Модуль «Ферменты» Лекция 1 История развития энзимологии. Номенклатура, презентация

Модуль «Ферменты» Лекция 1 История развития энзимологии. Номенклатура, классификация, структура и функции ферментов.

Ферменты или энзимы (Е) – биокатализаторы, от латинского слова «fermentum» - закваска; от греческого «en zyme» – в дрожжах

В 1783 г. итальянский ученый Спаланцани, изучая переваривание мяса у хищных птиц, показал, что в организме есть катализаторы, расщепляющие мясо. Сделал вывод, что процессы в живой природе происходят при помощи специфических веществ.

В 1814 г. русский ученый, К. Кирхгоф впервые установил, что крахмал превращается в сахар под действием некоторых веществ, находящихся в вытяжке проросших зерен ячменя.

В 1833 г. французские химики А. Пайен и Ж. Пирсо выделили вещество, расщепляющее крахмал, которое они назвали диастаза (фермент амилаза)

Луи Пастер высказал предположение, что процессы брожения могут вызывать микроорганизмы и, следовательно, связаны лишь с их жизнедеятельностью.

Ю. Либих и К. Бернар отстаивали химическую природу брожения, считая, что брожение вызывают особые вещества, подобные диастазе (амилазе).

В 1837 г. шведский химик Й. Берцелиус показал, что ферменты – это катализаторы, поставляемые живыми клетками. Именно тогда появились термины «фермент» и «энзим»

В 1897 г. немецкие ученые Ганс и Эдвард Бухнеры показали, что дрожжевой бесклеточный сок способен Э. Бухнер сбраживать сахар с образованием спирта и СО2

После этого стало ясно, что в нем содержится смесь ферментов («зимаза»), которые функционируют как внутри, так и вне клеток

В 1926 г. американский биохимик Д. Самнер выделил из бобов канавалии фермент уреазу, катализирующий реакцию расщепления мочевины до NH3 и CO2

В 1930 г., норвежец Д. Нортроп выделил фермент пепсин, а затем трипсин и химотрипсин

С этого периода стало общепринятым утверждение, что все ферменты являются белками

Большинство ферментов белки Но есть ферменты небелковой природы. Н-р, рибозимы, состоящие из РНК. Есть ферменты, которые в первую очередь выполняют другие функции. Н-р, абзимы, являющиеся антителами.

В 1961 г. в Москве на 5-ом биохимическом конгрессе Международная комиссия по ферментам предложила рекомендации по номенклатуре и классификации ферментов

Номенклатура ферментов Каждый фермент имеет два названия: 1 – рабочее (короткое), 2 – систематическое (более полное), применяемое для однозначной идентификации ферментов

1 тип названия находится в зависимости от субстрата, на который действует фермент с добавлением суффикса «аза» Например, сахараза расщепляет сахарозу, лактаза – лактозу, мальтаза – мальтозу и т.д.

Некоторые ферменты имеют специфическое название: например, пепсин, трипсин и т.д.

2 тип включает в себя название субстрата + название реакции, катализируемой данным ферментом Например, лактатдегидрогеназа

Классификация ферментов Все ферменты разделены на 6 классов, каждый из которых имеет строго определенный номер. Классы делятся на подклассы, а те на подподклассы

Для каждого фермента существует специальный шифр, состоящий из 4-х цифр: 1 – номер класса, 2 – номер подкласса, 3 – номер подподкласса, 4 – порядковый номер фермента

Например: 1.1.1.1. – алкогольдегидрогеназа (АДГ) 1.1.1.27 – лактатдегидрогеназа (ЛДГ)

Классы ферментов: I. Оксидоредуктазы II. Трансферазы III. Гидролазы IV. Лиазы V. Изомеразы VI. Лигазы (синтетазы)

I. Оксидоредуктазы Катализируют окислительно-восстановительные реакции с участием двух субстратов (перенос электронов или атомов водорода с одного субстрата на другой)

В классе 17 подклассов. Например: 1. Дегидрогеназы Сюда входят ферменты, катализирующие реакции дегидрирования (отщепления водорода). В качестве акцепторов водорода используются коферменты: НАД+, НАДФ+, ФАД, ФМН

Пример реакции:

2. Оксидазы Акцептором ē служит молекулярный кислород. Пример реакции: О2 + 4 Н+ + 4 е → 2 Н2О цитохромоксидаза

3. Оксигеназы (гидроксилазы) Атом кислорода из молекулы кислорода присоединяется к субстрату

Пример реакции:

II. Трансферазы Катализируют перенос функциональных групп от одного соединения к другому. В зависимости от переносимой группы: аминотрансферазы, ацилтрансферазы, метилтрансферазы, гликозилтрансферазы, киназы (фосфотрансферазы)

Пример реакции:

III. Гидролазы Катализилируют реакции гидролиза (расщепление ковалентных связей с присоединением молекулы воды по месту разрыва). Например: протеаза, липаза, фосфолипаза, рибонуклеаза

