Замай Т.Н. и др. Биохимия

Подождите немного. Документ загружается.

ТЕМА 4. ВИТАМИНЫ, ФЕРМЕНТЫ



Биохимия. Учеб. пособие

-51-

Ферменты - наиболее крупный и специализированный класс белковых

молекул, катализирующих тысячи химических реакций, из которых

слагается клеточный обмен. Ферменты – это белки, увеличивающие скорости

биохимических реакций в 10

раз по сравнению со скоростями тех же

реакций в отсутствии ферментов. К настоящему времени идентифицировано

около тысячи различных ферментов, из них многие выделены в виде чистых

гомогенных препаратов.

Скорость любой реакции определяется по изменению концентраций

реагирующих веществ, происходящему в единицу времени. Она зависит от

строения реагирующих веществ (реагентов), их концентрации, температуры,

давления, наличия катализатора и некоторых других факторов. Реакция

становится возможной только при столкновениях молекул. Чем больше

молекул в единице объема, тем чаще они сталкиваются друг с другом, тем

быстрее преобразуются. В соответствии с законом действующих масс для

реакции А + В → С + Д скорость может быть выражена уравнением:

v = К [A]∗[B], где v – скорость реакции, К – константа скорости, отражающая

влияние химической природы вещества и условий, в которых протекает

реакция, на ее скорость, [A] и [B] – концентрация реагентов.

Большинство химических реакций в живых организмах являются

обратимыми. В тот момент, когда скорость прямой и обратной реакций

равны, устанавливается состояние динамического равновесия. Для каждой

реакции концентрация исходных веществ и продуктов реакции в состоянии

динамического равновесия различны. При неизменных внешних условиях

равновесие может сохраняться неопределенно долго.

Не каждое столкновение реагентов приводит к их взаимодействию.

Чтобы реакция началась, молекулы должны обладать определенным запасом

энергии, достаточным для преодоления энергетического барьера, который

создается межмолекулярными силами отталкивания и внутримолекулярными

силами сцепления (прочностью химических связей). Когда энергетический

барьер преодолен и реакция началась, в ходе ее может выделиться

значительно больше энергии, чем затрачено на начало процесса. Количество

энергии, необходимое грамм-молекуле реагента для вступления в реакцию,

называется энергией активации и рассчитывается в кДж / моль. Чем больше в

веществе молекул, способных преодолеть энергетический барьер, тем выше

скорость его химических превращений. Запас энергии зависит от химической

природы вещества и внешних условий. В обычных условиях только

незначительная часть молекул вещества находится в активном состоянии.

Активация их происходит при нагревании вещества , передаче лучистой

ТЕМА 4. ВИТАМИНЫ, ФЕРМЕНТЫ

4.2. Ферменты



Биохимия. Учеб. пособие

-52-

энергии, столкновении с уже возбужденными молекулами. С повышением

температуры на каждые 10

С скорость реакции возрастает в среднем в 2-3

раза.

Энергетический барьер реакции снижают катализаторы.

Каталитическая реакция идет через стадию образования промежуточного

соединения реагентов с катализатором. При адсорбции реагирующих

молекул на поверхности катализатора силы взаимного отталкивания между

ними ослабевают. Влияние электрического поля катализатора приводит к

деформации молекул реагентов, смещению электронов в них и сильному

ослаблению связей, в результате чего энергия активации снижается.

Образование продуктов реакции сопровождается регенерацией свободного

катализатора.

Вещества, реакцию превращения которых ускоряют ферменты (E),

называются субстратами (S). В ходе ферментативной реакции образуется

фермент-субстратный комплекс (ES). Под действием фермента молекула

субстрата меняет свою пространственную конфигурацию, в ней происходит

перераспределение энергии и уменьшается прочность связей. Фермент-

субстратный комплекс становится нестабильным и затем преобразуется в

комплекс фермент-продукт, который распадается на фермент и продукты (P)

реакции:

S + E → ES → E + P

Действие ферментов как катализаторов обладает некоторыми

особенностями: 1) Фермент не способен вызвать новую химическую

реакцию, он ускоряет уже идущую. 2) Фермент не изменяет направление

реакции, определяемое концентрациями реагентов, катализирует как прямую,

так и обратную реакции. Обратимые реакции лишь потому доходят до конца,

что они являются составными частями биохимических процессов, в которых

каждая последующая реакция использует в качестве субстратов продукты

предыдущей реакции. Очень малое количество фермента может ускорить

превращение большого количества субстрата.

