Kaip fermentai veikia biochemines reakcijas? Paskaita apie biochemiją_4

Fermentai

Fermentai, arba fermentai, yra gamtos baltymai, kurie susidaro ir veikia visuose gyvuose organizmuose. Žodis fermentas kilęs iš lotynų kalbos. fermentum – raugas, kitas fermentų pavadinimas – fermentai iš graikų kalbos. en zyme – mielėse.

Pirmą kartą fermentacijos pramonėje buvo atrasti fermentiniai procesai. Šiuolaikinė fermentologija arba enzimologija – tai mokslas apie fermentus ir jų struktūrinę organizaciją. Jame sprendžiamos fermentų veikimo mechanizmų, fermentų veiklos reguliavimo būdų tyrimo problemos. Toks susidomėjimas biokatalizatoriais nėra atsitiktinis. Fermentai yra svarbiausi ląstelės komponentai, be jų gyvuose organizmuose neįmanoma sintezė, irimas bei tarpusavio virsmai. Per fermentinį aparatą ir jo veiklos reguliavimą reguliuojamas ir medžiagų apykaitos reakcijų greitis. Tyrimas svarbus biologijai, medicinai, farmacijai ir daugeliui šalies ekonomikos sričių. Nustatyta, kad daugelis žmonių ligų yra susijusios su fermentų veiklos pažeidimu, nemažai fermentų yra vaistai.

Bendrosios ir specifinės fermentų savybės.
Būdami katalizatoriai, tai yra, reakcijas greitinančios medžiagos, fermentai turi daug savybių, panašių į cheminius nebiologinius katalizatorius.
1. Fermentai ir yra galutinio P dalis ir išeina iš reakcijos nepakitę, jie nėra sunaudojami katalizės procese.
2. Fermentai negali inicijuoti termodinamikos dėsniams prieštaraujančių reakcijų, jie pagreitina tik tas reakcijas, kurios gali vykti be jų.
3. Fermentai, kaip taisyklė, nekeičia reakcijos pusiausvyros padėties, o tik pagreitina jos pasiekimą.
Tačiau fermentai taip pat turi specifinių savybių:
1. Pagal cheminę sandarą fermentai yra baltymai (99,9).
2. Fermentų efektyvumas yra keliomis eilėmis didesnis nei nebiologinių katalizatorių.
Pavyzdžiui: H2O2  H2O + ½ O2
a) jei reakcija vyksta be katalizatoriaus, tai Ea = 75,7 kJ/mol, O2 burbuliukai beveik nematomi;
b) jei dedamas nebiologinis katalizatorius, tai Ea = 54,1 kJ/mol, burbuliukai aiškiai matomi;
c) jei pridedame biologinio katalizatoriaus katalazę, tai Ea = 18 kJ/mol, tirpalas tiesiog „užverda“.
3. Didelis specifiškumas – kiekvienas fermentas katalizuoja vieną atskirą reakciją arba vieną reakcijų grupę, o neorganiniai katalizatoriai veikia įvairių tipų reakcijose.
4. Fermentai katalizuoja reakcijas „švelniomis“ sąlygomis: esant normaliam P, pH = 7,0. Neorganiniams katalizatoriams būdingas ekstremalių pH verčių poreikis, kaitinimas iki labai aukštos temperatūros.

Cheminė fermentų prigimtis ir struktūra.
Svarbus fermentų baltymingumo įrodymas buvo Pastero (fermentinių fermentų inaktyvavimas verdant), Pavlovo (jis įrodė pepsino – skrandžio sulčių fermento – baltymingumą) ir kt.
1) svarbi fermentų baltyminės prigimties ypatybė yra jų didelis p. Pavyzdžiui, DW Mr = 4 106; 4,8 105 ir kt.
2) fermentų tirpalai yra koloidinio pobūdžio – jie nepraeina pro pusiau pralaidžią membraną, iš tirpalų nusodinami tais pačiais reagentais kaip ir baltymai;
3) fermentai denatūruojasi ir praranda savo aktyvumą veikiami aukštos temperatūros, ultragarso, stiprių šarmų ir kitų veiksnių;
4) fermentai, kaip ir baltymai, turi amfoterines savybes, elektroforezinį mobilumą ir pI.
5) kaip ir baltymai, fermentai pasižymi dideliu specifiškumu;
6) galiausiai, tiesioginis fermentų baltymingumo įrodymas buvo dirbtinė fermentų (ribonukleazės, lizocimo), kurie savo savybėmis ir biologiniu aktyvumu nesiskiria nuo natūralių analogų, sintezė.
Fermentai

paprasti baltymai kompleksiniai baltymai
susideda tik iš PPC, susideda tik iš PPC + nebaltyminio komponento
(hidroliziniai fermentai – pepsinas, tripsinas, ureazė ir kt.)
arba baltymų fermentai (acetil-CoA, DG laktatas ir kt.)
arba baltymų fermentai
Baltyminiuose fermentuose baltyminė dalis vadinama apofermentu, o nebaltyminė – protezų grupe. Bendras sudėtingų fermentų pavadinimas yra holofermentas.
Jei protezų grupė silpnai prisijungusi prie baltyminės dalies ir lengvai disocijuoja, tai vadinama kofermentu. Kofermentas gali jungtis su skirtingais baltymais, o būtent baltyminė dalis lemia sudėtingų fermentų veikimo specifiškumą. Tačiau be kofermento sudėtingas fermentas negali funkcionuoti, nes kofermentas, kaip taisyklė, tiesiogiai liečiasi su substratu (S) ir tarnauja kaip ē, atomų ar atomų grupės nešiklis.
Kofaktoriai arba kofermentai yra:
1) Me jonai – Mg2+, Ca2+, Cu2+, Mn2+ b lh/$
2) vitaminai ir jų fosforo esteriai - vitaminas H (biotinas) (kaip karboksilinimo kofermentų dalis), lipoinė, folio rūgštys, B1 ir kt.;
3) mononukleotidai FMN, ATP, GTP ir kt.;
4) dauguma kofermentų yra dinukleotidai NAD, NADP, HS-KoA ir kt.
Sergant hipovitaminoze ir avitaminoze, vitaminų trūkumas susilpnina daugelio fermentų biosintezę ir sukelia hipokofermentozę. Kofermentai taip pat atlieka svarbų vaidmenį stabilizuojant ir apsaugant apofermentus. Pastaruosius be kofermentų greičiausiai sunaikins proteolitiniai fermentai.
Taigi nei kofermentai, nei patys apofermentai neturi katalizinio aktyvumo, o tik derinami vienas su kitu.
S-c molekulės dažniausiai yra mažo dydžio, palyginti su fermentų molekulėmis, todėl, susidarius E-S-ajam kompleksui, ribota dalis PPC aminorūgščių, vadinamų aktyviuoju centru (ACP), kontaktuoja su S. E-baltymuose AKR taip pat apima protezų grupes.
Taigi, aktyvi fermento vieta yra unikalus aminorūgščių liekanų derinys, užtikrinantis tiesioginę E ir S sąveiką ir tiesioginį dalyvavimą katalizės veiksme.
ACF

surišimo vietos katalizinė vieta
vieta, kurioje įvyksta S ir E surišimas, yra kontaktinė arba „inkaro“ vieta, kurioje S transformacija įvyksta po jo surišimo
Suartėjus E ir S ir susidarius ES kompleksui, AKR nukleofilinės ir elektrofilinės grupės, dovanojančios arba priimdamos ē-ns, taip „atlaisvina“ elektroninę S struktūrą, aktyvuodamos ją ir pagreitindamos cheminę reakciją. Yra fermentų, kurie turi keletą ACF – ureazė-3; alkoholis DG-4; acetilcholingeterazės - 25-30 AKR skirtingų gyvūnų.

alosterinės fermentų vietos.
Be AKR, fermentai turi ir alosterinius (gr. allos – kita) arba ekstradimensinius centrus. Tai vieta, kurioje veikia įvairių reguliavimo veiksnių fermentai. Ryšys tarp AKR ir ALCP vadinamas allosterinėmis sąveikomis. Svarbus ALCP bruožas yra didesnis jų jautrumas įvairiems poveikiams, palyginti su ACP.
Pavyzdžiui, padidėjus temperatūrai ir naudojant pH, ALCP funkcija slopinama anksčiau. Visų pirma, kylant temperatūrai, heksokinazės allosterinis centras praranda jautrumą reguliuojančiam insulino ir gliukokortikoidų poveikiui, o fermentų funkcinis aktyvumas išlieka ir toliau fosforilina gliukozę ATP sąskaita.