Например:

IV. Лиазы Катализируют отщепление от субстратов определенные группы (СО2, Н2О, NH2, SH2 и др.) без участия воды или присоединение по двойной связи молекулы воды

Примеры реакций:

V. Изомеразы Катализируют р-ции изомеризации Например:

VI. Лигазы (синтетазы) Катализируют реакции синтеза различных веществ при участии АТФ

Например:

Структура ферментов Простые ферменты состоят только из белка (пепсин, трипсин, папаин, рибонуклеаза, фосфатаза, уреаза и др.) Сложные ферменты - из белковой части (апофермента) и небелковой (кофактора): низкомолекулярной органической части и/или иона металла

Если константа диссоциации (Kd) комплекса «белок-кофактор» очень мала и обе части не разделяются при выделении и очистке, то такой фермент называется холофермент, а кофактор простетической группой

Другие термины небелковой части: Кофермент (коэнзим) - часть некоторых ферментов, которая легко отделяется от белковой части фермента и удаляется через полупроницаемую мембрану при диализе. Кофермент должен быть непосредственно вовлечен в реакцию катализа.

Коферменты: производные витаминов; гемы, входящие в состав цитохромов, каталазы, пероксидазы, гуанилатциклазы, NO-синтазы; нуклеотиды – доноры и акцепторы остатка фосфорной кислоты;

Убихинон (кофермент Q), участвующий в переносе ē и Н+ в дыхательной цепи; Фосфоаденозилфосфосульфат (ФАФС), участвующий в переносе сульфата; S-аденозилметионин (SAM) – донор метильной группы; глутатион, участвующий в ОВР

Активный центр фермента (А) А – участок ответственный за присоединение субстрата (S) и его химическое превращение. В нем выделяют 2 центра

1. Каталитический центр – участок, непосредственно вступающий в химическое взаимодействие с субстратом (S) 2. Связывающий центр (якорная или контактная площадка) – участок обеспечивающий связывание E с S

Простой фермент: 1-каталитический участок, 2 - контактный

Сложный фермент: 1-каталитический участок, 2 – контактный, 3 - кофермент

Аллостерический (регуляторный) фермент: R - аллостерический (регуляторный) центр

В активном центре обычно 12-16 аминокислотных остатков АМК А находятся в различных местах полипептидной цепи, нередко на противоположных концах При пространственной укладке они сближаются и образуют А

У сложных ферментов главную роль контактных и каталитических центров активного центра играет кофермент

А может содержать различные функциональные группы: NH2 (лизина, гуанидиновых групп аргинина, концевых аминокислот), COOH (дикарбоновых и концевых аминокислот), OH (серина и треонина), SH (цистеина),

имидазольные гистидина, тиоэфирные метионина, фенольные группы тирозина, гидрофобные цепи алифатических аминокислот, ароматическое кольцо фенилаланина

Взаимодействие субстрата с активным центром фермента

Свойства ферментов. Общность и отличия их от неорганических катализаторов

Сходство с неорганическими катализаторами : Повышают скорость химической реакции, но не являются их инициаторами и не участвуют в образовании конечных продуктов (Р) Не сдвигают равновесие химической реакции, ускоряют момент наступления равновесия Снижают энергию активации

Отличия: Ферменты обладают намного большей активностью Неорганические катализаторы активны в очень жестких условиях (высокие t, давление, присутствие кислот, щелочей), а ферменты - в мягких условиях (t тела, атмосферное давление, нейтральное значение pH)

Ферменты обладают специфичностью, т.е. способностью катализировать строго определенные реакции, в которые вовлечены только субстраты, взаимодействующие с активным центром данного фермента

Виды специфичности Абсолютная (индивидуальная) – когда фермент действует только на единственный субстрат

Групповая (относительная) – когда фермент действует на группу субстратов или на один вид связи. Например, пепсин действует только на пептидную связь в различных белках.

Стереохимическая – когда фермент действует только на один из изомеров. Самая высокая специфичность

Выделяют: Стереоспецифичность к одному из оптических стереоизомеров: - к D-сахарам - к L-аминокислотам

Например:

Стереоспецифичность к одному из геометрических стереоизомеров: - к цис-транс-изомерам - к α- и β-гликозидным связям (например, фермент амилаза действует только на α-гликозидные связи).

Пример стереоспецифичности к транс-изомеру

Различают две основные теории специфичности ферментов: «жесткого соответствия» «индуцированного соответствия»

1-ая теория предложена Э. Фишером предусматривает наличие абсолютного совпадения А и S («ключ-замок»): S является как бы «ключом», соответствующим «замку» – А

2-ую теорию предложил Кошленд По данной теории молекула фермента является гибкой, конформация фермента и активного центра могут изменяться при присоединении субстрата, т.е. взаимодействие происходит как бы «перчатка на руке»