При увеличении количества фермента скорость ферментативной

реакции повышается до некоторого предела, который характеризуется

количеством субстрата, доступным действию фермента. В покое в живых

организмах многие ферменты не проявляют максимальной активности из-за

недостаточного количества субстратов. При постоянной концентрации

фермента увеличение количества субстрата приводит вначале к быстрому,

затем к более медленному росту скорости ферментативной реакции, пока не

достигается максимальная скорость, остающаяся практически неизменной

при дальнейшем увеличении концентрации субстрата.

Для каждого фермента существует определенная концентрация

субстрата (называемая константой Михаэлиса – Km), при которой скорость

реакции составляет половину от максимальной. Константа Михаэлиса

ТЕМА 4. ВИТАМИНЫ, ФЕРМЕНТЫ

4.2. Ферменты



Биохимия. Учеб. пособие

-53-

служит мерой химического сродства между ферментом и субстратом, мерой

их способности образовывать фермент-субстратный комплекс.

Фермент увеличивает скорость реакции следующими способами.

1. Понижая свободную энергию переходного состояния путем

стабилизации активированного комплекса.

2. Увеличивая энергию субстрата, когда тот связывается с

ферментом при образовании фермент-субстратного комплекса. В

итоге уменьшается разность свободных энергий E-S-комплекса и

переходного состояния.

3. Поддерживая микроокружение активного центра в

состоянии, отличном от такового в водной среде. Часто у боковых

цепей аминокислотных остатков, находящихся в области активного

центра, способность приобретать электрический заряд изменяется по

сравнению с тем случаем, когда эти цепи целиком погружены в

водную среду. В результате боковые цепи могут обладать

повышенной реактивностью.

4. Располагая реагирующие атомы в правильной ориентации и

на необходимом расстоянии друг от друга так, чтобы обеспечить

оптимальное протекание реакции. Столкновения атомов в отсутствие

фермента очень редко приводят к химической реакции, поскольку в

этом случае редко атомы оказываются в правильной ориентации.

Ферменты в зависимости от их химического состава делятся на

простые (протеины) и сложные (протеиды). Активность ряда ферментов

зависит только от структуры белка, а других, кроме того, от присутствия

определенных групп небелковой природы – кофакторов. В роли кофакторов

могут выступать ионы металлов или сложные органические соединения,

называемые коферментами, иногда для наличия каталитической активности

необходимо присутствие тех и других. Кофакторы, как правило,

термостабильны, тогда как большинство ферментов при нагревании

инактивируются. Природный комплекс фермента с коферментом называется

холоферментом, а неактивный белок после отсоединения кофактора

называется апоферментом.

Ферменты имеют сложную пространственную структуру. Участки,

связывающие субстрат, называются активным центром и занимают

небольшую часть молекулы фермента. Остальная часть молекулы

необходима для поддержания пространственной структуры активного

центра. Фермент содержит также регуляторные центры. В простых

ферментах активный центр представляет собой комплекс определенных

аминокислот (серин, гистидин, цистеин, аргинин, триптофан).

