Классификация ферментов. Особенности строения и свойств ферментов

1.

Ферменты.
Классификация ферментов.
Особенности строения и
свойств ферментов.

2.

ФЕРМЕНТЫ
(от лат. fermentum — брожение,
закваска) – это энзимы,
специфические белки,
увеличивающие скорость
протекания химических реакций в
клетках всех живых организмов.
Наука о ферментах называется
энзимологией.

3.

История изучения
Термин «фермент»
был предложен в XVII
веке химиком ван
Гельмонтом при
обсуждении
механизмов
пищеварения.

4.

История изучения
В XIX в. Луи Пастер, изучая
превращение углеводов в этил
овый спирт под
действием дрожжей, пришёл к
выводу, что этот процесс
(брожение) катализируется
некой жизненной силой
(ферментом), находящейся в
дрожжевых клетках, причём
он считал, что эти «силы»
неотделимы от структуры
живой клетки дрожжей.

5.

История изучения
В середине 19 в. разгорелась дискуссия о природе брожения.
Луи Пастер считал, что Юстас Либих и его
брожение вызывается сторонники, отстаивая
химическую природу
лишь живыми
микроорганизмами и
брожения, считали, что оно
что процесс брожения является следствием
неразрывно связан с их образования в клетках
жизнедеятельностью.
микроорганизмов
растворимых ферментов.

6.

История изучения
Дискуссия Либиха и Пастера о природе
брожения была разрешена в 1897
Эдуардом Бухнером, который, растирая
дрожжи с инфузорной землёй, выделил
из них бесклеточный растворимый
ферментный препарат (зимазу),
вызывавший спиртовое брожение. В
1907 г. Бухнеру была присуждена
Нобелевская премия по химии «за
проведенную им научноисследовательскую работу по
биологической химии и открытие
внеклеточной ферментации».
В течение последующих 10 лет было выделено ещё несколько
ферментов, и белковая природа ферментов была окончательно
доказана.

7.

История изучения
Впервые ферменты выделили в кристалитической
форме в 1926 году Джеймс Бетчеллер Самнер и Джон
Говард Нортроп.
В 1946 году им была присуждена Нобелевская премия.
Джеймс Бетчеллер Самнер
Джон Говард Нортроп.

8.

Классификация ферментов
1. В 1961 году предложена комиссией международного
биохимического союза систематическая
номенклатура ферментов. Ферменты подразделили
на 6 групп в соответствии с типом реакции, которую
они катализируют.
2. Рабочее название складывалось из названия
субстрата, типа каталитической реакции и
окончания –аза.
3. Пример:
лактат+дегидрогенизация+аза=лактатдегидрогеназа
4. Известным ферментам оставлены прежние
названия пепсин, трипсин.

9.

Классификация ферментов
1 класс – Оксидоредуктазы
2 класс – Трансферазы
3 класс – Гидролазы
4 класс – Лиазы
5 класс – Изомеразы
6 класс – Лигазы (Синтетазы)

10.

Классификация ферментов
Классы
ферментов
Катализируемая реакция
Примеры ферментов или
их групп
Оксидоредуктазы
Перенос атомов водорода или
электронов от одного вещества к
другому.
Дегидрогеназа, оксидаза
Трансферазы
Перенос определенной группы атомов метильной, ацильной, фосфатной или
аминогруппы-одного вещества к
другому
Трансаминаза, киназа
Гидролазы
Реакции гидролиза
Липаза, амилаза, пептидаза
Лиазы
Негидролитическое присоединение к
субстрату или отщепление от него
группы атомов. При этом могут
разрываться связи С-С, C-N, C-O
или C-S
Декарбоксилаза, фумараза,
альдолаза
Изомеразы
Лигазы
Внутримолекулярная перестройка
Соединение двух молекул в результате
образования новых связей, сопряженное
с распадом АТФ
Изомераза, мутаза
Синтетаза

11.

