).

10.  Тетрагидрофолиевая кислота производное фолиевой кислоты ((Вс), участвует в переносе одноуглеродных групп (метилтной, формильной, метиленовой) в синтезе нуклеотидов, гема, креатина.

11.  Тиаминдифосфат (ТДФ или ТПФ) производное витамина В1, входит в состав ферментов декарбоксилаз кетокислот, и ферментов пентозофосфатного пути окисления глюкозы трансальдолазы и транскетолазы, то есть участвует в катаболизме  глюкозы.

 

Вопросы для самопроверки

1.      Дайте определение понятий "ферменты" "проферменты", "коферменты".

2.      Охарактеризуйте химическую природу ферментов?

3.      Какие свойства характерны для ферментов как катализаторов?

4.      Приведите примеры, доказывающие высокую эффективность действия ферментов.

5.      Перечислите коферменты - производные витаминов.

7.     

 

Сайт создан в системе uCoz