Ионы металлов в ферментах могут выполнять различные функции. Они

могут служить мостиком, связывающим фермент с субстратом, или

выполнять непосредственно каталитическую функцию. Обычно коферменты

играют роль промежуточных переносчиков электронов, а также некоторых

ТЕМА 4. ВИТАМИНЫ, ФЕРМЕНТЫ

4.2. Ферменты



Биохимия. Учеб. пособие

-54-

атомов или функциональных групп, которые в результате ферментативной

реакции переносятся с одного соединения на другое. Некоторые коферменты

тесно связаны с ферментом, такой кофермент называется простетической

группой

. Но во многих случаях фермент связан с белком слабо. Многие

коферменты содержат в качестве активных компонентов вещества,

присутствующие в организме в следовых количествах, например

рибофлавин, тиамин, пантотеновую кислоту или никотинамид. Для ряда

организмов они являются витаминами (организм должен их получать с

пищей).

Пространственная структура активного центра фермента определяет

специфичность его действия – способность ускорять реакцию только одного

субстрата или группы субстратов, сходных по строению. Различают

относительную и абсолютную специфичность ферментов. Ферменты,

обладающие относительной специфичностью, ускоряют реакции,

характерные для определенных видов связей в молекулах, различных

веществ одного класса. Абсолютно специфичные ферменты ускоряют

определенный тип реакции единственного субстрата. Специфичность

действия фермента проявляется потому, что пространственная конфигурация

его активного центра комплементарна (соответственна) пространственной

конфигурации субстрата. Активный центр не является статичной,

неизменной системой. Субстрат, присоединяясь к нему, изменяет

пространственное положение его функциональных групп, таким образом

достигается более полное пространственное соответствие фермента и

субстрата и большая эффективность взаимодействия между ними.

Для объяснения специфичности ферментов Кошландом в 1959 году

была высказана гипотеза “индуцированного соответствия”. Согласно этой

гипотезе, связывание ферментом правильного субстрата индуцирует в белке

небольшие конформационные изменения. В результате этих изменений

каталитические группы фермента ориентируются таким образом, что

становится возможным превращение субстрата в продукт.

Изучение субстратной специфичности позволило выявить две

структурные особенности, определяющие специфичность фермента по

отношению к субстрату. Во-первых, субстрат должен обладать

специфической химической связью, которая может быть атакована

ферментом. Во-вторых, субстрат обычно содержит еще одну или несколько

функциональных групп, связывающихся с ферментом и надлежащим

образом ориентирующих субстрат относительно каталитического центра.

Такая связывающая группа обычно определенным образом ориентирована по

отношению к связи, подлежащей разрыву.

Активность ферментов может регулироваться с помощью многих

факторов. Одним из важнейших факторов, регулирующих активность

ферментов является кислотность среды. Для большинства ферментов

имеется определенное значение рН, при котором активность максимальна,

выше и ниже этого значения рН активность фермента уменьшается. Значение

ТЕМА 4. ВИТАМИНЫ, ФЕРМЕНТЫ

4.2. Ферменты



Биохимия. Учеб. пособие

-55-

рН, соответствующее максимальной активности фермента, не обязательно

совпадает со значением рН, характерным для внутриклеточного. Это

позволяет предположить, что влияние рН на активность ферментов может

быть одним из факторов, ответственных за регуляцию ферментативной

активности внутри клетки. Поскольку в клетке содержатся сотни ферментов

и каждый из них по-разному реагирует на изменение кислотности среды,

значение рН внутри клетки является, возможно, одним из важных элементов

в сложной системе регуляции клеточного метаболизма. Влияние реакции

среды на активность фермента состоит в изменении степени ионизации

функциональных групп фермента и субстрата. Различным значениям рН

соответствует разная третичная структура фермента. При значительном

отклонении рН от оптимальных значений ферменты становятся

неустойчивыми. Изменение рН может влиять на образование фермент-

субстратного комплекса, а также замедлять или ускорять высвобождение

продуктов реакции.

Другим фактором, регулирующим активность фермента в интактной

клетке является ингибирование. Различают прежде всего обратимое и

необратимое ингибирование. Необратимое ингибирование сопровождается

разрушением или модификацией одной или нескольких функциональных

групп фермента. Обратимое ингибирование подразделяется на конкурентное

и неконкурентное. Конкурентное ингибирование может быть ослаблено или

устранено путем увеличения концентрации субстрата, для ингибитора

характерно структурное сходство с субстратом, с которым они конкурируют

за активный центр фермента этого класса. В основе неконкурентного

ингибирования лежит обратимое взаимодействие ингибитора с какой- либо

группой молекулы фермента, существенной для активности фермента, но не

входящей в активный центр. Неконкурентное торможение может быть снято

только при химическом изменении ингибитора, в результате чего

ослабляется его связь с ферментом.

