Строение и свойства ферментов

     Оглавление 

1. Ферменты  и их понятие………………………………………………………..3

2. Мощность  действия фермента, ее характеристика. Единицы измерения…9

3. Активаторы и ингибиторы действия ферментов. Специфические и неспецифические эффекторы………………………………………………….14

4. Список используемой литературы…………………………………….……29 

     Ферменты, понятие и их понятие 

     Ферменты  - это биологические катализаторы белковой природы, ускоряющие биохимические реакции в животных организмах.

     Сходства в действии ферментов и неорганических катализаторов:

     1) фермент и неорганический катализатор снижают энергию активации;

2. фермент и неорганический катализатор ускоряют только энергетически возможные реакции;
3. фермент и неорганический катализатор не изменяют направление реакции, не нарушают равновесия обратимой реакции, а только ускоряют наступление равновесия;
4. фермент и неорганический катализатор не расходуются в процессе реакции и не входят в состав конечных продуктов реакции.

     Механизм ферментативного катализа.

     В механизме ферментативного катализа различают 3 стадии:

     А. Образование фермент-субстратного комплекса

     Субстрат  присоединяется к участку молекулы фермента, который называется активным центром, в нем различают якорные  участки. Соединение идет за счет связей, характер которых зависит от химической природы субстрата. Например, если в  молекуле субстрата имеются заряженные группы, то образование комплекса  возможно за счет электростатического  взаимодействия (ионных связей). Если субстрат не имеет заряженных групп, то соединение субстрата с ферментом идет за счет возникновения водородных связей. Возможны и гидрофобные взаимодействия между субстратом и активным центром  фермента. Место, куда прикрепляется  субстрат, находится на поверхности  молекулы фермента. Таких участков может быть 2-3, они находятся на определенном расстоянии друг от друга. Пространственная структура активного  центра имеет сродство не только к своему субстрату, но от нее зависит каким превращениям подвергнется субстрат.

     Б. Образование комплекса  фермент-продукты реакции.

     Функционально активные группы активного центра фермента действуют на субстрат, дестабилизируя связи. При таком взаимодействии изменяется конфигурация субстрата, происходит его деформация, поляризация молекулы субстрата, растяжение связей между  отдельными участками субстрата, перераспределение  электронов, что приводит к изменению  расположения электрического заряда, к снижению энергии активации, и  субстрат распадается. Эта стадия кратковременна и лимитирует скорость всего процесса.

     В. Распад комплекса  фермент-продукты реакции с выделением свободного фермента. Третья стадия более медленная, от нее зависит скорость всей реакции. Таким образом, выявлено, что в механизме действия ферментов большое значение имеет изменение структуры субстрата, приводящее к снижению энергии активации. Величины энергии активации у различных субстратов разные. В частности, для разложения пероксида водорода необходима энергия в 75,3 кДж/мол. Использование катализатора платины снижает эту величину до 54,1 кДж/мол, а для разрушения перекиси водорода каталазой требуется всего 18 кДж/мол, т. е. более чем в 4 раза уменьшилась энергия активации.

     Общие свойства ферментов.

     Общие свойства ферментов одновременно являются и отличием ферментов от неорганических катализаторов:

• ферменты имеют белковую природу, поэтому обладают свойствами, характерными для белков;
• ферменты имеют сложное строение;
• ферменты обладают высокой специфичностью, как субстратной, так и специфичностью действия;
• ферменты имеют высокую биологическую активность, что обусловлено высоким сродством фермента к субстрату, и они гораздо сильнее снижают энергию активации. Единица измерения активности фермента - катал;
• ферменты действуют в мягких условиях ( при t° 37-45°, давлении 1 атм.);
• ферменты - это катализаторы с регулируемой активностью.

     Сложное строение ферментов. Простые и сложные ферменты.

     По  строению различают ферменты-протеины, однокомпонентные и ферменты - протеиды, двухкомпонентные.

     К группе ферментов-протеинов относят ферменты, построенные по типу простых белков, в отличие от которых фермент имеет активный центр. Наличие в их молекуле активного центра обеспечивает каталитическую активность фермента.

     Активный  центр - это уникальная для каждого  фермента совокупность функциональных групп аминокислотных остатков, расположенных  на поверхности ферментов и строго ориентированных в пространстве за счет третичной и иногда четвертичной структуры ферментов. Таким образом, в состав активного центра входят свободные аминогруппы ДАМК, карбоксильные  группы МАДК, гидроксильные группы серина и треонина, гуанидиновая группа аргинина, тиоэфирная группа метионина, тиогруппа цистеина, ароматическое  кольцо фенилаланина, кольцо индола триптофана, кольцо имидазола гистидина, неполярные группы валина, лейцина, изолейцина. Активный центр имеет два участка: а) субстратный (контактный или якорная площадка), обуславливающий субстратную специфичность  фермента и обеспечивающий его взаимодействие с субстратом; б) каталитический центр, ответственный за химические преобразования субстрата, который обуславливает  специфичность действия фермента.

     Взаимодействие  субстрата и фермента становится возможным благодаря соответствию активного центра и субстрата. Первоначальная модель активного центра, предложенная Э.Фишером, трактовала взаимодействие субстрата и фермента по аналогии с системой «ключ-замок», т.е. считалось, что между активным центром фермента и субстратом должно иметься полное соответствие. Эта модель, которую иногда называют моделью «жесткой матрицы», имеет недостаток, т.к. предполагает жесткое строение активного центра. В настоящее время считают, что полного соответствия между субстратом и ферментом нет, оно возникает в процессе взаимодействия субстрата и фермента (теория Кошленда или теория индуцированного соответствия).

     Активный  центр имеет форму узкого углубления или щели. В этом углублении присутствует несколько полярных аминокислотных остатков для связывания или катализа. Щелевидная форма активного центра создает, микроокружение, в котором  каталитические группы приобретают  особые свойства, важные для катализа. Сюда нет доступа молекулам воды, за исключением тех случаев, когда  вода является одним из реагирующих  веществ. Активные центры, занимают небольшую  часть молекулы фермента. Остальная  часть фермента сохраняет активный центр от разрушения, способствует необходимой ориентации активного  центра в пространстве и модификации  активного центра после взаимодействия фермента и субстрата.

     К однокомпонентным ферментам относятся  почти все ферменты желудочно-кишечного  тракта.

     Ферменты-протеиды - двухкомпонентные (холоферменты) - сложные белки. Состоят из белковой части (апофермент) и вещества небелковой, обычно низкомолекулярной природы (кофермента). У некоторых ферментов апофермент и кофермент соединены так прочно, что при разрыве этой связи фермент разрушается. Но есть ферменты, у которых связь между составными частями непрочная. Ферментативной активностью обладают только холоферменты, отдельные составные части каталитической активностью не обладают. Роль апофермента и кофермента различна. Белковая часть обуславливает субстратную специфичность фермента, а кофермент, входя в состав каталитического центра фермента, обеспечивает специфичность действия фермента, тип реакции, который ведет фермент. Роль коферментов выполняют производные различных витаминов, металлы (железо, медь).

     Роль  металлов в составе фермента:

1. Коферментная - металлы непосредственно участвуют в химической реакции, которую ускоряет данный фермент. Например, железо в составе цитохромов является составной частью кофермента и транспортирует электроны, т. е. выполняет коферментную роль.
2. Кофакторная роль металлов заключается в том, что металлы входят в структуру фермента, при этом являются связующим звеном между апоферментом и коферментом. Например, чтобы пиридинфермент был активным, нужен ион цинка, который соединяет между собой апофермент и НАД.

     Аллостерический центр фермента, его роль.

     У некоторых ферментов имеется  так называемый аллостерический  центр, участвующий в регуляции  активности активного центра. Единого  мнения о местонахождении этого  центра нет. По некоторым данным аллостерический  центр располагается неподалеку от активного центра. При действии аллостерических эффекторов на этот центр происходят комформационные  изменения молекулы фермента, в том  числе изменяется и топография активного  центра, в результате чего повышается или уменьшается структурное  сродство фермента к субстрату.

     Аллостерический центр характерен только для ферментов, имеющих несколько субъединиц.

     Специфичность ферментов.

     Ферменты  обладают специфичностью, т. е. способностью избирательно действовать на определенный субстрат (субстратная специфичность) и ускорять определенную химическую реакцию (специфичность действия), т.е. специфичность действия - это способность ферментов производить с субстратом лишь одно из возможных химических превращений. Ферменты могут воздействовать на несколько субстратов, но при этом катализировать только одну определенную реакцию.

     Виды субстратной  специфичности: относительная, абсолютная, стереохимическая.

     Если  фермент катализирует превращение  только одного субстрата, то специфичность  абсолютная (индивидуальная). Например, аргиназа расщепляет аргинин. Если фермент  катализирует превращение группы субстратов, объединенных одним типом связи, то такая специфичность называется относительной (групповой). Например, пепсин в одинаковой степени расщепляет белки животного и растительного  происхождения. Местом действия пепсина  является пептидная связь. Стереохимическая специфичность обусловлена существованием оптических изомеров L- и D-форм или геометрических (цис - и транс) изомеров химических веществ. Так фермент может действовать на один из изомеров. Например, фумараза катализирует превращение только фумаровой кислоты (трансизомер), но не действует на малеиновую кислоту (цис-изомер). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Мощность  действия фермента, ее характеристика. Единицы измерения 

     Большинство реакций, катализируемых ферментами, протекают  в 10-100 раз быстрее, чем некатализируемые реакции. Для характеристики мощности действия ферментов введено понятие  катал - число молекул субстрата, подвергающееся воздействию одной  молекулы фермента в течение 1 минуты.

     Мощность  большинства ферментов равна 1000 каталов, мощность действия каталазы - 1.000.000 каталов, амилазы - 240000, а ацетилхолинэстеразы - более 1.000.000. Высокая мощность действия ферментов обусловливает высокую скорость химических процессов в организме. Более высокая каталическая активность фермента обусловлена:

     а) сближением субстрата и связыванием его с активным центром в подходящей ориентации;

     б) ферменты содержат кислотные и основные группы, ориентированные так, что становится возможным перенос протонов в субстрате;

     в) определенные группы молекулы фермента могут образовывать ковалентные связи с субстратом, что приводит к формированию более реакционноспособных структур, чем субстрат;

     г) ферменты способны индуцировать напряжение или искажение молекулы субстрата.

     Проферменты, механизм активации.

     Некоторые ферменты вырабатываются в виде проферментов, которые являются неактивной формой фермента. Активация ферментов идет в процессе подготовки реакции, когда  формируется активный центр. Например, профермент пепсина - пепсиноген. В  желудке человека из пепсиногена  под влиянием соляной кислоты  образуется активный пепсин.