Reguliacinį poveikį allosteriniam centrui daro: įvairūs fermentinių reakcijų metabolitai, hormonai ir jų medžiagų apykaitos produktai, NS mediatoriai ir kt. Jie vadinami efektoriais arba modifikatoriais. Jų molekulės nėra panašios į S-v molekules.
Prisijungdami prie alosterinio centro, efektoriai pakeičia fermentų TS ir SN, taip pakeisdami ACP konfigūraciją, o tai padidina (aktyvuoja) arba sumažina (slopina) fermentinį aktyvumą.
Izofermentai yra molekulinės fermentų formos, atsirandančios dėl fermento baltymo PS genetinių skirtumų. Tai grupė fermentų, kurie yra toje pačioje rūšyje (LDH) arba toje pačioje ląstelėje (aminotransferazė), turi tą patį veikimo mechanizmą, tačiau skiriasi kai kuriomis fizikinėmis ir cheminėmis savybėmis: elektroforeziniu mobilumu, imunobiologinėmis reakcijomis. Pavyzdžiui, jis egzistuoja penkių izofermentų pavidalu. Nors jie katalizuoja tą pačią reakciją, skiriasi jų KT. Jie turi tą patį poną (134 000) ir po 4 kompiuterius su 33 500. Penki izofermentai atitinka penkis skirtingus dviejų skirtingų tipų PPC derinius, vadinamus M- (raumenų) ir H- (širdies) grandinėmis. M4 izofermentas - esantis raumenų audinyje, turi identiškas 4M grandines; H4 - yra širdyje, turi identiškas 4H grandines. Likę trys izofermentai yra įvairūs M3H deriniai; M2H2; MH3. Dviejų tipų grandines, M ir H, koduoja du skirtingi genai; PPC derinys yra genetiškai kontroliuojamas. Izofermentų buvimas ir jų santykio pasikeitimas organizme yra vienas iš fermentų reguliavimo būdų.

Šiuolaikinė fermentų klasifikacija ir jų nomenklatūra
Pagal Tarptautinės fermentų komisijos (1961) sukurtą klasifikaciją visi fermentai skirstomi į šešias klases. Klasės skirstomos į poklasius, o pastarieji – į poklasius, kuriuose fermentui priskiriamas savas serijos numeris. Pavyzdžiui, LDH turi kodą. 1.1.1.27. 1- klasės pavadinimas - oksidoreduktazė - nurodo fermentinės reakcijos tipą; 2-as skaitmuo nurodo poklasio numerį; poklasis nurodo fermento veikimą, nes bendrais bruožais nurodo cheminės grupės S pobūdį. Poklasis nurodo pažeistos cheminės jungties S pobūdį arba akceptoriaus pobūdį. Nr. 27 yra poklasio LDH serijos numeris.
1) Oksidoreduktazės – katalizuoja redokso reakcijas – turi 17 poklasių ir ~ 480 E. Pavyzdžiui: LDH.
2) Transferazės – katalizuoja įvairių grupių perkėlimą iš vieno S (donoro) į kitą (akceptorių). 8 poklasiai priklausomai nuo perkeliamų grupių tipo ir ~ 500 U. Pvz.: fermentas cholino acetiltransferazė - katalizuoja acto rūgšties liekanos perkėlimą į choliną  acetilcholiną.
3) Hidrolazės – katalizuoja ryšių nutraukimą S, pridedant vandens. Juose yra 11 poklasių ir ~ 460 E. Hidrolazės apima virškinimo fermentus, taip pat fermentus, kurie yra lizosomų ir kitų ląstelių organelių dalis, kur jie prisideda prie didelių molekulių skaidymo į mažesnes.
4) Liazės – katalizuoja jungčių nutraukimo S reakcijas nepridedant vandens ar oksidacijos. Turi 4 poklasius ir ~ 230 E – dalyvauja tarpinėse sintezės (sintazė) arba skilimo (dehidratazė) reakcijose.
5) Izomerazės – katalizuoja izomerų virsmą vienas kitu. Mutazės (racemazės) skiriasi nuo izomerizacijos reakcijos tipo. Turi 5 poklasius ir ~ 80 E.
6) Ligazės (sintetazės) – katalizuoja dviejų S molekulių jungimosi reakcijas naudojant E fosfato ryšius. Fermentų šaltinis yra ATP ir kt. Turi 5 poklasius, ~ 80 E (pavyzdžiui, heksokinazė, fosfofruktokinazė).

Fermentų nomenklatūra.
Yra dviejų tipų fermentų pavadinimai:
1) darbinis arba trivialus;
2) sistemingas.
Darbinis pavadinimas yra pavadinimas S + reakcijos tipas + pabaiga aza. Laktatas + dehidrinimo reakcija + aza LDH.
Kai kuriems fermentams paliekami jų darbiniai pavadinimai: pepsinas, tripsinas ir kt.
Sisteminis pavadinimas yra abiejų S + reakcijos tipo + aza pavadinimas.
-laktatas (S1): NAD+ (S2) – oksidoreduktazė.
Sisteminis pavadinimas suteikiamas tik tiems fermentams, kurių struktūra yra visiškai suprantama. Vienoje ląstelėje yra ~ 104 fermentų molekulės, katalizuojama ~ 2000 skirtingų reakcijų. Šiuo metu žinoma apie 1800 fermentų ir apie 150 kristalinių fermentų.
Bendros idėjos apie katalizę
Tikimybę, kad įvyks cheminė reakcija, lemia skirtumas tarp pradinių medžiagų laisvojo E ir reakcijos produktų laisvojo E. Fermentai pagreitina chemines reakcijas dėl aktyvacijos energijos – Ea.
Ea yra papildoma energija, reikalinga tam tikroje temperatūroje perkelti visas vienos medžiagos molekules į aktyvią būseną. (Arrhenius yra Ea sąvoka).
Taigi Vfr priklauso nuo energetinio barjero, kurį turi įveikti reaguojančios medžiagos, o šio barjero aukštis skirtingoms reakcijoms yra nevienodas.
Kuo didesnė aktyvacijos energija, tuo lėčiau vyksta reakcija. Ea neturi įtakos pradinių medžiagų ir reakcijos produktų laisvųjų fermentų pokyčiui, tai yra ∆G, tai yra, reakcijos energetinė galimybė nepriklauso nuo fermento.
Fermentas sumažina Ea (2 smailė), ty sumažina barjero aukštį, todėl padidėja reaktyviųjų molekulių dalis ir atitinkamai padidėja Vfr. Kuo daugiau Ea sumažinama, tuo efektyvesnis katalizatorius ir tuo labiau pagreitėja reakcija.
S – originalus substratas

P – galutinis produktas

ΔG yra standartinis laisvosios energijos pokytis

Еаnfr – nefermentinės reakcijos aktyvavimo energija

Еаfr yra fermentinės reakcijos aktyvinimo energija

Fermentų veikimo mechanizmas
Svarbų vaidmenį kuriant idėjas apie fermentų veikimo mechanizmą suvaidino klasikiniai Michaelio ir Menteno darbai, sukūrę nuostatas dėl E-S-x kompleksų. Pagal jų idėjas (1915) fermentai grįžtamai susijungia su savo S, sudarydami nestabilų tarpinį produktą – E-S kompleksą, kuris reakcijos pabaigoje suyra į fermentus ir reakcijos produktus (P). Tiesą sakant, gamtoje vyksta laipsniškas S transformavimas per daugybę tarpinių reakcijų: ES1 → ES2 → ES3 ... → E + P. Schematiškai S transformaciją į P galima pavaizduoti taip:

ACP paprastai yra giliai E molekulėje.
Matematinis reakcijos apdorojimas, ES komplekso susidarymas leido išvesti lygtį, vadinamą Michaelis-Menten lygtimi:

čia Vfr yra stebimas greitis fr;
Vmax yra didžiausias greitis fr esant nepilnam fermento prisotinimui S tūriu;
[S] yra S koncentracija;
Km yra Michaelis-Menten konstanta.
Grafiškai Michaelis-Menten lygtis turi tokią formą:

Esant žemam [S], Vfr yra tiesiogiai proporcingas [S] bet kuriuo metu (1-osios eilės reakcija).
Iš Michaelis-Menten lygties taip pat išplaukia, kad esant žemai Km reikšmei ir didelei [S] reikšmei, Vfr yra didžiausias (c) ir nepriklauso nuo [S] – tai nulinės eilės reakcija. Nulinės eilės reakcija atitinka reiškinį, vadinamą visišku fermento prisotinimu substratu.
Hiperbolė, išreiškianti Vfr priklausomybę nuo [S], vadinama Michaelio kreive. Norint teisingai nustatyti fermentų aktyvumą, būtina pasiekti nulinės eilės reakciją, tai yra, nustatyti Vfr esant sočiosioms S koncentracijoms.
Km skaitine prasme yra lygus [S] (mol (l)), kai reakcijos V yra lygi pusei maksimumo.
Norint nustatyti skaitinę Km reikšmę, randamas vienas [S], kuriame Vfr yra nuo ½ Vmax.
Taigi, Km nustatymas vaidina svarbų vaidmenį išaiškinant fermentų aktyvumo modifikatorių MD.

Kartais grafikas sudaromas naudojant dvigubą abipusį metodą - Lineweaver-Burk metodą:
Tiek Vmax, tiek Km reikšmė tiksliau nustatoma dvigubo abipusio skaičiavimo metodu.

Fermentai (fermentai) yra labai specifiniai baltymai, veikiantys kaip biologiniai katalizatoriai. Katalizatorius yra medžiaga, kuri pagreitina cheminę reakciją, bet pati nesunaudojama reakcijos metu.

