Ферменты

Введение:

Темы «Ферменты» и «Определение активности ферментов» мною выбрана не случайно, так как  в последнее время в качестве лекарственных средств стали широко применять препараты, оказывающие направленное влияние на ферментные процессы организма. Как известно в нашем организме действует много ферментов, которые способствуют осуществлению обменных процессов (дыхание, пищеварение, мышечное сокращение, фотосинтез), которые и определяют сам процесс жизни. Поэтому препараты стали широко применяться при лечении заболеваний, сопровождающихся гнойно-некротическими процессами, при тромбозах и тромбоэмболиях, нарушениях процессов пищеварения. Ферментные препараты стали находить также применение при лечении онкологических заболеваний.Ферменты играют немаловажную роль и в проведении многих технологических процессов. Ферменты высокого качества позволяют улучшить технологию, сократить затраты и даже получить новые продукты.

В настоящее время ферменты применяются более чем в 25 отраслях промышленности: это и пищевая промышленность, и фармацевтическая, целлюлозно-бумажная, лёгкая, а так же в сельском хозяйстве.Целью моего реферата является: подробное исследование понятий фермента и ферментативного катализа (биокатализа).

В этой связи мне стало интересно узнать историю появления первых ферментов, особенности строения, их свойства, классификацию, принцип действия, методы выделения ферментов.

Основные свойства ферментов. Олигодинамичность и обратимость действия ферментов. Влияние концентрации фермента и субстрата, температуры и рН среды на скорость ферментативной реакции.

Ферменты — биологические катализаторы белковой природы. Они ускоряют химические реакции и сами при этом не расходуются. Вещества, превращения которых катализируют ферменты, называются субстратами. Фермент, соединяясь с субстратом, образует фермент-субстратный комплекс. (рисунок 7.1).Образование этого комплекса способствует снижению энергетического барьера, который нужно преодолеть молекуле субстрата для                                    

3

вступления в реакцию (рисунок 7.2). По завершении реакции фермент-субстратный комплекс распадается на продукт (продукты) и фермент. Фермент по окончании реакции возвращается в своё исходное состояние и может взаимодействовать с новой молекулой субстрата. Для ферментов характерны свойства, присущие всем белкам. В частности, молекулы ферментов, как и других белков, построены из α-аминокислот, соединённых пептидными связями. Поэтому растворы ферментов дают положительную биуретовую реакцию, а их гидролизаты - положительную нингидриновую реакцию. Нативные свойства и функции ферментов определяются наличием определённой пространственной структуры (конформации) их полипептидной цепи. Изменение этой структуры в результате тепловой денатурации приводит к потере каталитических свойств. Наличие у ферментов высокой молекулярной массы обусловливает их неспособность к диализу, а присутствие в молекулах заряженных функциональных групп - подвижность в электрическом поле. Как и другие белки, ферменты образуют коллоидные растворы, из которых могут осаждаться ацетоном, спиртом, сульфатом аммония - веществами, способствующими разрушению гидратной оболочки и нейтрализации электрического заряда.

Белковая природа ферментов обусловливает появление у них ряда свойств, в целом нехарактерных для неорганических катализаторов: олигодинамичность, специфичность, зависимость скорости реакции от температуры, рН среды, концентрации фермента и субстрата, присутствия активаторов и ингибиторов.

Под олигодинамичностью ферментов понимают высокую эффективность

действия в очень малых количествах. Такая высокая эффективность объясняется тем, что молекулы ферментов в процессе своей каталитической деятельности непрерывно регенерируют. Типичная молекула фермента может регенерировать миллионы раз в минуту. Надо сказать, что и неорганические катализаторы также способны ускорять превращение такого количества веществ, которое во много раз превышает их собственную массу. Но ни один неорганический катализатор не может сравниться с ферментами по эффективности действия. Примером может служить фермент реннин, вырабатываемый слизистой оболочкой желудка жвачных животных. Одна молекула его за 10 минут при 37°С способна вызывать коагуляцию (створаживание) порядка миллиона молекул казеиногена молока.

