Учебное пособие для студентов заочной формы обучения 6 страница

При проведении производственных процессов можно путем соблюдения требуемого рН снизить активность нежелательных для процесса ферментов и повысить активность полезных ферментов.

 

4.6.7 Влияние на каталитическую активность ферментов ингибиторов и активаторов

Скорость ферментативной реакции (равно активность ферментов) определяется присутствием в среде ингибиторов и активаторов, среди которых могут быть как посторонние для организма вещества, так и природные продукты обмена.

И н г и б и т о р а м и называют вещества, вызывающие частичное или полное торможение химических реакций, включая и ферментативные.

Ферменты теряют каталитическую активность при воздействии различных факторов, вызывающих денатурацию (нагревание, кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов и др.). Подобное разрушение фермента не рассматривается как ингибирование, так как оно не связано с механизмом действия фермента. Ингибиторы действуют на скорость реакции определенным химическим путем.

Механизм действия ингибиторов может быть самым разнообразным, но в общей форме можно сказать, что ингибитор вступает в соединение с ферментом, образуя соединение фермент-ингибитор.

Различают о б р а т и м о е и н е о б р а т и м о е ингибирование фермента. При обратимом ингибировании активность фермента восстанавливается по мере удаления свободного ингибитора диализом или иным способом, т.е. при обратимом ингибировании существует равновесие между свободным ингибитором и ферментом. При необратимом ингибировании равновесие между свободным ингибитором и ферментом не устанавливается и активность фермента не удается восстановить диализом. Напротив, если ингибитор присутствует в избытке по сравнению с ферментом, то со временем наступает полное торможение активности фермента.

Обратимое ингибирование ферментативных реакций бывает к о н к у р е н т н ы м и н е к о н к у р е н т н ы м.

Конкурентное ингибирование может быть вызвано веществами, похожими по своей структуре на субстрат. Эти вещества, конкурируя с субстратом, соединяются с активным центром фермента, но не подвергаются ферментативному превращению и новые продукты из них не образуются. В связи с тем, что часть фермента при конкурентном ингибировании расходуется на образование комплеса фермент-ингибитор, скорость ферментативной реакции снижается. Конкурентное ингибирование обратимо, так как при увеличении концентрации субстрата скорость реакции возрастает.

Неконкурентное ингибирование вызывают вещества, не имеющие структурного сходства с субстратом. Причем эти вещества обратимо присоединяются к ферменту не в активном центре, где обычно связывается субстрат, а совсем в другом месте и, следовательно, конкуренция между субстратом и ингибитором отсутствует. Связываясь с ферментом, неконкурентные ингибиторы вызывают изменение пространственной структуры активного центра, и, хотя присоединение субстрата к такому активному центру происходит, тем не менее катализ становится невозможным. Неконкурентные ингибиторы связываются обратимо как со свободным ферментом, так и с фермент-субстратным комплексом, образуя неактивные фермент-ингибитор (ЕJ) и (или) фермент-субстрат-ингибитор (ESJ).

Наряду с инигибиторами существует целый ряд активаторов ферментов. А к т и в а т о р а м и называют вещества, увеличивающие каталитическую активность ферментов. Среди активаторов встречаются самые разнообразные вещества. Особенно часто роль активаторов ферментов выполняют ионы металлов: калия, кальция, магния, цинка, меди, железа, марганца, кобальта, а из анионов - хлора. Для проявления максимальной активности ферментов требуется определнная концентрация ионов-активаторов в среде.

Усиление активности ферментов под действием ионов металлов объясняется тем, что в одних случаях ионы металлов выполняют роль кофактора, в других - облегчают образование фермент-субстратного комплекса, в третьих - способствуют прсоединеию кофермента к апоферменту, в четвертых обеспечивают становление четвертичной структуры фермента или же действуют иными путями.

Мощное действие на ферменты оказывают вещества, присоединяющиеся к ним в особых участках, удаленных от активного центра, называемых а л л о с т е р и ч е с к и м ц е н т р о м. Эти вещества влияют на активность фермента, вызывая обратимое изменение в структуре его активного центра. Называют такие вещества а л л о с т е р и ч е с к и м и э ф ф е к т о р а м и. Если эти эффекторы увеличивают сродство фермента к субстрату, то их называют а л л о с т е р и ч е с к и м и активаторами, если уменьшают - а л л о с т е р и ч е с к и м и ингибиторами. Ферменты, активность которых регулируется аллостерическими активаторами или ингибиторами называют а л л о с т е р и ч е с к и м и. Большинство аллостерических ферментов представляют собой белки-олигомеры.