Sąlygos, būtinos molekulių cheminei sąveikai, kad įvyktų cheminė reakcija:

1. molekulės turi susijungti (susidurti). Tačiau ne kiekvienas susidūrimas veda į sąveiką;
2. būtina, kad šis susidūrimas taptų efektyvus – baigtųsi chemine transformacija. Susidūrimo efektyvumo sąlyga yra ta, kad molekulių energija susidūrimo metu būtų ne mažesnė už reakcijos energijos lygį.

Reakcijos energijos lygis yra energijos kiekis, kurį turi turėti molekulės, kad jų susidūrimas būtų efektyvus (kad įvyktų cheminė reakcija). Šis energijos rezervas yra pastovi kiekvienos duotosios reakcijos charakteristika (konstanta).

Vidutinis molekulių energijos lygis yra energija, kurią tam tikru metu turi dauguma sistemos molekulių. Tai vidutinė energijos rezervo vertė, kuri apibūdina šių molekulių visumą šiomis specifinėmis sąlygomis (temperatūra, slėgis ir kt.). Molekulių energijos rezervas yra statistinė (tikimybinė) sąvoka. Molekulės nuolat juda šilumoje. Todėl kiekvieno iš jų energijos rezervas kinta visą laiką, svyruoja apie vertę, kuri atspindi vidutinį molekulių energijos lygį.

Kiekvienu laiko momentu didžiausia tam tikro rinkinio molekulių dalis turi būtent tokį vidutinį energijos rezervą. Ir kuo labiau tam tikros molekulių grupės energija skiriasi nuo vidutinio energijos lygio (bet kuria kryptimi), tuo ši grupė yra mažesnė. Bet kuriame molekulių rinkinyje tam tikra jos dalis turi energijos, kuri yra didesnė už vidutinį energijos lygį ir yra pakankama cheminei reakcijai įvykti.

Skirtumas tarp vidutinio molekulių energijos lygio ir reakcijos energijos lygio vadinamas energijos barjeru arba aktyvacijos energija. Kuo didesnė ši aktyvinimo energija, tuo lėtesnė cheminė reakcija.

Kaip pagreitinti cheminę reakciją? Vidutinio molekulių energijos lygio padidėjimas (temperatūrų, slėgio ir kitų aplinkos parametrų padidėjimas, kuris naudojamas chemijos gamyklose ir gamyklose) neįmanomas gyviems organizmams, kurie normaliai funkcionuoja tik esant pastovioms temperatūros, slėgio ir kt. parametrus. Kitas būdas taip pat neįmanomas - aktyvacijos energijos sumažėjimas sumažinus reakcijos energijos lygį, nes ši vertė yra pastovi šios reakcijos charakteristika.

Todėl tik katalizės reiškinys (katalizatorių panaudojimas) gali užtikrinti gyvų organizmų cheminių reakcijų pagreitį. Panagrinėkime dvi reakcijas.

Bendru atveju 1, 2a ir 2b reakcijų aktyvavimo energijos nesutampa, o visą galimų variantų įvairovę galima suskirstyti į dvi grupes:

1. Eact2a ir (arba) Eact2b yra didesnis nei Eact1.
2. Visais tokiais atvejais medžiagos „AB“ susidarymo reakcija, dalyvaujant medžiagai „K“, vyks lėčiau. Tai reiškia, kad medžiaga "K" yra šios reakcijos inhibitorius (lėtiklis);
3. Eact2a ir (arba) Eact2b yra mažesnis nei Eact1.

Tokiais atvejais reakcija su medžiaga "K" vyks greičiau nei be jos. Vadinasi, medžiaga „K“ yra šios cheminės reakcijos katalizatorius (greitintuvas).

Katalizatorius yra medžiaga, kuri nukreipia reakciją tokiu aplinkkeliu, kuriame energetiniai barjerai yra mažesni.

Energija, kurią reikia sunaudoti molekulei „pakelti“ nuo vidutinio reakcijos energijos lygio, visiškai kompensuojama nepriklausomu molekulės „riedėjimu“ palei „ugnikalnio“ šlaitą. Toliau spontaniškai „riedant“ į „ugnikalnio“ dugną (ty iki molekulių, kurios yra šios reakcijos produktai, vidutinio energijos lygio). Energija, kuri šiuo atveju išsiskiria, vadinama „reakcijos energijos rezultatu“.

Energetinis reakcijos rezultatas yra skirtumas tarp pradinių medžiagų (substratų) energijos lygio ir reakcijos produktų energijos lygio.

Reakcijos energetinis rezultatas nepriklauso nuo kelio, kuriuo vyksta reakcija (tai yra reakcijai su katalizatoriumi ir reakcijai be jo). Tai nepriklauso nuo aktyvacijos energijos dydžio – nuo ​​jos priklauso tik kiekvieno iš šios reakcijos takų greitis.

Išvedimas iš Arrhenius lygties: kadangi aktyvacijos energija šioje lygtyje yra įtraukta į eksponentą, net nedidelis aktyvacijos energijos pokytis lemia didelius reakcijos greičio pokyčius.

Bendrosios katalizatorių savybės

1. Patys katalizatoriai nesukelia cheminės reakcijos, o tik pagreitina reakciją, kuri vyksta be jų.
2. Jie neturi įtakos reakcijos energetiniam rezultatui.
3. Grįžtamųjų reakcijų metu katalizatoriai vienodai pagreitina ir pirmyn, ir atvirkštines reakcijas, o tai reiškia, kad katalizatoriai:
1. neturi įtakos grįžtamosios reakcijos krypčiai, kurią lemia tik pradinių medžiagų (substratų) ir galutinių produktų koncentracijų santykis;
2. nedaro įtakos grįžtamosios reakcijos pusiausvyros padėčiai, o tik pagreitina jos pasiekimą.

Fermentų, kaip biologinių katalizatorių, savybės

Fermentai turi visas įprastas įprastų katalizatorių savybes. Tačiau, palyginti su įprastais katalizatoriais, visi fermentai yra baltymai. Todėl jie turi savybių, išskiriančių juos nuo įprastų katalizatorių.

Šios fermentų, kaip biologinių katalizatorių, savybės kartais vadinamos bendrosiomis fermentų savybėmis. Tai apima toliau nurodytus dalykus.

1. Didelis veiksmų efektyvumas. Fermentai gali pagreitinti reakciją 10 8 -10 12 kartų.
2. Didelis fermentų selektyvumas substratams (substrato specifiškumas) ir katalizuojamos reakcijos tipui (veiksmo specifiškumas).
3. Didelis fermentų jautrumas nespecifiniams fiziniams ir cheminiams aplinkos veiksniams – temperatūrai, pH, tirpalo joninei stiprumui ir kt.
4. Didelis jautrumas cheminėms medžiagoms.
5. Didelis ir selektyvus jautrumas tam tikrų cheminių medžiagų fizikiniam ir cheminiam poveikiui, kuris dėl to gali sąveikauti su fermentu, pagerindamas arba trukdydamas jo darbui.

Fermentų struktūra

Substratas (S) – tai medžiaga, kurios cheminius virsmus produktu (P) katalizuoja fermentas (E). Fermento molekulės paviršiaus dalis, kuri tiesiogiai sąveikauja su substrato molekule, vadinama aktyvia fermento vieta.

Aktyvus fermento centras susidaro iš aminorūgščių liekanų, kurios yra skirtingų polipeptidinės grandinės dalių arba skirtingų polipeptidinių grandinių, kurios yra erdviškai arti, dalis. Jis susidaro baltymo-fermento tretinės struktūros lygyje.

Jo ribose išskiriama adsorbcijos vieta (centras) ir katalizinė vieta (centras). Be to, už aktyviosios fermento vietos ribų randamos specialios funkcinės vietos; kiekvienas iš jų žymimas alosterinio centro terminu.

katalizinis centras- tai aktyvaus fermento centro sritis (zona), kuri tiesiogiai dalyvauja cheminėse substrato transformacijose. Jis susidaro dėl dviejų, kartais trijų aminorūgščių radikalų, esančių skirtingose ​​fermento polipeptidinės grandinės vietose, tačiau dėl šios grandinės vingių erdviškai arti vienas kito. Pavyzdžiui, „serino-histidino“ fermentų katalizinį centrą sudaro serino ir histidino aminorūgščių radikalai. Jei fermentas yra sudėtingas baltymas, tai fermento molekulės protezinė grupė (kofermentas) dažnai dalyvauja formuojant katalizinį centrą. Visi vandenyje tirpūs vitaminai ir riebaluose tirpus vitaminas K atlieka kofermento funkciją.

adsorbcijos centras- tai yra fermento molekulės aktyvaus centro vieta, kurioje vyksta substrato molekulės sorbcija (susirišimas). Jį sudaro vienas, du, dažnai trys aminorūgščių radikalai, kurie dažniausiai yra šalia katalizinio centro. Pagrindinė jo funkcija – surišti substrato molekulę ir perkelti šią molekulę į katalizinį centrą patogiausioje padėtyje (kataliziniam centrui). Ši sorbcija vyksta tik dėl silpnų jungčių tipų, todėl yra grįžtama. Kai susidaro šie ryšiai, įvyksta adsorbcijos centro konformacinis persitvarkymas, dėl kurio substratas ir aktyvioji fermento vieta priartėja, tiksliau atitinka jų erdvines konfigūracijas. Tokią korespondenciją – ne iš anksto „paruoštą“, o susiformavusią sąveikos metu – amerikiečių mokslininkas Koshlandas sukūrė indukuotos korespondencijos (arba indukuotos korespondencijos) teorijos pagrindą, įveikusią ankstesnių apribojimų. esama rakto ir spynos teorija (griežtas substrato struktūros atitikimas adsorbcijos centro struktūrai).