4

Другой пример высокой эффективности ферментов даёт каталаза. Одна молекула этого фермента при 0°С расщепляет за секунду около 50 000 молекул пероксида водорода:

2 Н2О2  2 Н2О + О2

Действие каталазы на пероксид водорода заключается в изменении величины энергии активации этой реакции приблизительно от 75 кДж/моль без катализатора до 21 кДж/моль в присутствии фермента. Если же в качестве катализатора этой реакции используется коллоидная платина, то энергия активации составляет всего 50 кДж/моль. При изучении влияния какого-либо фактора на скорость ферментативной реакции все прочие факторы должны оставаться неизменными и по возможности иметь оптимальное значение. Мерой скорости ферментативных реакций служит количество субстрата, подвергшегося превращению в единицу времени, или количество образовавшегося продукта. Изменение скорости проводят на начальной стадии реакции, когда продукт ещё практически отсутствует, и обратная реакция не идёт. Кроме того, на начальной стадии реакции концентрация субстрата соответствует его исходному количеству.

1.Зависимость скорости ферментативной реакции (V) от концентрации фермента[Е](рисунок 7.3).При высокой концентрации субстрата (многократно превышающей концентрацию фермента) и при постоянстве других факторов скорость ферментативной реакции пропорциональна концентрации фермента. Поэтому зная скорость реакции, катализируемой ферментом, можно сделать вывод о его количестве в исследуемом материале.

2.Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата [S]. График зависимости имеет вид гиперболы (рисунок 7.4). При постоянной концентрации фермента скорость катализируемой реакции возрастает с увеличением концентрации субстрата до максимальной величины Vmax, после чего остаётся постоянной. Это следует объяснить тем, что при высоких концентрациях субстрата все активные центры молекул фермента оказываются связанными с молекулами субстрата. Любое избыточное количество субстрата может соединиться с ферментом лишь после того, как образуется продукт реакции и освободится активный центр.

3.Зависимость  скорости реакции от t – температуры, при которой протекает реакция (рисунок 7.5), имеет сложный характер. Значение температуры, при котором скорость реакции максимальна, представляет

5

собой температурный оптимум фермента.                                                                       

Температурный оптимум большинства ферментов организма человека приблизительно равен 40°С.  Для большинства ферментов оптимальная температура равна или выше той температуры, при которой находятся клетки. При более низких температурах (0° — 40°С) скорость реакции увеличивается с ростом температуры. При повышении температуры на 10°С скорость ферментативной реакции удваивается (температурный коэффициент Q10 равен 2). Повышение скорости реакции объясняется увеличением кинетической энергии молекул. При дальнейшем повышении температуры происходит разрыв связей, поддерживающих вторичную и третичную структуру фермента, то есть тепловая денатурация. Это сопровождается постепенной потерей каталитической активности.

4.Зависимость скорости реакции от рН среды (рисунок 7.6). При постоянной температуре фермент работает наиболее эффективно в узком интервале рН. Значение рН, при котором скорость реакции максимальна, представляет собой оптимум рН фермента. У большинства ферментов организма человека оптимум рН находится в пределах рН 6 – 8, но есть ферменты, которые активны при значениях рН, лежащих за пределами этого интервала (например, пепсин, наиболее активный при рН 1,5 - 2,5).Изменение рН как в кислую, так и в щелочную сторону от оптимума приводит к изменению степени ионизации кислых и основных групп аминокислот, входящих в состав фермента (например, СООН-группы аспартата и глутамата, NН2-группы лизина и т.д.). Это вызывает изменение конформации фермента, в результате чего изменяется пространственная структура активного центра и снижение его сродства к субстрату. Кроме того, при экстремальных значениях рН происходит денатурация фермента и его инактивация. Следует отметить, что свойственный ферменту оптимум рН не всегда совпадает с рН его непосредственного внутриклеточного окружения. Это позволяет предположить, что среда, в которой находится фермент, в какой-то мере регулирует его активность.

5. Зависимость скорости реакции от присутствия активаторов и ингибиторов. Активаторы повышают скорость ферментативной реакции. Ингибиторы понижают скорость ферментативной реакции.В качестве активаторов ферментов могут выступать неорганические ионы. Предполагают, что эти ионы заставляют молекулы фермента или субстрата принять конформацию, способствующую образованию фермент-

6

субстратного комплекса. Тем самым увеличивается вероятность взаимодействия фермента и субстрата, а следовательно и скорость реакции, катализируемой ферментом. Так, например, активность амилазы слюны повышается в присутствии хлорид-ионов.

Специфичность действия ферментов (абсолютная, относительная и стереохимическая). Важным свойством, отличающим ферменты от неорганических катализаторов, является специфичность действия. Как известно, структура активного центра фермента комплементарна структуре его субстрата. Поэтому фермент из всех имеющихся в клетке веществ выбирает и присоединяет только свой субстрат. Для ферментов характерна специфичность не только по отношению к субстрату, но и в отношении пути превращения субстрата. У ферментов различают абсолютную, относительную и стереохимическую специфичность.