Своеобразными регуляторами активности ферментов являются

аллостерические эффекторы, которые могут действовать и как активаторы, и

как ингибиторы. По химической структуре они отличаются от субстрата и

присоединяются к ферменту в аллостерическом центре. Присоединяясь к

аллостерическому центру, эффектор изменяет третичную и четвертичную

структуру всего фермента таком образом, что нарушается положение

функциональных групп в каталитически активном центре, вследствие чего

увеличивается или уменьшается его способность связывать и

преобразовывать субстрат.

В интактной клетке многие ферменты работают, как правило,

одновременно, катализируя последовательные цепи реакций, в которых

продукт, полученный при участии первого фермента оказывается в роли

субстрата следующего фермента и т.д. По сложности молекулярной

организации мультиферментные системы можно разделить на 3 группы. В

простейших системах отдельные ферменты растворены в цитоплазме и

работают независимо друг от друга. Небольшие молекулы субстратов,

ТЕМА 4. ВИТАМИНЫ, ФЕРМЕНТЫ

4.2. Ферменты



Биохимия. Учеб. пособие

-56-

характеризующиеся высокой скоростью диффузии, очень быстро находят

дорогу от одного фермента к другому. Другие системы обладают более

высокой организацией. Отдельные ферменты, относящиеся к этим системам

могут ассоциировать друг с другом и функционировать совместно в форме

ферментных комплексов. К наиболее высокоорганизованным относятся

ферментные системы, связанные с крупными надмолекулярными

структурами, такими как мембрана и рибосома, например, дыхательная цепь.

Многие мультиферментные системы обладают способностью

автоматически поддерживать требуемую скорость суммарной реакции. В

большинстве таких систем конечный продукт последовательности реакций

оказывает ингибирующее действие на первый фермент, в результате чего

скорость всего процесса в целом определяется стационарной концентрацией

конечного продукта. Такой тип ингибирования называется ингибированием

по типу обратной связи. Фермент, регулирующийся конечным продуктом

называется регуляторным или аллостерическим, а ингибирующий продукт -

эффектором или модулятором.

Регуляторные ферменты имеют обычно более крупные и сложные

молекулы, чем ферменты, не наделенные регуляторными свойствами. В

настоящее время они подразделяются на 3 класса: 1) гомотропные, 2)

гетеротропные, 3) гомогетеротропные. Для гомотропных регуляторных

ферментов молекула субстрата служит не только субстратом, но и

модулятором, как правило, повышающим активность фермента при

повышении концентрации субстрата. Гетеротропные регуляторные

ферменты стимулируются или ингибируются присутствующими обычно в

среде специфическими эффекторами или модуляторами, которые не

являются субстратами. Гомогетеротропные – субстра

т является одним из

двух или нескольких модуляторов, регулирующих активность фермента.

Центр связывания регуляторного фермента не совпадает с активным

каталитическим центром. Регуляторные ферменты обычно состоят из

субъединиц , способных взаимодействовать друг с другом. Ряд ферментов

существует в виде нескольких форм – изоферментов, которые представляют

собой различные сочетания из двух или нескольких типов полипептидных

цепей. Считается, что изоферменты играют важную роль в регуляции

ферментативной активности, а также в процессах развития и

дифференцировки.

Названия многих ферментов образуются путем добавления суффикса -

аза к названию субстрата, то есть того соединения, на которое действует

фермент. Сахараза катализирует гидролиз сахарозы, амилаза катализирует

гидролиз амилозы и т.д., однако такая номенклатура часто оказывается

неоднозначной, в связи с чем широкое распространение получили

тривиальные (рабочие), не несущие химической информации и не

систематизирующие названия, такие как пепсин, трипсин и т.д. Учитывая все

ТЕМА 4. ВИТАМИНЫ, ФЕРМЕНТЫ

4.2. Ферменты



Биохимия. Учеб. пособие

-57-

обстоятельства, Международная комиссия по ферментам разработала новую

классификацию и номенклатуру. По этой классификации ферменты

подразделяются на 6 главных классов, каждый из которых в свою очередь

делится на подклассы и подподклассы.

Каждый фермент получает свой идентификационный номер (шифр) и

систематическое название, которое несет химическую информацию, т.е.

указывает природу химической реакции, катализируемой данным

ферментом. Систематические названия ферментов используются в тех

случаях, когда необходима точная идентификация фермента. Однако многие

систематические названия громоздки и в повседневной практике не

используются.

1. Оксидоредуктазы (окислительно-восстановительные реакции)

Осуществляют перенос атомов Н и О или электронов от одного

вещества к другому.

Дегидрогеназа катализирует окислительно-восстановительные реакции,

происходящие путем отнятия электронов и протонов от одного субстрата и

переноса их на другой:

АН + В → А + ВН

Оксидазы катализируют перенос водорода с субстрата на кислород:

АН

+1/2 О

→ А + Н

Гидроксилазы и оксигеназы ускоряют некоторые реакции

биологического окисления, протекающие с присоединением гидроксила или

кислорода к окисляемому веществу.

2. Трансферазы (перенос функциональных групп)

Ускоряют перенос определенной группы атомов от одного вещества к

другому.

АВ + С → А + ВС

Метилтрансферазы переносят метильную группу. Ацилтрансферазы –

кислотный остаток (ацил). Гликозилтрансферазы – моносахаридный остаток

(гликозил). Аминотрансферазы – аминную группу. Фосфотрансферазы –

остаток фосфорной кислоты (фосфорил).

3. Гидролазы (реакции гидролиза)

Ускоряют реакции гидролиза, при которых из субстрата образуются 2

продукта. К гидролазам относятся все пищеварительные ферменты.

АВ + Н

О→АОН + ВН

Эстеразы ускоряют гидролиз сложных эфиров (различных липидов) на

спирты и кислоты. Фосфатазы катализируют гидролитическое отщепление

фосфорной кислоты от нуклеотидов и фосфорных эфиров углеводов.

Глюкозидазы ускоряют гидролиз сложных углеводов. Пептидгидролазы

ускоряют гидролиз пептидных связей в белках и пептидах.

ТЕМА 4. ВИТАМИНЫ, ФЕРМЕНТЫ

4.2. Ферменты



Биохимия. Учеб. пособие

-58-

4. Лиазы

Ускоряют негидролитическое присоединение к субстрату или

отщепление от него группы атомов. При этом могут разрываться связи С – С,

С – N, C – O, C – S

5.Изомеразы (реакции изомеризации )

Внутримолекулярные перестройки

АВ → ВА

6. Лигазы ( образование связей за счет АТФ )

Катализируют реакции синтеза высокомолекулярных полимеров из

мономеров за счет энергии гидролиза АТФ:

X + Y + АТФ→ XY + AДФ + Фн



Биохимия. Учеб. пособие

-59-

Гормоны – это биологически активные вещества, синтезируемые

эндокринными железами, выделяемые ими в кровь или лимфу и

регулирующие внутриклеточный метаболизм. Гормональная регуляция

биологических процессов есть высшая форма гуморальной регуляции.

Гормоны обладают специфичностью и воздействуют только на те клетки-

мишени, которые обладают специальными рецепторами белковой или

липопротеиновой природы, реагирующими с данным гормоном.

Между нервной и эндокринной системами имеются тесные

взаимодействия. Главными центрами координации и интеграции функций

этих двух регуляторных систем являются гипоталамус и гипофиз.