Akivaizdu, kad būtent adsorbcijos centro struktūra lemia fermento substrato specifiškumą, t.y., fermento poreikius cheminei molekulei, kad ji galėtų tapti jai tinkamu substratu.

Kai kurios medžiagos, turinčios tinkamas savybes (t. y. panašios į substratą), taip pat gali prisijungti prie fermento adsorbcijos vietos. Bet jei jų molekulėje nėra tokio cheminio ryšio, kurį galėtų paveikti šio fermento katalizinis centras, tai cheminės šios medžiagos transformacijos neįvyks. Užimdamos aktyvųjį fermento centrą, tokios molekulės blokuoja jo darbą, t.y. yra grįžtamieji šio fermento inhibitoriai (grįžtamieji, nes su fermentu yra susieti silpnais ryšiais). Padidinus substrato koncentraciją, jie gali būti išstumti iš adsorbcijos centro. Todėl tokie inhibitoriai vadinami konkurenciniais. Jie konkuruoja su tikruoju tam tikro fermento substratu dėl jo adsorbcijos vietos.

Allosteriniai centrai – tai tokios fermento molekulės sritys, esančios už aktyvaus centro ribų, kurios silpnų tipų ryšiais gali susijungti (tai reiškia grįžtamai) su viena ar kita medžiaga (ligandu). Be to, toks surišimas sukelia tokį konformacinį fermento molekulės persitvarkymą, kuris taip pat tęsiasi iki aktyvaus centro, palengvindamas arba trukdydamas (sulėtindamas) jo darbą. Atitinkamai tokios medžiagos vadinamos šio fermento alosteriniais aktyvatoriais arba alosteriniais inhibitoriais.

Terminas "allosterinis" (t. y. "turintis skirtingą erdvinę struktūrą") atsirado dėl to, kad šie efektoriai savo erdvine konfigūracija visiškai nepanašūs į šio fermento substrato molekulę (todėl negali prisijungti prie aktyviosios fermento vietos). fermentas). Padaryta išvada, kad alosterinis centras savo struktūra nepanašus į aktyvųjį fermento centrą.

Allosteriniai centrai randami ne visuose fermentuose. Jų yra tuose fermentuose, kurių darbą gali keisti hormonai, mediatoriai ir kitos biologiškai aktyvios medžiagos. Kai kurie dirbtinai susintetinti vaistai yra biologiškai aktyvūs, nes jų molekulės papildo tam tikrų organizmo fermentų allosterinį centrą.

Fermento specifiškumas

Yra du pagrindiniai fermentų specifiškumo tipai: substrato specifiškumas ir veikimo specifiškumas.

Substrato specifiškumas – tai fermento gebėjimas katalizuoti tik vieno specifinio substrato arba panašios struktūros substratų grupės transformaciją. Jį lemia aktyvios fermento vietos adsorbcijos vietos struktūra.

Yra 3 substrato specifiškumo tipai:

1. absoliutus substrato specifiškumas – tai fermento gebėjimas katalizuoti tik vieno, griežtai apibrėžto substrato virsmą;
2. santykinis substrato specifiškumas – fermento gebėjimas katalizuoti kelių panašios struktūros substratų virsmą;
3. stereospecifiškumas – fermento gebėjimas katalizuoti tam tikrų stereoizomerų virsmą.

Pavyzdžiui, fermentas L-aminorūgšties oksidazė gali oksiduoti visas aminorūgštis, bet tik tas, kurios priklauso L serijai. Taigi šis fermentas turi santykinį substrato specifiškumą ir stereospecifiškumą tuo pačiu metu.

Veiksmo specifiškumas yra fermento gebėjimas katalizuoti tik tam tikros rūšies cheminę reakciją.

Pagal veikimo specifiškumą visi fermentai skirstomi į 6 klases. Fermentų klasės žymimos lotyniškais skaitmenimis. Kiekvienos fermentų klasės pavadinimas atitinka šį paveikslą.

Fermentų klasifikacija

I klasė – oksidoreduktazės

Į šią klasę įeina fermentai, katalizuojantys redokso reakcijas. Oksidacijos metu gali įvykti arba vandenilio pašalinimas iš oksiduotos medžiagos, arba deguonies pridėjimas prie oksiduotos medžiagos. Priklausomai nuo oksidacijos būdo, išskiriami šie oksidoreduktazių poklasiai:

1. dehidrogenazės. Katalizuoti reakcijas, kurių metu iš oksiduotos medžiagos pašalinamas vandenilis;
2. oksigenazės. Šio poklasio fermentai katalizuoja deguonies įtraukimą į oksiduotą medžiagą:
1. monooksigenazės – į oksiduotą medžiagą įtraukia vieną deguonies atomą;
2. dioksigenazės – į oksiduotą medžiagą įtraukia 2 deguonies atomus. Dažnai tai lydi ciklinės struktūros lūžis. Ryšio nutrūkimo vietoje pridedami deguonies atomai.

II klasė – transferazės

Jie katalizuoja cheminių grupių perkėlimą iš vienos medžiagos molekulės į kitos medžiagos molekulę.

III klasė – hidrolazės

Jie katalizuoja cheminių ryšių nutraukimo reakcijas, kuriose dalyvauja vanduo.

IV klasė - liazės

Jie katalizuoja cheminių ryšių nutraukimo reakcijas, nedalyvaujant vandeniui.

V klasė – izomerazės

Katalizuokite izomerinių virsmų reakcijas.

VI klasė – ligazės (singazės, sintetazės)

Katalizuoja sintezės reakcijas.

Pagrindiniai fermentinės katalizės etapai

Bet kuri fermentinė reakcija vyksta per keletą tarpinių etapų.

Yra trys pagrindiniai fermentinės katalizės etapai.

1 etapas. Apytikslė substrato sorbcija aktyvioje fermento vietoje, susidarant grįžtamajam E-S kompleksui (fermento substratui). Šiame etape vyksta fermento adsorbcijos centro sąveika su substrato molekule. Tuo pačiu metu substratas patiria konformacinį pertvarkymą. Visa tai atsiranda dėl silpnų ryšių tarp substrato ir fermento adsorbcijos centro atsiradimo. Dėl to substrato molekulė tiekiama į katalizinį centrą jai patogiausioje padėtyje. Šis žingsnis yra lengvai grįžtamas, nes dalyvauja tik silpnų ryšių tipai. 1-osios fermentinės katalizės stadijos kinetinė charakteristika yra Michaelio konstanta (Km).

2 etapas. Cheminiai substrato molekulės, kaip fermento-substrato komplekso dalies, transformacijos, susidarant fermentų kompleksui su chemiškai transformuotu substratu. Šiame etape kai kurie kovalentiniai ryšiai nutrūksta ir susidaro nauji. Todėl šis etapas vyksta daug lėčiau nei 1 ir 3 etapai. Būtent antrosios pakopos greitis lemia visos fermentinės reakcijos greitį. Tai reiškia, kad viso fermentinio proceso greitis apibūdinamas k + 2 reikšme, kuri beveik visada yra mažiausia iš visų konkrečių greičio konstantų. 2 pakopos kinetinė charakteristika yra didžiausias greitis (Vmax).

3 etapas. Gatavo produkto desorbcija iš jo komplekso su fermentu. Šis žingsnis yra lengvesnis nei 2 veiksmas. Jis, kaip ir 2 etapas, taip pat negrįžtamas. Išimtis yra grįžtamosios fermentinės reakcijos.

Fermentinės katalizės specifiškumas

Bet kuriai cheminei reakcijai, be pagrindinės jos atsiradimo galimybės (dėl termodinamikos dėsnių), būdingas proceso greitis. Fermentinės reakcijos greitis yra [S] arba [P] pokytis per laiko vienetą. Išmatavę jo greitį, ty greitį esant fermentui, turime išmatuoti reakcijos greitį, kai fermento nėra (spontaniška reakcija). Būtent šis skirtumas apibūdina fermento darbą.

Matuojant reakcijos greitį, visada reikia išmatuoti pradinį proceso greitį, t.y. fermentinės reakcijos greitį, per gana trumpą laiką, kai pasikeičia substrato koncentracija, ne taip smarkiai, kad tai paveiktų proceso greitį. procesas. Reakcijos greičio matavimo vienetai gali būti skirtingi. Geriau naudoti molinius vienetus, o laikas yra minutės arba sekundės, rečiau valandos. Todėl reakcijos greitis gali būti išreikštas, pavyzdžiui, µmol/min arba mmol/h. Greičio dydį lemia veikiančių masių dėsnis. Apskritai cheminės reakcijos greitis yra proporcingas reaguojančių medžiagų koncentracijos sandaugai. Fermentinės kinetikos atveju viena iš reaguojančių medžiagų yra fermentas, kurio koncentracija yra daug dydžių mažesnė už substrato koncentraciją. Tai lemia kai kuriuos fermentinės katalizės kinetikos ypatumus.

V = k+2[E]x[S].

Fermentinės reakcijos greičio priklausomybė nuo koncentracijos ([E]) esant pastoviai ir gana aukštai substrato koncentracijai ([S]>>[E], [S]=const).

Nukrypimas nuo grafiko tiesiškumo esant labai didelei fermento koncentracijai atsiranda dėl substrato trūkumo, todėl sumažėja substrato tiekimo į aktyviąją fermento vietą greitis. Nustatyti fermentinės reakcijos greitį būtina tik fermentų koncentracijų diapazone, kuriame grafikas yra tiesinis.

Šio grafiko tiesiškumas leidžia išreikšti jį vienu paveikslu - polinkio kampo liestinė su abscisių ašimi. Ši liestinė yra fermento aktyvumo kiekis. Būtent kiekvieno fermento darbas (efektyvumas) kiekybiškai apibūdinamas jo aktyvumo dydžiu, t.y., fermentinės reakcijos greičiu, tenkančiu fermento kiekio vienetui. Aktyvumo vienetai gali būti skirtingi: µmol S/min.mg arba µmol S/min.ml kraujo serumo.

Molekulinis aktyvumas- tai yra substrato molekulių, kurias viena fermento molekulė paverčia per minutę 30 ° C temperatūroje ir kitomis optimaliomis sąlygomis, skaičius. Šio įrenginio privalumas yra tas, kad galima palyginti ne tik skirtingų šaltinių fermentų aktyvumą, bet ir skirtingų fermentų efektyvumą. Pavyzdžiui, fermento katalazės molekulinis aktyvumas yra 5 x 10 6, o karboanhidrazės – 36 x 10 6 .

Iš grafiko tiesiškumo matyti, kad pagal reakcijos greitį galima spręsti apie fermento kiekį:

1. katalas – fermento kiekis, užtikrinantis 1 mol substrato virsmą per 1 s;
2. vienetas yra fermento kiekis, paverčiantis 1 µmol substrato per 1 min. 1 vienetas = 16,67 valcavimo.

Fermentinės reakcijos greičio priklausomybė nuo substrato koncentracijos, kai [E] = const ir [S] >> [E]: kuo didesnė substrato koncentracija, tuo didesnis reakcijos greitis. Ši priklausomybė yra hiperbolinė.

Ribinė reikšmė, į kurią linksta hiperbolė – šios reakcijos Vmax – apibūdina didžiausią fermento efektyvumą: Vmax=k+2 x [E].

Taigi Vmax yra riba, iki kurios vyksta reakcijos greitis be galo didėjant substrato koncentracijai.

km yra Michaelio konstanta. Jis skaitine prasme lygus substrato koncentracijai, kuriai esant reakcijos greitis yra pusė didžiausios vertės.

Ši kreivė apibūdinama Michaelis-Menten lygtimi.

Fizinė Km reikšmė yra ta, kad tai yra pusiausvyros konstanta tarp dviejų reakcijų, dėl kurių suyra fermento-substrato kompleksas, ir reakcijos, dėl kurios susidaro šis kompleksas.

Ks – substrato konstanta. Būdinga 1-os fermentinės reakcijos pakopos pusiausvyros konstanta. Todėl Km paprastai taip pat yra gana arti Ks. Todėl Km, kaip ir Ks, apibūdina substrato afinitetą tam tikram fermentui. Bet eksperimentiškai labai sunku nustatyti k-1 ir k+2, todėl sunku nustatyti Ks. Tačiau Km galima paprasčiausiai nustatyti naudojant Lineweaver-Burk koordinates.

Km gali būti naudojamas tam tikro fermento afinitetui tam substratui apibūdinti. Kuo mažesnis Km, tuo didesnis fermento afinitetas tam tikram substratui, taigi, tuo labiau pirmojo fermentinės reakcijos etapo pusiausvyra pasislenka į dešinę – link fermento ir substrato komplekso susidarymo. Tai reiškia, kad bus sudarytos geriausios sąlygos antrajam fermentinio proceso etapui tęsti. Esant tokioms sąlygoms, norint pasiekti efektyvų substrato konversiją, reikalinga maža substrato koncentracija. Tai reiškia, kad Vmax teoriškai galima pasiekti naudojant nedidelius substrato kiekius.

Jei Km yra didelis, tai reiškia, kad fermento afinitetas tokiam substratui yra mažas ir reakcija vyksta neefektyviai esant mažoms substrato koncentracijoms.

Km ir Vmax yra dvi kinetinės konstantos, kurios gali būti naudojamos fermento efektyvumui apibūdinti, įskaitant in vivo.

Bet kurio gyvo organizmo ląstelėje vyksta milijonai cheminių reakcijų. Kiekvienas iš jų turi didelę reikšmę, todėl svarbu išlaikyti aukštą biologinių procesų greitį. Beveik kiekvieną reakciją katalizuoja savas fermentas. Kas yra fermentai? Koks jų vaidmuo ląstelėje?

Fermentai. Apibrėžimas

Terminas „fermentas“ kilęs iš lotyniško fermentum – raugas. Jie taip pat gali būti vadinami fermentais, iš graikų kalbos en zyme, „mielėse“.

Fermentai yra biologiškai aktyvios medžiagos, todėl bet kokia ląstelėje vykstanti reakcija negali išsiversti be jų dalyvavimo. Šios medžiagos veikia kaip katalizatoriai. Atitinkamai, bet kuris fermentas turi dvi pagrindines savybes:

1) Fermentas pagreitina biocheminę reakciją, bet nėra suvartojamas.

2) Pusiausvyros konstantos reikšmė nesikeičia, o tik pagreitina šios reikšmės pasiekimą.

Fermentai biochemines reakcijas pagreitina tūkstantį, o kai kuriais atvejais ir milijoną kartų. Tai reiškia, kad nesant fermentinio aparato visi tarpląsteliniai procesai praktiškai sustos, o pati ląstelė mirs. Todėl fermentų, kaip biologiškai aktyvių medžiagų, vaidmuo yra didelis.

Įvairūs fermentai leidžia paįvairinti ląstelių metabolizmo reguliavimą. Bet kurioje reakcijų kaskadoje dalyvauja daug įvairių klasių fermentų. Biologiniai katalizatoriai yra labai selektyvūs dėl specifinės molekulės konformacijos. Kadangi fermentai daugeliu atvejų yra baltyminio pobūdžio, jie yra tretinės arba ketvirtinės struktūros. Tai vėlgi paaiškinama molekulės specifiškumu.

Fermentų funkcijos ląstelėje

Pagrindinė fermento užduotis – paspartinti atitinkamą reakciją. Bet kokiai procesų pakopai nuo vandenilio peroksido skilimo iki glikolizės reikalingas biologinis katalizatorius.

Tinkamas fermentų veikimas pasiekiamas dėl didelio specifiškumo tam tikram substratui. Tai reiškia, kad katalizatorius gali tik paspartinti tam tikrą reakciją ir jokios kitos, net labai panašios. Pagal specifiškumo laipsnį išskiriamos šios fermentų grupės:

1) absoliutaus specifiškumo fermentai, kai katalizuojama tik viena reakcija. Pavyzdžiui, kolagenazė skaido kolageną, o maltazė – maltozę.

2) Santykinio specifiškumo fermentai. Tai apima medžiagas, kurios gali katalizuoti tam tikros klasės reakcijas, pvz., hidrolizinį skilimą.

Biokatalizatoriaus darbas prasideda nuo jo aktyviosios vietos prijungimo prie substrato momento. Šiuo atveju kalbama apie viena kitą papildančią sąveiką, pavyzdžiui, užraktą ir raktą. Čia turime omenyje visišką aktyvaus centro formos sutapimą su substratu, o tai leidžia pagreitinti reakciją.

Kitas žingsnis yra pati reakcija. Jo greitis didėja dėl fermentinio komplekso veikimo. Galų gale gauname fermentą, susijusį su reakcijos produktais.

Paskutinis etapas yra reakcijos produktų atsiskyrimas nuo fermento, po kurio aktyvusis centras vėl tampa laisvas kitam darbui.

Schematiškai fermento darbas kiekviename etape gali būti parašytas taip:

1) S + E ——> SE

2) SE ——> SP

3) SP ——> S + P, kur S yra substratas, E yra fermentas, o P yra produktas.

Fermentų klasifikacija

Žmogaus kūne galite rasti daugybę fermentų. Visos žinios apie jų funkcijas ir darbą buvo susistemintos, todėl atsirado viena klasifikacija, kurios dėka nesunku nustatyti, kam skirtas tas ar kitas katalizatorius. Čia yra 6 pagrindinės fermentų klasės, taip pat kai kurių pogrupių pavyzdžiai.

1. Oksidoreduktazės.

Šios klasės fermentai katalizuoja redokso reakcijas. Iš viso yra 17 pogrupių. Oksidoreduktazės paprastai turi nebaltyminę dalį, kurią atstovauja vitaminas arba hemas.

Tarp oksidoreduktazių dažnai randami šie pogrupiai:

a) Dehidrogenazės. Dehidrogenazės fermentų biochemija susideda iš vandenilio atomų pašalinimo ir jų perkėlimo į kitą substratą. Šis pogrupis dažniausiai aptinkamas kvėpavimo, fotosintezės reakcijose. Dehidrogenazių sudėtyje būtinai yra kofermento NAD / NADP arba flavoproteinų FAD / FMN pavidalu. Dažnai yra metalo jonų. Pavyzdžiai yra fermentai, tokie kaip citochromo reduktazė, piruvato dehidrogenazė, izocitrato dehidrogenazė ir daugelis kepenų fermentų (laktato dehidrogenazė, glutamato dehidrogenazė ir kt.).

b) Oksidazės. Nemažai fermentų katalizuoja deguonies pridėjimą prie vandenilio, dėl to reakcijos produktai gali būti vanduo arba vandenilio peroksidas (H 2 0, H 2 0 2). Fermentų pavyzdžiai: citochromo oksidazė, tirozinazė.

c) Peroksidazės ir katalazės yra fermentai, kurie katalizuoja H 2 O 2 skaidymą į deguonį ir vandenį.

d) oksigenazės. Šie biokatalizatoriai pagreitina deguonies patekimą į substratą. Dopamino hidroksilazė yra vienas iš tokių fermentų pavyzdžių.

2. Pervedimai.

Šios grupės fermentų užduotis – pernešti radikalus iš donorinės medžiagos į recipientą.

a) metiltransferazė. DNR metiltransferazės, pagrindiniai fermentai, kontroliuojantys nukleotidų replikacijos procesą, atlieka svarbų vaidmenį reguliuojant nukleorūgštį.

b) Aciltransferazės. Šio pogrupio fermentai perneša acilo grupę iš vienos molekulės į kitą. Aciltransferazių pavyzdžiai: lecitincholesterolio aciltransferazė (perkelia funkcinę grupę iš riebalų rūgšties į cholesterolį), lizofosfatidilcholino aciltransferazė (acilo grupė perkeliama į lizofosfatidilcholiną).

c) Aminotransferazės – fermentai, dalyvaujantys aminorūgščių konversijoje. Fermentų pavyzdžiai: alanino aminotransferazė, kuri katalizuoja alanino sintezę iš piruvato ir glutamato perkeliant aminogrupes.

d) Fosfotransferazės. Šio pogrupio fermentai katalizuoja fosfatų grupės pridėjimą. Kitas fosfotransferazių – kinazių – pavadinimas yra daug dažnesnis. Pavyzdžiai yra fermentai, tokie kaip heksokinazės ir aspartatkinazės, kurie atitinkamai prideda fosforo likučių į heksozes (dažniausiai gliukozę) ir į asparto rūgštį.

3. Hidrolazės – fermentų klasė, katalizuojanti jungčių skilimą molekulėje, po to įdedant vandens. Šiai grupei priklausančios medžiagos yra pagrindiniai virškinimo fermentai.

a) Esterazės – nutraukia esterinius ryšius. Pavyzdžiui, lipazės, skaidančios riebalus.

b) glikozidazės. Šios serijos fermentų biochemija susideda iš polimerų (polisacharidų ir oligosacharidų) glikozidinių ryšių sunaikinimo. Pavyzdžiai: amilazė, sacharozė, maltazė.

c) Peptidazės yra fermentai, kurie katalizuoja baltymų skilimą į aminorūgštis. Peptidazės apima tokius fermentus kaip pepsinai, tripsinas, chimotripsinas, karboksipeptidazė.

d) Amidazės – skaido amido ryšius. Pavyzdžiai: arginazė, ureazė, glutaminazė ir kt. Daug amidazės fermentų randama

4. Liazės – fermentai, kurie savo funkcijomis yra panašūs į hidrolazes, tačiau skaidant ryšius molekulėse vanduo nevartojamas. Šios klasės fermentuose visada yra nebaltyminės dalies, pavyzdžiui, vitaminų B1 arba B6 pavidalu.

a) Dekarboksilazės. Šie fermentai veikia C-C ryšį. Pavyzdžiai yra glutamato dekarboksilazė arba piruvato dekarboksilazė.

b) Hidratazės ir dehidratazės – fermentai, katalizuojantys C-O ryšių skilimo reakciją.

c) Amidin-liazės – ardo C-N ryšius. Pavyzdys: arginino sukcinato liazė.

d) P-O liazė. Tokie fermentai, kaip taisyklė, atskiria fosfato grupę nuo substratinės medžiagos. Pavyzdys: adenilato ciklazė.

Fermentų biochemija pagrįsta jų struktūra

Kiekvieno fermento gebėjimus lemia jo individuali, unikali struktūra. Bet kuris fermentas visų pirma yra baltymas, o jo struktūra ir susilankstymo laipsnis turi lemiamą reikšmę nustatant jo funkciją.

Kiekvienam biokatalizatoriui būdingas aktyvus centras, kuris, savo ruožtu, yra padalintas į keletą nepriklausomų funkcinių sričių:

1) Katalizinis centras yra speciali baltymo sritis, išilgai kurios fermentas yra prijungtas prie substrato. Priklausomai nuo baltymo molekulės konformacijos, katalizinis centras gali būti įvairių formų, kurios turi derėti prie substrato taip pat, kaip ir rakto spyna. Tokia sudėtinga struktūra paaiškina, kas yra tretinėje ar ketvirtinėje būsenoje.

2) Adsorbcijos centras – atlieka „laikiklio“ funkciją. Čia visų pirma yra ryšys tarp fermento molekulės ir substrato molekulės. Tačiau adsorbcijos centro suformuoti ryšiai yra labai silpni, o tai reiškia, kad katalizinė reakcija šiame etape yra grįžtama.

3) Allosteriniai centrai gali būti tiek aktyviame centre, tiek visame fermento paviršiuje. Jų funkcija yra reguliuoti fermento veiklą. Reguliavimas vyksta inhibitorių molekulių ir aktyvatorių molekulių pagalba.

Baltymai aktyvatoriai, prisijungę prie fermento molekulės, pagreitina jos darbą. Inhibitoriai, priešingai, slopina katalizinį aktyvumą, ir tai gali įvykti dviem būdais: arba molekulė prisijungia prie alosterinės vietos aktyvios fermento vietos srityje (konkurencinis slopinimas), arba prisijungia prie kitos baltymo srities. (nekonkurencinis slopinimas). laikomas efektyvesniu. Juk taip uždaroma vieta substrato prisijungimui prie fermento, o šis procesas įmanomas tik esant beveik visiškam inhibitorinės molekulės ir aktyvaus centro formos sutapimui.

Fermentas dažnai susideda ne tik iš aminorūgščių, bet ir iš kitų organinių bei neorganinių medžiagų. Atitinkamai išskiriamas apofermentas – baltyminė dalis, kofermentas – organinė, o kofaktorius – neorganinė dalis. Kofermentą gali atstovauti angliavandeniai, riebalai, nukleino rūgštys, vitaminai. Savo ruožtu kofaktorius dažniausiai yra pagalbiniai metalo jonai. Fermentų aktyvumą lemia jo struktūra: papildomos medžiagos, sudarančios kompoziciją, keičia katalizines savybes. Įvairūs fermentų tipai yra visų išvardytų komplekso susidarymo veiksnių derinio rezultatas.

Fermentų reguliavimas

Fermentai kaip biologiškai aktyvios medžiagos ne visada būtini organizmui. Fermentų biochemija yra tokia, kad per didelės katalizės atveju jie gali pakenkti gyvai ląstelei. Norint išvengti žalingo fermentų poveikio organizmui, būtina kažkaip reguliuoti jų darbą.

Kadangi fermentai yra baltyminio pobūdžio, jie lengvai sunaikinami aukštoje temperatūroje. Denatūravimo procesas yra grįžtamasis, tačiau jis gali labai paveikti medžiagų darbą.

PH taip pat vaidina svarbų vaidmenį reguliuojant. Didžiausias fermentų aktyvumas, kaip taisyklė, stebimas esant neutralioms pH vertėms (7,0-7,2). Taip pat yra fermentų, kurie veikia tik rūgščioje aplinkoje arba tik šarminėje. Taigi ląstelių lizosomose palaikomas žemas pH, kuriame hidrolizinių fermentų aktyvumas yra didžiausias. Netyčia patekus į citoplazmą, kur aplinka jau arčiau neutralios, jų aktyvumas sumažės. Tokia apsauga nuo „savaime valgymo“ pagrįsta hidrolazių darbo ypatumais.

Verta paminėti kofermento ir kofaktoriaus svarbą fermentų sudėtyje. Vitaminų ar metalų jonų buvimas reikšmingai veikia kai kurių specifinių fermentų veikimą.

Fermentų nomenklatūra

Visi organizmo fermentai paprastai vadinami priklausomai nuo jų priklausomybės kuriai nors klasei, taip pat nuo substrato, su kuriuo jie reaguoja. Kartais pavadinime naudojamas ne vienas, o du substratai.

Kai kurių fermentų pavadinimų pavyzdžiai:

1. Kepenų fermentai: laktato dehidrogenazė, glutamato dehidrogenazė.
2. Visas sisteminis fermento pavadinimas: laktatas-NAD+-oksidoreduktazė.

Yra ir nereikšmingų pavadinimų, kurie neatitinka nomenklatūros taisyklių. Pavyzdžiai yra virškinimo fermentai: tripsinas, chimotripsinas, pepsinas.

Fermentų sintezės procesas

Fermentų funkcijos nustatomos genetiniame lygmenyje. Kadangi molekulė iš esmės yra baltymas, jos sintezė tiksliai pakartoja transkripcijos ir vertimo procesus.

Fermentų sintezė vyksta pagal šią schemą. Pirmiausia iš DNR nuskaitoma informacija apie norimą fermentą, ko pasekoje susidaro mRNR. Messenger RNR koduoja visas aminorūgštis, kurios sudaro fermentą. Fermentų reguliavimas gali vykti ir DNR lygyje: jei pakanka katalizuojamos reakcijos produkto, genų transkripcija sustoja ir atvirkščiai, jei yra produkto poreikis, suaktyvinamas transkripcijos procesas.

iRNR patekus į ląstelės citoplazmą, prasideda kitas etapas – transliacija. Endoplazminio tinklo ribosomose susintetinama pirminė grandinė, susidedanti iš aminorūgščių, sujungtų peptidiniais ryšiais. Tačiau baltymo molekulė pirminėje struktūroje dar negali atlikti savo fermentinių funkcijų.

Fermentų aktyvumas priklauso nuo baltymo struktūros. Toje pačioje ER vyksta baltymų sukimasis, dėl kurio pirmiausia susidaro antrinės, o paskui tretinės struktūros. Kai kurių fermentų sintezė sustoja jau šiame etape, tačiau norint suaktyvinti katalizinį aktyvumą, dažnai reikia pridėti kofermento ir kofaktoriaus.

Tam tikrose endoplazminio tinklo vietose yra prisirišę organiniai fermento komponentai: monosacharidai, nukleorūgštys, riebalai, vitaminai. Kai kurie fermentai negali veikti be kofermento.

Kofaktorius vaidina lemiamą vaidmenį formuojantis Kai kurios fermentų funkcijos pasiekiamos tik tada, kai baltymas pasiekia domeno organizaciją. Todėl jiems labai svarbus ketvirtinės struktūros buvimas, kurioje jungiamoji grandis tarp kelių baltymų rutuliukų yra metalo jonas.

Įvairios fermentų formos

Būna situacijų, kai reikia turėti kelis fermentus, kurie katalizuoja tą pačią reakciją, bet skiriasi vienas nuo kito kai kuriais parametrais. Pavyzdžiui, fermentas gali dirbti 20 laipsnių temperatūroje, tačiau esant 0 laipsnių jis nebegalės atlikti savo funkcijų. Ką tokioje situacijoje esant žemai aplinkos temperatūrai turėtų daryti gyvas organizmas?

Šią problemą nesunkiai išsprendžia keli fermentai vienu metu, katalizuojantys tą pačią reakciją, bet veikiantys skirtingomis sąlygomis. Yra dviejų tipų įvairių formų fermentai:

1. Izofermentai. Tokius baltymus koduoja skirtingi genai, jie susideda iš skirtingų aminorūgščių, bet katalizuoja tą pačią reakciją.
2. Tikrosios daugiskaitos formos. Šie baltymai yra transkribuojami iš to paties geno, tačiau peptidai yra modifikuoti ribosomose. Dėl to gaunamos kelios to paties fermento formos.

Dėl to pirmasis kelių formų tipas susidaro genetiniame lygmenyje, o antrasis - potransliaciniame lygmenyje.

Fermentų svarba

Medicinoje tai susiję su naujų vaistų išleidimu, kuriuose medžiagų jau yra reikiamu kiekiu. Mokslininkai dar nerado būdo, kaip paskatinti organizme trūkstamų fermentų sintezę, tačiau šiandien plačiai naudojami vaistai, galintys laikinai kompensuoti jų trūkumą.

Įvairūs fermentai ląstelėje katalizuoja įvairiausias gyvybę palaikančių reakcijų įvairovę. Vienas iš šių enizmų yra nukleazių grupės atstovai: endonukleazės ir egzonukleazės. Jų užduotis – palaikyti pastovų nukleorūgščių kiekį ląstelėje, pašalinti pažeistą DNR ir RNR.

Nepamirškite apie tokį reiškinį kaip kraujo krešėjimas. Kadangi šis procesas yra veiksminga apsaugos priemonė, jį kontroliuoja daugybė fermentų. Pagrindinis yra trombinas, kuris neaktyvų baltymą fibrinogeną paverčia aktyviu fibrinu. Jo siūlai sukuria tam tikrą tinklą, kuris užkemša kraujagyslės pažeidimo vietą, taip užkertant kelią per dideliam kraujo netekimui.

Fermentai naudojami vyno gamyboje, alaus darykloje, gaunant daug rauginto pieno produktų. Mielės gali būti naudojamos alkoholiui gaminti iš gliukozės, tačiau sėkmingam šio proceso eigai pakanka ir jų ekstrakto.

Įdomūs faktai, kurių jūs nežinojote

Visi organizmo fermentai turi didžiulę masę – nuo ​​5000 iki 1000000 Da. Taip yra dėl baltymų buvimo molekulėje. Palyginimui: gliukozės molekulinė masė yra 180 Da, o anglies dioksido tik 44 Da.

Iki šiol buvo atrasta daugiau nei 2000 fermentų, kurie buvo rasti įvairių organizmų ląstelėse. Tačiau dauguma šių medžiagų dar nėra visiškai suprantamos.

Veiksmingiems skalbinių plovikliams gaminti naudojamas fermentų aktyvumas. Čia fermentai atlieka tą patį vaidmenį kaip ir organizme: skaido organines medžiagas, o ši savybė padeda kovoti su dėmėmis. Panašius skalbimo miltelius rekomenduojama naudoti ne aukštesnėje kaip 50 laipsnių temperatūroje, kitaip gali įvykti denatūravimo procesas.

Remiantis statistika, 20% žmonių visame pasaulyje kenčia nuo kurio nors iš fermentų trūkumo.

Fermentų savybės žinomos labai seniai, tačiau tik 1897 metais žmonės suprato, kad cukrui fermentuoti į alkoholį gali būti panaudotos ne pačios mielės, o jų ląstelių ekstraktas.

Visų pirma, reikia atsiminti, kad fermentai yra baltyminės medžiagos ir visos baltymams būdingos savybės taip pat būdingos fermentams. Fermentų baltymingumas buvo pripažintas po Johno Howardo Northropo (1891–1987) 1930 m. gautas kristalinis pepsinas ir tripsinas. Vėliau fermentų cheminė prigimtis buvo patvirtinta rentgeno spindulių difrakcijos analize.

Sukant ir sulankstant fermentų molekulių iolipeptidines grandines į tam tikrą struktūrą, susidaro specialios, būdingomis savybėmis pasižyminčios sekcijos. Jie vadinami fermentų centrais: aktyvus, katalizinis, substratas ir schematiškai pavaizduoti kaip įvairių formų įdubimai fermento molekulėje (6.2 pav.).

Ryžiai. 6.2.

substratas- vieta, kur pritvirtinamas substratas, centras atsakingas už fermento specifiškumą; katalizinis- sritis, kurioje vyksta reakcija; alosterinis(kitaip reguliacinis, metabolinis) ne visi fermentai jį turi, reaguoja į išorinį veikimą

faktoriai

Pagal cheminę prigimtį Svorio fermentai skirstomi į paprastus (vieno komponento) ir sudėtingus (dviejų komponentų). Kaip matyti iš fig. 6.3, skirtumas slypi tame, kad sudėtinguose fermentuose yra nebaltyminio komponento. Jis gali būti stipriai susijungęs su fermentu ( protezų grupė) arba lengvai atskiriamas nuo jo ( kofermentas).

Tačiau bet kuriuo atveju katalizinė reakcija įvyksta, kai substratas sąveikauja su nebaltymine kompleksinio fermento dalimi.

Tiek paprasti, tiek sudėtingi fermentai gali būti pavaizduoti skirtingomis molekulinėmis formomis (6.2 lentelė, 6.3 pav.).

Vieną reakciją katalizuojančiuose oligomeruose išskiriami izofermentai. Izofermentai – tai fermentai, kurie katalizuoja vieną reakciją, tačiau skiriasi vienas nuo kito aminorūgščių sudėtimi, aminorūgščių seka, fizikinėmis ir cheminėmis savybėmis, lokalizacija skirtinguose audiniuose. Pavyzdžiui, gliukokinazė ir heksokinazės katalizuoja tą patį virsmą – gl-6-fosfato susidarymą iš gliukozės, bet turi skirtingą afinitetą substratui, skirtingą lokalizaciją ir kt. (žr. 10.6 pastraipą)

6.2 lentelė

Molekulinės fermentų formos

Ryžiai. 63.

Svarbu pabrėžti, kad visos fermentų vietos nėra standžios struktūros. Fermentinės katalizės metu jie gali keisti formą. Dažnai, pridedant substrato, tuo pačiu metu atsiranda katalizinio centro priartėjimas. Tokiais atvejais kalbama apie vieną aktyvią fermento vietą.

Neįmanoma visiškai identifikuoti baltymų ir fermentų su gyvomis būtybėmis, tačiau galima nubrėžti analogiją. Fermentas ir substratas nelaukia atsitiktinio susidūrimo chaotiško dalelių judėjimo metu, kaip tai atsitinka neorganinėje chemijoje. Gyvoje ląstelėje transformacijos vyksta pagal scenarijų. Tam tikras fermentas atpažįsta ir užfiksuoja atitinkamą substratą, prireikus sukasi arba pakeičia savo erdvinę konfigūraciją ir atlieka katalizinę konversiją. Dėl to išskiriamas nepakitęs fermentas ir reakcijos produktas. Yra daug pavyzdžių, kai fermentas iš karto perkelia transformuotą substratą (produktą) į kitą fermentą, tarsi grandine ant konvejerio. Tai daugiausia paaiškina ypatingą fermentų selektyvumą ir didelį efektyvumą.

Vokiečių organinis chemikas Emilis Hermannas Fischeris (1852-1919) buvo vienas pirmųjų, pasiūliusių idėją susieti fermento vietas su substratu. Jo teorija vadinama "raktas ir užraktas"(6.4 pav.). Tai reiškia, kad fermento aktyviosios vietos forma turi priglusti prie substrato kaip spynos raktas.

Pagal bendrąją fermentinės katalizės schemą (žr. 6.1 pav.) fermentas ir jam tinkamas substratas savo forma sudaro fermentą-substratą.

Ryžiai. 6.4.

I, II, III stadijos atitinka bendrąją fermentinės katalizės schemą

karinis kompleksas, kuriame vyksta tam tikri pokyčiai, kurie prisideda prie aktyvuoto fermento-substrato komplekso susidarymo. Dėl to išskiriamas naujas produktas ir nepakitęs fermentas.

Pagrindinė šios teorijos prielaida absoliučiai galioja ir dabar, tačiau tiriant įvairių fermentų struktūras, fermentinės katalizės samprata gerokai išsiplėtė. Yra žinoma, kad daugelio fermentų aktyvusis centras gali keisti savo formą, priklausomai nuo aplinkos sąlygų. Mes kalbame apie allosteriniai fermentai turintis allosterinį (reguliacinį, metabolinį) centrą, jautrų įvairių ląstelių metabolitų veikimui.

Allosterinis centras visada yra erdviškai nutolęs nuo substrato ir katalizinio centro ir turi būdingą specifiškumą, t.y. jungiasi tik atskirus ligandus. Ryšys visada yra nekovalentinis ir grįžtamasis.

Metabolitai, kurie prisijungia prie allosterinio centro, bendrai vadinami efektoriais. Tačiau pagal poveikio kryptį jie skirstomi į dvi grupes:

• aktyvatoriai padidinti fermento aktyvumą, t.y. turėti teigiamą stimuliaciją;
• inhibitoriai sumažinti fermentų aktyvumą, t.y. turėti neigiamų paskatų.

Aktyvatoriai dažnai yra pradinės medžiagos, o inhibitoriai yra reakcijos produktai. Pavyzdžiui, heksokinazės slopina reakcijos produktas – gl-6-fosfatas, ir aktyvumas sintazė-FFA(žr. 11.8.2 pastraipą) mažėja esant didelėms proceso produkto palmitil-CoA koncentracijoms.

Kai kurie fermentai turi kelis allosterinius centrus, kurių kiekvienas būdingas kitam efektoriui.

Taigi, allosteriniuose fermentuose proceso scenarijus priklausys nuo aplinkos sąlygų: metabolinių aktyvatorių ar inhibitorių buvimo.

Į šią fermentų savybę atsižvelgiama teorijoje "sukeltas (priverstinis) sąveikos“ Danielis Koshlandas (1920-2007). Remiantis šia teorija, susidarius fermento-substrato kompleksui, fermento molekulėje galima pastebėti tam tikrus patvirtinimo pokyčius, kurie sukelia atitinkamus substrato molekulės pokyčius. Šią informaciją patvirtino rentgeno spindulių difrakcijos analizė. Be to, daugelis fermentų savybių rodo jų konformacijos skirtumą, kai substrato nėra ir jo nėra. Kai kuriuose fermentuose, esant substratui, keičiasi optinės ir sedimentacijos charakteristikos, didėja atsparumas terminei denatūracijai, sustoja disociacija į subvienetus.

• J. G. Northropas kartu su Wendell Meredith Stanley ir Jamesu Bstchellsr Sumneriu buvo apdovanoti Nobelio chemijos premija „už grynų virusinių baltymų paruošimą“ 1946 m.

Fermentai ir vitaminai

Biologinių molekulių, sudarančių kūną, vaidmuo.

Paskaita Nr.7

(2 valandos)

Bendrosios fermentų charakteristikos

Fermentų struktūra

Pagrindiniai fermentinės katalizės etapai

Fermento savybės

Fermentų nomenklatūra ir klasifikacija

Fermentų inhibitoriai ir aktyvatoriai

Vitaminų klasifikacija

Riebaluose tirpūs vitaminai

Vandenyje tirpūs vitaminai

B grupės vitaminų

Bendrieji fermentų požymiai ir neorganinės kilmės katalizatoriai:

Katalizuokite tik energetiškai įmanomas reakcijas

Nekeiskite reakcijos krypties

Nevartojamas reakcijos metu

Jie nedalyvauja formuojant reakcijos produktus.

Fermentų skirtumai iš nebiologinių katalizatorių:

Baltymų struktūra;

Didelis jautrumas fizikiniams ir cheminiams aplinkos veiksniams, darbas švelnesnėmis sąlygomis (P atmosferos, 30-40 o C, pH artimas neutraliai);

Didelis jautrumas cheminiams reagentams;

Didelis veikimo efektyvumas (gali pagreitinti reakciją 10 8 -10 12 kartų; viena F molekulė gali katalizuoti 1000-1000000 substrato molekulių per 1 min.);

Didelis F selektyvumas substratams (substrato specifiškumas) ir katalizuojamos reakcijos tipui (veiksmo specifiškumas);

F aktyvumas reguliuojamas specialiais mechanizmais.

Pagal struktūrą fermentai skirstomi į paprastas(vieno komponento) ir kompleksas(dviejų komponentų). Paprasta susideda tik iš baltymų dalies, komplekso ( holofermentas) – iš baltyminių ir nebaltyminių dalių. Baltymų dalis - apofermentas, be baltymų - kofermentas(vitaminai B 1, B 2, B 5, B 6, H, Q ir kt.). Atskirai apofermentas ir kofermentas neturi katalizinio aktyvumo. Vieta fermento molekulės paviršiuje, kuri sąveikauja su substrato molekule - aktyvus centras.

aktyvus centras susidaro iš aminorūgščių liekanų, kurios yra įvairių polipeptidinės grandinės dalių arba įvairių gretimų polipeptidinių grandinių dalis. Jis susidaro baltymo-fermento tretinės struktūros lygyje. Jo ribose išskiriamas substrato (adsorbcijos) centras ir katalizinis centras. Be aktyvaus centro, yra specialios funkcinės vietos – allosteriniai (reguliaciniai) centrai.

katalizinis centras- tai aktyvaus fermento centro sritis, kuri tiesiogiai dalyvauja cheminėse substrato transformacijose. Paprastų fermentų CC – tai kelių aminorūgščių liekanų, esančių skirtingose ​​fermento polipeptidinės grandinės vietose, tačiau dėl šios grandinės vingių (serino, cisteino, tirozino, histidino, arginino, asp.) erdviškai arti vienas kito derinys. ir glut. rūgštys). Sudėtingo baltymo CC yra sudėtingesnis, nes dalyvauja fermento protezinė grupė – kofermentas (vandenyje tirpūs vitaminai ir riebaluose tirpus vitaminas K).

Substratas (adsorbcija) cent p – aktyvaus fermento centro vieta, kurioje vyksta substrato molekulės sorbcija (susirišimas). SC sudaro vienas, du, dažniau trys aminorūgščių radikalai, kurie dažniausiai yra šalia katalizinio centro. Pagrindinė SC funkcija – substrato molekulės surišimas ir perkėlimas į katalizinį centrą jam patogiausioje padėtyje.

Allosterinis centras(„turinti skirtingą erdvinę struktūrą“) – fermento molekulės dalis, esanti už aktyvaus centro ribų, kuri grįžtamai jungiasi su bet kokia medžiaga. Toks surišimas lemia fermento molekulės konformacijos ir jos aktyvumo pasikeitimą. Aktyvus centras pradeda veikti greičiau arba lėčiau. Atitinkamai, tokios medžiagos vadinamos alosteriniais aktyvatoriais arba alosteriniais inhibitoriais.

Allosteriniai centrai ne visuose fermentuose. Jų yra fermentuose, kurių darbą keičia hormonai, mediatoriai ir kitos biologiškai aktyvios medžiagos.