Абсолютная специфичность – избирательная способность фермента катализировать только единственное из возможных превращений одного субстрата. Это можно объяснить конформационной и электростатической комплементарностью молекул субстрата и фермента.Например, фермент аргиназа катализирует только гидролиз аминокислоты аргинина, фермент уреаза – только расщепление мочевины и не действуют на другие субстраты.

Относительная специфичность – избирательная способность фермента катализировать однотипные превращения сходных по строению субстратов.Такие ферменты оказывают воздействие на одинаковые функциональные группы или на один и тот же тип связей в молекулах субстратов. Так, например, разные гидролитические ферменты действуют на определённый тип связей:

амилаза – на гликозидные связи;

пепсин и трипсин – на пептидные связи;

липаза и фосфолипаза – на сложноэфирные связи.

Действие этих ферментов распространяется на большое число субстратов, что позволяет организму обойтись малым количеством пищеварительных ферментов

7

Стереохимическая (оптическая) специфичность - избирательная способность фермента катализировать превращение только одного из возможных пространственных изомеров субстрата.Так, большинство ферментов млекопитающих катализирует превращение толькл L-изомеров аминокислот, но не D-изомеров. ферменты, участвующие в обмене моносахаридов, наоборот, катализируют превращение только D-, но не L-фосфосахаров. Гликозидазы специфичны не только к моносахаридному фрагменту, но и характеру гликозидной связи. Например, α-амилаза расщепляет α–1,4-гликозидные связи в молекуле крахмала, но не действует на α–1,2-гликозидные связи в молекуле сахарозы.тов - иначе их потребовалось бы намного больше.

Основные принципы, положенные в основу современной классификации и номенклатуры ферментов.

В настоящее время известно более двух тысяч химических реакций, катализируемых ферментами, и число это непрерывно возрастает. Чтобы ориентироваться в таком множестве превращений. возникла настоятельная необходимость в систематизированной классификации и номенклатуре, при помощи которой любой фермент можно было бы точно идентифицировать. Номенклатура, которой пользовались до середины XX века, была весьма далека от совершенства. Исследователи, открывая новый фермент, давали ему название по своему усмотрению, что неизбежно вело к путанице и всевозможным противоречиям. Некоторые названия оказались ошибочными, другие ничего не говорили о природе катализируемой реакции. Учёные разных школ часто употребляли разные названия для одного и того же фермента или, наоборот, одно и то же название для нескольких разных ферментов.Было решено разработать рациональную международную классификацию и номенклатуру ферментов, которой могли бы пользоваться биохимики всех стран. С этой целью при Международном союзе биохимии и молекулярной биологии (International Union of Biochemistry and Molecular Biology, IUВMB) была создана Комиссия по ферментам, предложившая в 1964 году основные принципы такой классификации и номенклатуры. Она постоянно совершенствуется и дополняется, в настоящее время действует уже шестая редакция этой номенклатуры (1992 год), к которой ежегодно выходят дополнения.В основу классификации положен важнейший признак, по которому один фермент отличается от другого — это катализируемая им

8

реакция. Число типов химических реакций сравнительно невелико, что позволило разделить все известные в настоящее время ферменты на 6 важнейших классов, в зависимости от типа катализируемой реакции. Такими классами являются:

оксидоредуктазы (окислительно-восстановительные реакции);

трансферазы (перенос функциональных групп);

гидролазы (реакции расщепления с участием воды);

лиазы (разрыв связей без участия воды);

изомеразы (изомерные превращения);

лигазы (синтез с затратой молекул АТФ).

 Ферменты каждого класса  делят на подклассы, руководствуясь  строением субстратов. В подклассы  объединяют ферменты, действующие  на сходно построенные субстраты. Подклассы разбивают на подподклассы, в которых ещё строже уточняют структуру химических групп, отличающих субстраты друг от друга. Внутри подподклассов перечисляют индивидуальные ферменты. Все подразделения классификации имеют свои номера. Таким образом, любой фермент получает свой уникальный кодовый номер, состоящий из четырёх чисел, разделённых точками. Первое число обозначает класс, второе - подкласс, третье - подподкласс, четвёртое - номер фермента в пределах подподкласса. Например, фермент α-амилаза, расщепляющая крахмал, обозначается как 3.2.1.1, где: