Ферменты в биологических системах

Ферменты  в биологических  системах.

1. Природа и свойства ферментов.

Ферменты – биологические  катализаторы, они являются веществами белковой природы. Высокая каталитическая активность и специфические действия определяются структурой ферментов.

Ферменты обладают следующими свойствами:

1. огромная сила каталитического действия. Они в раз повышают скорость катализируемых реакций.
2. специфичность действия – это свойство выражается в том, что они катализируют только строго определенные реакции. Различают следующие типы специфичности:

1. абсолютная специфичность, т.е. фермент, катализирует превращение только одного субстрата.
2. групповая специфичность при ней фермент действует на группу родственных субстратов обладающих определенными структурными особенностями.
3. специфичность по отношению к определенным типам реакций
4. стереохимическая специфичность такие ферменты катализируют одной стереохимической формы субстрата.

3. лабильность, т.е. ферменты подвержены влиянию многих факторов и могут изменять свою активность под действием рН, температуры, активаторов, ингибиторов. Изменчивость обусловлена белковой структурой (природой) и сложной пространственной структуры.

Ферменты могут  быть одно или 2-х компонентными. В 1-м  случае фермент представлен состоящий  только из белка, т.е. является простым белком. Во втором случае это сложный белок состоящий из белковой части и небелкового компонента. Причем небелковый компонент называется коферментом или кофактором и может легко диссоциировать. При удалении небелкового компонента фермент утрачивает свою активность. Ферментативная реакция независимо от природы фермента имеет общий механизм.

2. Механизм ферментативной реакции.

Механизм ферментативной реакции состоит в образовании промежуточного соединения фермента и субстрата. Иначе это соединение называется фермент-субстратный комплекс который затем диссоциирует с освобождением фермента и продукта реакции.

Образование фермент-субстратного комплекса происходит в активном центре фермента. Под активным центром в однокомплексном ферменте понимают совокупность аминокислотных остатков наиболее существенных для протекания каталитического акта. Аминокислотные остатки не соединены в полипептидной цепи, но они сближены при формировании третичной структуры молекулы фермента. В двухкомплексных ферментах в формировании активного центра участвуют не только аминокислотные остатки, но и коферменты. В активном центре выделяют зону связывания субстрата ответственно с образование фермент-субстратного комплекса и собственно каталитический центр.

Активный центр располагается в углублении белковой молекулы. По форме это углубление комплементарно субстрату.

В 20 в. существовала теория субстрата, разработанная Фишером. Согласно этой теории фермент и субстрат подходят друг другу как «ключ к замку», т.е. структуры изначально являются комплементарны. Он говорил о том, что фермент имеет постоянную пространственную структуру, и эта структура не меняется в ходе каталитического процесса. Эта теория была усовершенствованна Кошландом и он ее назвал теория индуцированного взаимодействия. Согласно этой теории в процессе образования фермент-субстратного комплекса происходит обратимая перестройка к информации фермента и переспределение энергии связи в молекуле субстрата. Благодаря последовательности происходит снижение энергии активности субстрата необходимого для протекания реакции.

Реакция образования  фермент-субстратного комплекса является обратимой, поэтому не все образовавшиеся комплексы диссоциируют с освобождением  продуктов реакции. Количеств результативных комплексов зависит от соотношения скорости прямой и обратной реакции 1-й стадии. Ферменты ускоряют протекание химической реакции, но не изменяют их равновесие и соотношение концентрации исходных и конечных продуктов реакции. В природе большинство ферментативных реакций осуществляется в открытых системах. Этим объясняется высокая скорость превращения субстрата при относительно низких температурах и невысоких концентрациях фермента. Активность фермента оценивается по скорости появления продуктов реакции или исчезновении субстратов. Активность обычно определяется в отношении стандартного образца субстрата специфичного для данного фермента в строго определенных условиях: концентрация субстрата, рН, ионный состав среды, температура, продолжительность реакции. Обычно количество фермента выражается в единицах ферментативной активности. В системе СИ такой единицей является Катал (К). К – это такое количество фермента, которое в стандартных условиях катализирует превращение 1 моля субстрата в секунду. К - это очень крупная единица, поэтому используют мкК=10^-6 К.

3. Влияние факторов среды на скорость ферментативных процессов.

Факторы среды:

1. Температура влияет как на скорость протекания отдельных стадий ферментативных реакций, так и на стабильность ферментов. Для ферментативных реакций при повышении температуры на 10⁰ скорость увеличивается в 2 раза. Это ниже, чем не для ферментативных реакций. Большинство ферментов стабильны при температуре не выше 70⁰.  Некоторые ферменты подвергаются денатурации при температуре 40⁰ (для ферментов животного происхождения – 40⁰-50⁰, растительного происхождения – 50⁰-60⁰, микробиологического происхождения выше, а для некоторых выше 90⁰). Если температура достаточно высока, то активность фермента снижается. Для ферментативной реакции существует такое понятие как оптимальная температура – температура, при которой фермент наиболее активен. Как правило, оптимальная температура действия ферментов соответствует условиям обитания данного фермента. Температурный оптимум фермента, как правило, превышает оптимальную температуру функционирования организма.
2. рН среды. Реакция среды влияет на состояние фермента и субстрата, а также на их сродство и соответственно на скорость реакции. При оптимальном значении рН на поверхности молекулы фермента образуется такое количество разноименных зарядов и расположены они таким образом, что расположение и количество их становится оптимальным для превращения конкретного субстрата. Оптимальное значение рН для фермента отлично от его изоэлектрической точки. Отсюда следует что активному состоянию фермента соответствует суммарный заряд отличный от нуля. Оптимальное рН кореллирует с реакцией среды, где фермент функционирует 3 природных условиях. Оптимальный уровень рН для действия фермента – может существовать отлично от рН стабильности. По величине рН оптимума ферменты условно делят на:
• Кислые (рН ниже 5) – ферменты протеиназы, целлюлазы, пектиназы.
• Нейтральные (рН 6-8) - химопопоин
• Щелочные (рН выше 8) – трипсин, хемотрипсин.

 3.    активаторы и ингибиторы. Активаторы – вещества, ускоряющие ферментативную реакцию за счет воздействия на конформацию молекулы фермента или состояние субстрата. Бывают такие реакции которые протекают только в присутствии активаторов и их называют необходимыми, а если могут протеакть без активаторов, то их называют несущественными. В качестве активаторов могут быть ионы одновалентных и двухвалентных металлов, органические кислоты, аминокислоты, хелаты и другие детергенты. В присутствии детергентов происходит эмульгирование жира. Ингибиторы вызывают полное или частичное подавление активности ферментов при сохранении их первичной и пространственной структуры. К числу ингибиторов не относится воздействие сильных кислот и щелочей, повышенной температыры и других факторов вызывающих изменение конформации ферментов. Различают обратимое и необратимое торможение (ингибирование). При необратимом торможении образуется прочная, обычно ковалентная связь ингибитора с одной из функциональных групп каталитического центра. Среди ингибиторов вызывающих обратимое торможение различают конкурентные и неконкурентные. Конкурентное взаимодействие с зоной связывания субстрата имея с субстратом структурно сходное свойство. Действие конкурентных ингибиторов снимают избытком субстрата. Ингибиторы могут быть – ионы тяжелых металлов и некоторые органическое соединения (меркапт-этанол, дитил-три-этанол и другие). 

4. Классификация ферментов.

Современная классификация  ферментов делит их на 6 классов. Причем деление происходит по типу катализированной реакции внутри класса делят на подклассы, на основе более подробной катализированной реакции и ее субстратной специфичности:

1. Оксидоредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции. Типичные представители ферментов этого класса:

А) Каталаза является универсальным ферментом органического мира который участвует в заключительных стадиях процесса окисления под действием каталазы происходит расщепление перекиси водорода на воду и кислород. Каталаза является гиминовым ферментом (в состав входит группа геми четыре атома железа)

Б) Глюкозооксидаза катализирует окисление глюкозы в глюконовую кислоту, в состав глюкозооксидазы входит 2 молекулы ФАД в качестве простетической группы. Как правило, в пищевой технологии глюкозооксидаза применяется с каталазой.

В) Пироксидаза катализирует окисляя органические соединения с помощью перекиси водорода и органических перекисей. Субстратами для нее являются фенолы, аскорбиновая кислота, ароматические кислоты. Пероксидаза – фермент в который входит группа гемм, причем этот компонент выполняет роль активного центра

Г) Дифенолоксидаза (полифенолоксидаза) катализирует окисление фенола с помощью кислорода воздуха. Фермент содержит медь. Под действием этого фермента растворяются фенолы, окисляясь в хинолы которые затем превращаются в мелонины.

 Д) Липоксигиназа – фермент катализирующий окисление полиненасыщенных жирных кислот и их эфиров за счет молекулярного кислорода. Содержит в своем составе железо.

2. Гидролазы (гидролитические ферменты) катализируют реакции расщепления полимеров с участием воды. К ним относятся:

А) целлюлазы

Б) пектизаны

В) -амилаза – фермент который катализирует гидролиз полисахаридов, крахмала, гликогена. Это фермент эндотина, он расщепляет полисахариды в любом месте субстрата, расщепляет неупорядоченно. -амилаза является либо разжижающим либо осахаривающим ферментом. В 1-м случае это фермент расщепляет в растворимом полисахариде не более 40% гликозидных связей. Во 2-м – расщепляет до 60% этих связей. Многие амилазы содержат кальций причем его наличие характерно для амилаз разжижающего типа. Обладает термостабильностью

Г) -амилаза

Д) глюкоамилаза

Е) протеолитические ферменты – ферменты катализирующие гидролиз пептидных связей

3. Трансферазы катализируют реакции переноса групп. К ним относят:  циклодикстринглюканотрансфираза (ЦДГТ) участвует в процессе образования циклодикстрина из крахмала.
4. Лиазы катализируют разрыв связей С-С, С-О, С-N и некоторых других с образованием других связей или катализируют обратные реакции с присоединением групп к 2-м связям. К ним относят эндопиктат лиазы, который катализирует неупорядоченно расщепление пектатов с образованием ненасыщенной диголуктуроновой кислоты.
5. Изомеразы катализируют процессы изомеризации в пределах одной молекулы. Ксилоизомеразы катализируют превращение ксилозы в ксилулозу.
6. Лигазы (синтитазы) катализируют соединения 2-х молекул сопряженного с гидролизатом пирофосфатной связью АТФ. Эти ферменты играют ключевую роль в процессах биосинтеза органических соединений.