Получение ферментов.
Обычно ферменты выделяют из
тканей животных, растений, клеток
и культуральных жидкостей
микроорганизмов, биологических
жидкостей (кровь, лимфа и др.).
Для получения некоторых
труднодоступных ферментов
используются методы генетической
инженерии.

12.

Строение ферментов
Ферменты
Простые протеины
Сложные протеиды
Белковая часть носит
название –
апофермент
Белковая часть носит
название –
апофермент
небелковая часть или
простетическая
группа - кофермент

13.

Строение ферментов
Коферменты можно рассматривать как составную
часть молекулы фермента. Это органические
вещества, среди которых различают: нуклеотиды
(АТФ, УМФ, и пр), витамины или их производные
(ТДФ – из тиамина (В1), ФМН – из рибофлавина
(В2), коэнзим А – из пантотеновой кислоты (В3), НАД
и пр) и тетрапиррольные коферменты – гемы.
Функции простетической группы следующие: участие
в акте катализа, осуществление контакта между
ферментом и субстратом, стабилизация молекулы
фермента в пространстве.

14.

Строение ферментов
Ферменты имеют 2 центра:
Активный центр и Аллостерический центр.
Активный центр (АЦФ) – это относительно
небольшой участок, расположенный на поверхности молекулы
фермента, который непосредственно участвует в катализе.
Состоит из уникального сочетания аминокислотных остатков,
обеспечивает связь с субстратом и его дальнейшее превращение.
В АЦФ различают:
Субстратсвязывающий центр – участок, который отвечает за
комплиментарное связывание субстрата и образование фермент –
субстратного комплекса.
Каталитический центр – непосредственно участвуют в
химические реакции с субстратом.

15.

Строение ферментов
Аллостерический центр - комбинация
аминокислотных остатков на поверхности фермента, с
которым связываются низкомолекулярные соединения
(эффекторы), молекулы которых отличаются от
субстратов.
Присоединение эффектора изменяет третичную
структуру и соответственно и конфигурацию АЦФ,
вызывая тем самым снижение (ингибиторы) или
повышение (активаторы) активности.
Ферменты, которые подвергались воздействию
эффекторов называются аллостерическими.

16.

Строение ферментов
Вещество, химическое превращение которого катализируется
ферментом носит название субстрат

17.

Принцип действия ферментов
Фермент и субстрат должны подходить
друг к другу «как ключ к замку»
Субстрат- вещество
на которое действует
фермент

18.

Образование комплекса фермент - субстрат

19.

Теории о механизмах
действия ферментов
Теории о специфичности
действия ферментов
1. Модель «ключ – замок»
Для объяснения высокой специфичности ферментов
по отношению к субстратам Эмиль Фишер в 1894г
выдвинул гипотезу о строгом соответствии
геометрической формы субстрата и активного центра
фермента.
+
E+S
ES
E
Р1
+
Р2

20.

2. Теория «индуцированного соответствия»
S
A
B
E
A
B
C
C
Существует не только
геометрическое, но и
электростатическое
соответствие
ES
Теория индуцированного (вынужденного)
соответствия Дениеля Кошланда (1959г): полное
соответствие фермента и субстрата наступает лишь в
процессе их взаимодействия: Субстрат индуцирует
необходимые конформационные изменения
фермента, после чего они соеденяются.
Теория основана на данных кинетического анализа,
изучением фермент-субстратных комплексов
методами ренгено-структурного анализа,
спектрографии и кристаллографии и др.

21.

3. Теория «индуцированного соответствия»
(современные представления)
S
A
B
A
C
B
C
E
ES
При взаимодействии фермента и субстрата оба
подвергаются модификации и подстраиваются друг под
друга. Возникающие в субстрате изменения способствуют
превращению его в продукт.

22.

P
Теория переходных состояний
(промежуточных соединений)
S
E
ES
ES*
EP*
E
при взаимодействии фермента E с субстратом S образует
комплекс ES*, в котором реакционная способность
субстрата выше, чем в нативном состоянии. Через ряд
промежуточных соединений происходит превращение
субстрата в продукт реакции Р

23.

Механизм действия ферментов
Акт катализа складывается из трех последовательных этапов.
1.
Образование фермент-субстратного комплекса при взаимодействии через
активный центр.
2.
Связывание субстрата происходит в нескольких точках активного центра, что
приводит к изменению структуры субстрата, его деформации за счет изменения энергии
связей в молекуле. Это вторая стадия и называется она активацией субстрата. При
этом происходит определенная химическая модификация субстрата и превращение его в
новый продукт или продукты.
3.
В результате такого превращения новое вещество (продукт) утрачивает
способность удерживаться в активном центре фермента и фермент-субстратный, вернее
уже фермент-продуктный комплекс диссоциирует (распадается).

24.

Механизм действия ферментов

25.

Энергетика
ферментативных реакций
Ферменты снижают энергию
активации
• Скорость химической реакции зависит
от концентрации реагирующих веществ
• В комплексе с ферментами субстраты
превращаются в более устойчивые
промежуточные соединения, за счет
чего их концентрация резко
повышается, что способствует
ускорению реакции

26.

Неферментативная реакция
S
S*
P
P*
S
E
ES
ES*
Ферментативная реакция
EP*
E

27.

• ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАРЬЕР
РЕАКЦИИ – кол-во энергии, которое
необходимо молекуле, чтобы вступить
в химическую реакцию.
• ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ - кол-во
энергии, которое необходимо
сообщить молекуле для преодоления
энергетического барьера.

28.

Свободная энергия системы
S*
Энергия активации
некатализируемой реакции
S
ES*
Энергия активации
катализируемой реакции
Исходное
состояние
P
Конечное состояние
Ход реакции

29.

2Н2О + О2
2.
3.
Энергия
активации
1) 2Н2О2
Свободная энергия системы
Каталаза
1.
Ход реакции
Энергия активации:
1. В спонтанной реакции – 18 ккал/моль
2. При использовании катализатора Fe2+ – 12
ккал/моль
3. В присутствии фермента каталазы – 5
ккал/моль

30.

Кинетика
ферментативных реакций
Зависимость скорости реакции
от концентрации субстрата
Vmax
Концентрация
фермента константа
[S]

31.

Зависимость скорости реакции
от концентрации фермента
V
Концентрация
субстрата –
константа
концентрация
фермента

32.

Ферменты или энзимы обозначают
буквой Е
Ферменты обладают свойствами белков, но имеют
и особенности:
1. Зависимость от РН
2. Зависимость от температуры
3. Высокая специфичность действия
4. Способностью к регуляции – т.е. могут
подвергаться влиянию активаторов или
ингибиторов

33.

Свойства ферментов
1. Зависимость от рН
2. Зависимость от температуры
1. Оптимум рН для большинства
энзимов 6,0-8,0. Это значение
рН при котором фермент
проявляет максимальную
активность.
2. Ионы водорода могут
изменять степень ионизации
субстрата, продукта и
фермента.
1. Оптимум температуры для
большинства энзимов 38-40С, при
41-42С происходит тепловая
денатурация.
2. При повышение t на 10С, скорость
ферментативной реакции
увеличивается в 2 раза.

34.

Влияние температуры на скорость
ферментативной реакции
• Повышение температуры на 10
градусов повышает скорость
химической реакции в 2-4 раза.
• При повышение температуры
фермент подвергается денатурации
и теряет свою активность.

35.

Скорость
ферментативной
реакции
Количество
активного
фермента
Скорость
реакции активного
фермента

36.

Влияние рН на скорость
ферментативной реакции
• Изменение концентрации Н+ меняет
химический состав фермента, его
строение и каталитическую
активность.
• Изменение концентрации Н+ меняет
химический состав субстрата, его
строение и способность вступать в
ферментативную реакцию.
• Денатурацией фермента при очень
высоких или очень низких рН.