Аллостерические ферменты имеют важное значение в регуляции ферментативных процессов в клетке. Это связано с тем, что эффекторами могут быть различные промежуточные продукты обмена веществ, называемые м е т а б о л и т а м и. В частности, установлено, что конечный, а иногда и промежуточный продукт многостадийного процесса распада или биосинтеза может служить аллостерическим ингибитором одной из первых его реакций.

 

4.7 Номенклатура и классификаия ферментов

В настоящее время известно более 2400 ферментов. Каждый фермент, как правило, имеет две номенклатуры; одна из них рабочая (тривиальная), а другая - систематическая.

Рабочее наименоваие фермента составляют путем прибавления к корню слова латинского, греческого или химического названия субстрата, на который действует фермент, или к названию процесса, катализируемого данным ферментоа окончания “-аза”. Вещество, имеющее это окончание, принимают за фермент. Ферменты, действующие на крахмал (amylum), сахарозу, мочевину (urea), пептиды получили соответственно названия: амилаза, сахараза, уреаза,пептидаза; ферменты, катализирующие процессы гидролиза называют гидролазами, процессы окисления - оксидазами, перенос групп - трнсферазами и т.д. Для некоторых ферментов сохранены названия, неподчиняющиеся этому правилу: пепсин, трипсин, химотрипсин папин и др.

В названии ряда ферментов указывают как характер субстрата, так и тип катализируемой реакции. Фермент, катализирующий отнятие водорода от спирта, называют алкогольдегирогеназа.

Рабочим названием ферментов пользуются в повседневной практике.

В 1961 г. Международная комиссия по ферментам, созданная в 1956 г., предложила новую схему номенклатуры и классификации ферментов, которая была принята Международным биохимическим союзом. Согласно этой схемы каждый фермент имеет как рекомендуемое (рабочее) название, так и систематическое название, которое составляется в определенном порядке и подчеркивает тип катализируемой реакции (см. классы ферментов).

В принятой классификации все ферменты на основании катализируемых реакций разделены на шесть классов, расположенных в следующем порядке: 1) оксидоредуктазы, 2) трансферазы, 3) гидролазы, 4) лиазы, 5) изомеразы, 6) лигазы (синтетазы). Каждый класс подразделяется на подклассы, а каждый подкласс - на подподклассы. Индивидуальный фермент имеет кодовое число (шифр) со стоящими перед ним буквами КФ (англ. ЕС). Шифр каждого фермента содержит четыре числа, разделенных точками. Первое число указывает к какому из шести классов принадлежит данный фермент. Второе число обозначает подкласс. Третье число обозначает подподкласс, а четвертое - порядковый номер фермента в данном подподклассе. Например, фермент КФ.1.1.1.1 имеет рекомендуемое (рабочее) название алкогольдегидрогеназа, систематическое название алкоголь:НАД оксидоредуктаза. Этот фермент относится к классу оксидоредуктаз (1), действует на СН-ОН группу доноров (1.1), акцептором водорода служит НАД (1.1.1); четвертая цифра шифра - порядковый номер фермента в пределах подподкласса.

Систематическое название и шифр фермента используют в научных публикациях при первом упоминании о нем; при дальнейшем изложении материала пользуются рекомендуемым (рабочим) названием.

 

4.8 Классы ферментов и их отдельные представители

4.8.1.Оксидоредуктазы(1)

К классу оксидоредуктаз принадлежат все ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Субстрат, подвергающийся окислению рассматривается как донор водорода. Систематическое назва-ние составляется по типу “донор:акцептор оксидоредуктаза”. Термины “донор” и “акцептор” введены потому, что происходит реакция переноса двух восстановительных эквивалентов в той или иной форме (атомов водо-рода, электронов, гидрид-ионов и т.д.) от одного субстрата (окисляемого) к другому (восстанавливаемому).

В зависимости от природы окисляемых групп в молекуле донора оксидоредуктазы разделили на 19 подклассов. Деление на подподклассы произведено в зависимости от природы акцепторов, которыми могут быть кофермент (НАД или НАДФ), цитохром, молекулярный кислород и т.д.