Гипоталамус играет ведущую роль в сборе информации от других участков

головного мозга и от собственных кровеносных сосудов. Этот отдел

головного мозга способен регистрировать содержание метаболитов и

гормонов в крови. Информация с помощью либеринов (рилизинг-факторов,

освобождающих) и гормонов статинов (ингибирующих) передается из

гипоталамуса в гипофиз, где происходит стимуляция или торможение

высвобождения одного или нескольких тропных гормонов, которые здесь

синтезируются и хранятся. Тропные гормоны выводятся клетками гипофиза в

кровоток, разносятся с кровью по всему организму и действуют на

эндокринные железы. Такой каскадный механизм имеет большое значение,

так как благодаря ему, в эндокринной цепи во много раз усиливается

действие малых количеств исходного гормона.

По химической природе гормоны разделяют на пептидные, белковые,

стероидные и производные аминокислот. Функционально все гормоны

подразделяется на либерины, статины (гормоны гипоталамуса), тропные

гормоны (регулирующие деятельность эндокринных желез) и эффекторные

гормоны (оказывающие воздействие на клетки-мишени).

Известно более 50 различных биологически активных веществ,

образующихся в эндокринных железах и оказывающих воздействие на

разные стороны обмена веществ.

Гормоны регулируют метаболизм клеток-мишеней через изменение

активности ферментных систем, причем изменение активности

осуществляется тремя способами: 1) путем изменения индукции ферментов,

2) путем изменения проницаемости плазматических мембран и 3) путем

изменения количества ц-АМФ.

1. Стероидные гормоны обладают способностью проходить через

плазматическую мембрану в цитоплазму, где связываются со

ТЕМА 5. ГОРМОНЫ, БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ, КЛАССИФИКАЦИЯ, МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ

5.1. Механизм действия гормонов



Биохимия. Учеб. пособие

-60-

специфическими рецепторами. Образовавшийся активный комплекс

осуществляет контроль за функционированием генетического

аппарата клетки путем влияния на процессы считывания

информации с молекулы ДНК, транспорта информационного РНК из

ядра в цитоплазму, синтеза различных видов РНК, а также путем

влияния на процесс сборки белковых молекул в рибосомах.

Стероидные гормоны регулируют также и скорость распада белков.

Таким образом, стероидные гормоны определяют реальное

количество ферментного белка.

2. Изменяя проницаемость клеточных мембран, гормоны определяют

содержание в клетке активаторов, ингибиторов и субстратов,

регулируя таким образом активность ферментов.

3. Гормоны, не способные проходить через клеточные мембраны, связываются

со своими рецепторами на ее поверхности. Образовавшийся активный

комплекс активирует аденилатциклазу, осуществляющую реакцию

образования циклической АМФ (ц-АМФ). ц-АМФ изменяет активность ряда

внутриклеточных ферментов путем их фосфорилирования и таким образом

регулирует многие биохимические процессы: расщепление триглицеридов,

обмен гликогена, синтез белков и др.

Гомоны гипоталамуса являются относительно простыми по структуре

олигопептидами. К ним относятся кортиколиберин, тиролиберин,

люлилиберин, фоллиберин, соматолиберин, соматостатин, пролакстатин,

пролактолиберин, меланолиберин, меланостатин.

Гормоны гипофиза

Гипофиз синтезирует тропные и эффекторые гормоны.

Тропные гормоны:

1. АКТГ (адренокортикотропный гормон) – регулирует биосинтез и

секрецию гормонов коры надпочечников. По химической природе

является пептидом.

2. ТТГ (тиреотропный гормон) – регулирует биосинтез и секрецию

гормонов щитовидной железы. По химической природе является

гликопротеидом.

3. ФСГ (фолликулостимулирующий гормон), ЛГ (лютеинизирующий

гормон) – регулируют биосинтез и секрецию гормонов половых

желез. По химической природе являются гликопротеидами.

Эффекторные гормоны

1. АДГ (антидиуретический гормон, вазопрессин) – регулирует водный

обмен, уменьшает мочеотделение. По химической природе является

простым пептидом.