Значение и специфичность действия ферментов

 

Ферменты, или энзимы, представляют собой высокоспециализированный класс веществ белковой природы, используемых живыми организмами для осуществления многих тысяч взаимосвязанных химических реакций, включая синтез, распад и взаимопревращение веществ. В настоящее время получены неопровержимые докозательства белковой природы ферментов:

1) Все ферменты действуют в мягких условиях: постоянная температура, постоянная рН, постоянная ионная сила, оптимальное соотношение субстратов, продуктов, модуляторов.

2) Все ферменты являются ВМС и образуют растворы, которые обладают буферными свойствами.

3) Способны к денатурации (необратимой) под воздействием тех же факторов, которые вызывают денатурацию белка. При этом ферменты полностью инактивируются.

4) При гидролизе распадаются на аминокислоты.

5) Обладают эффектом защиты (связывают ионы тяжёлых металлов).

6) Ферменты, как и белки, обладают антигенной активностью и при парентеральном введении стимулируют образование антител.

7) Имеют заряд, обладают электрофоретической подвижностью и амфотерными свойствами.

8) Не способны к диализу через клеточные мембраны.

9) Легко осаждаются из водных растворов методом фильтрования.

СПЕЦИФИЧНОСТЬДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ.

Высокая специфичность фермента обусловлена электростатической комплементарностью и уникальной структурой фермента, которое обеспечивает узнавание веществ. Имеются доказательства существования стереохимической специфичности, обусловленной существованием оптически изомерных L - и D – форм или геометрических (цис – и транс -) изомеров.

Так известны оксидазы L - и D – форм. Если какое-либо соединение существует в форме цис- и транс - изомеров, то для каждой из этих форм существует свой фермент. Например, фумараза катализирует превращение только фумаровой кислоты (транс-), но не действует на цис- изомер – малеиновую кислоту.

СТРОЕНИЕ ФЕРМЕНТА.

Ферменты, как и белки, делятся на 2 группы: простые и сложные. Простые целиком и полностью состоят из аминокислот и при гидролизе образуют исключительно аминокислоты. Их пространственная организация ограничена третичной структурой. Это в основом ферменты ЖКТ: пепсин, трипсин, лизацим, фосфатаза. Сложные ферменты кроме белковой части содержат и небелковые компоненты. Эти небелковые компоненты отличаются по прочности связывания с белковой частью (аллоферментом). Если константа диссоциации сложного фермента настолько мала, что в растворе все полипептидные цепи оказываются связанными со своими небелковыми компонентами и не разделяются при выделении и очистке, то небелковый компонент называется простетической группой и рассматривается как интегральная часть молекулы фермента.

Под коферментом понимают дополнительную группу, легко отделяющуюся от аллофермента при диссоциации. Между аллоферментом и простейшей группой существует ковалентная связь, довольно сложная. Между аллофермнтом и коферментом существует нековалентная связь (водородные или электростатические взаимодействия). Типичными представителями коферментов являются:

В₁ - тиамин; пирофосфат (он содержит В)

В₂ - рибофлавин; ФАД, ФНК

РР - НАД, НАДФ

Н – биотин; биозитин

В₆ - пиридоксин; пиридоксальфосфат

Пантотеновая кислота: коэнзим А

 

Многие двухвалентные металлы (Cu, Fe, Mn, Mg) тоже выполняют роль кофакторов, хотя и не относятся ни к коферментам, ни к простетическим группам. Металлы входят в состав активного центра или стабилизируют оптимальный вариант сруктуры активного центра.

МЕТАЛЛЫ ФЕРМЕНТЫ

Fe,Fe гемоглобин, каталаза, пероксидаза

Cu,Cu цитохромоксидаза

Zn ДНК – полимераза, дегидрогеназа

Mg гексокиназа

Mn аргиназа

Ni уреаза

Se глутатионредуктаза

 

Кофакторную функцию могут выполнять также АТФ, молочная кислота, т – РНК. Следует отметить одну отличительную особенность двухкомпонентных ферментов, заключающуюся в том, что ни кофактор (кофермент или простетическая группа), ни аллофермент в отдельности каталитической активности не проявляют, и только их объединение в единое целое, протекающее в соответствии с программой их трёхмерной организации, обеспечивает быстрое протекание химических реакций.

флавин, к атомам азота которого могут присоединятся 2 атома водорода.

 

АКТИВНЫЙ ЦЕНТР.

 

Активный (субстратный) центр – зто совокупность функциональных групп, расположенных в разных участках полипептидной цепи, но близко структурно и функционально ориентированных (в процессе укладки третичной структуры) и имеющих прямое отношение к катализу. Этот центр состоит из функциональных групп и радикалов: SH – (цистеин), - ОН (серин), - СООН (аспарагин), имидазольное кольцо гистидина и фенилаланина.

Активный центр включает в себя:

1) каталитический участок или центр, непосредственно взаимодействующий с субстратом, осуществляющий катализ;

2) контактная площадка, осуществляющая специфическое сродство фермента к субстрату и является местом фиксации субстрата к поверхности фермента;

3) включительные участки – карман, ложбинки.

Предполагается, что формирование активного центра фермента начинается уже на ранних этапах синтеза белка-фермента на рибосомах, когда линейная однотипная структура полипептидной цепи превращается в трёхмерное тело строго определённой конфигурации, точнее активный центр формируется из функциональ – ных групп различных аминокислот.

У олигомерных ферментов (имеющих четвертичную структуру) имеются центры аллостерическойрегуляции – это участки связывания фермента с низким молекулярным веществом (эффектором или модификатором), имеющим иную, чем субстраты или продукт, структуру (АТФ, АДФ, НАД, промежуточные метаболиты.

Р

 

Каталитический центр

Р

Присоединение эффектора к аллостерическому центру приводит к изменению третичной структуры и соответственно конфигурации активного центра, вызывая снижение или повышение энзиматической активности. В связи с этим существует и два пространственно удалённых аллостерических центра: активации и ингибирования. Ферменты, активность которых контролируется состоянием как активного, так и аллостерического центров, называются аллостерическими ферментами.