Рекомендуемое название включает следующие термины. Оксидоредуктазы всех подподклассов, для которых акцептором водорода служит любое соединение, но не кислород, называют дегидрогеназами, а в случаях, когда донор водорода точно не установлен, используют термин редуктаза. Если акцептором служит кислород, то ферменты, катализирующие перенос водорода на него, называют оксидазами. Реакции прямого включения кислорода в молекулу органического субстрата катализируют оксигеназы; при этом происходит включение либо двух атомов кислорода (диоксигеназы), либо одного атома кислорода (монооксигеназы). Термин пероксидаза относится к ферментам, использующим в качестве окислителя пероксид водорода.

Многие дегидрогеназы в качестве акцептора водорода используют коферменты НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), содержащие в своих молекулах производ-ное пиридина - никотинамид. В связи с чем эти ферменты получили название пиридиновых (пиридинзависимых) дегидрогеназ, или пиридин-протеинов. Приводим структурную формулу окисленной формы НАД и НАДФ (обозн. НАД⁺ и НАДФ⁺).

 

O Никотинамид Аденин NH₂

ú ç ê

C-NH₂ N N

O O

+ ÷ ç ÷ ç N

N O H₂C¾O ¾ P ¾ O ¾ P¾ O ¾ CH₂ O N

½ ½

H H H H ОН ОН H H H H

OH OH OH OR

R = Н (в НАД⁺) и РО(ОН₂) (в НАДФ⁺).

Пиридиновые дегидрогеназы отнимают от своих субстратов по два водородных атома. Один из них в виде гидрид-иона (Н^-) присоединяется непосредственно к пиридиновому кольцу НАД⁺ или НАДФ⁺, а второй в виде Н⁺-иона переходит в среду:

O H H O

СН ú ç C ú ê

Н C-NH₂ C -NH₂

Субстрат + Субстрат + + H⁺

Н + (окисленный)

N N

½ ½

R R

(Восстановленная форма нуклеотидных коферментов обозначается НАД·Н + Н⁺ (сокр. НАД·Н) и НАДФ·Н+Н⁺ (сокр. НАДФ·Н).

В общем виде реакции, катализируемые пиридиновыми дегидро-геназами, можно записать следующим образом:

Н НАД⁺ НАД·Н+Н⁺

Субстрат + Субстрат +

Н (НАДФ⁺) (окисленный) (НАДФ·Н+Н⁺)

При каталитическом участии фермента трансгидрогеназы НАД·Н и НАДФ⁺, равно как НАДФ·Н и НАД⁺, могут обмениваться атомами водорода:

НАДФ·Н + НАД⁺ НАДФ⁺ + НАД·Н

Установлено, что большая часть пиридиновых дегидрогеназ функционирует только с коферментом НАД, меньшая - только с НАДФ и сравнительно небольшая группа - как с НАД, так и с НАДФ.

Считается, что восстановительные эквиваленты от НАД·Н расходуются для запаса энергии в виде АТФ, а от НАДФ·Н для восстановительных этапов процессов биосинтеза.

Пиридиновые дегидрогеназы называют анаэробными, т.к. они передают отнятый от субстрата водород любому соединению, но не кислороду.

Наряду с пиридиновыми дегидрогеназами в окислительно-восстановительных реакциях участвуют флавиновые (флавинзависимые) дегидрогеназы, или флавопротеины. Такое название эти ферменты получили в связи с тем, что в качестве простетической группы (прочно связанного с белковой частью кофермента) содержат флавинмононуклеотид (ФМН) или флавинадениндинуклеотид (ФАД):

 

O О

÷ï ÷ï NH₂

СН₂ ¾(СНОН)¾СН₂ ¾ О¾Р ¾ О¾ Р¾ОН ê

ô ï ½ N N

N N OH О

H₃C- =O ½ N

NH CH₂ O N

H₃C- N

֕ H H H H

O

OH OН

Рибофлавин

ФМН (окисленный) АМФ

 

ФАД (окисленный)

 

Большинство флавиновых дегидрогеназ содержит в своем составе ФАД.

Катализ окислительно-восстановительных реакций флавиновыми дегидрогеназами обусловлен последовательным окислением и восстановлением изоаллоксазинового кольца рибофлавина:

R R H

½ ½ ½

N N N N

H₃C = O + 2H H₃C =O

H₃C NH H₃C NH