37.

Зависимость скорости
ферментативной реакции от рН

38.

Константа Михаэлиса-Ментон
• Km – концентрация субстрата [S], при
которой скорость ферментативной реакции
V равна половине от максимальной

39.

Уравнение скорости
ферментативной реакции
Vmax [S]
V = —————Km + [S]
V – скорость реакции
Vmax – максимальная скорость реакции
Km – константа Михаэлиса
[S] – концентрация субстрата

40.

Свойства ферментов
3. Высокая специфичность действия
Специфичность действия
определяется структурой активного
центра фермента и заключается в
том, что каждый фермент
катализирует превращение одного
субстрата или группы субстратов,
сходных по своей структуре.

41.

Свойства ферментов
Различают несколько видов специфичности.
•Стереохимическая субстратная специфичность фермент катализирует превращение только одного
стереоизомера субстрата. Например, фумаратгидратаза
катализирует присоединение молекулы воды к кратной
связи фумаровой кислоты, но не к ее стереоизомеру малеиновой кислоте.
•Абсолютная субстратная специфичность - фермент
катализирует превращение только одного субстрата.
Например, уреаза катализирует гидролиз только мочевины.
•Групповая субстратная специфичность - фермент
катализирует превращение группы субстратов сходной
химической структуры. Например, алкогольдегидрогеназа
катализирует превращение этанола и других
алифатических спиртов, но с разной скоростью.

42.

Свойства ферментов
4. Способностью к регуляции
Влияние на активность ферментов активаторов и
ингибиторов. К числу факторов, повышающих
активность ферментов, относятся катионы металлов и
некоторые анионы. Чаще всего активаторами ферментов
являются катионы Mg2+, Mn2+, Zn2+, K+ и Со2+, а из
анионов - Сl-. Катионы действуют на ферменты поразному. В одних случаях они облегчают образование
фермент-субстратного комплекса, в других - способствуют
присоединению кофермента к апоферменту, либо
присоединяются к аллостерическому центру фермента и
изменяют его третичную структуру, в результате чего
субстратный и каталитический центры приобретают
наиболее выгодную для осуществления катализа
конфигурацию.

43.

Субстратная специфичность
ферментов
Относительная (групповая) субстратная
специфичность – это способность фермента
катализировать превращение похожих по
строению субстратов. (вариант –
стереоспецифичность)
Абсолютная субстратная специфичность –
способность фермента катализировать
превращение единственного субстрата

44.

Активность ферментов
Активностью фермента называют его
способность превращать определенное
количество субстрата в единицу времени
Молекулярная активность – количество молекул
субстрата, превращенных в продукт одной
молекулой фермента за 1 минуту
Удельная активность – количество молей
субстрата, превращенных в единицу времени в
пересчете на единицу массы белка (или на
единицу объема) исследованного биоматериала

45.

Способы выражения активности
ферментов
В системе СИ единица измерения активности
(количества) фермента: 1 Катал=1моль*с-1
1 катал – это такое количество фермента, которое
превращает 1 моль субстрата за 1 секунду (=6*107 Юнит).
На практике чаще применяют единицу, называемую
Юнит: 1 Юнит=1мкмоль*мин-1 1Юнит – это такое
количество фермента, которое превращает 1 мкмоль
субстрата за 1 минуту
При биохимическом анализе в клинике результаты
определения активности ферментов обычно выражают
количеством юнит в единице объема исследованного
материала (кровь, моча и т.п.)
– в системе СИ:
количество катал в 1 м3

46.

Причины изменения активности
ферментов
Изменение скорости синтеза фермента
(ускорение или замедление)
Ингибирование ферментов
Активация ферментов
- аллостерическая активация
- переход неактивной формы
фермента в активную

47.

Влияние активаторов и
ингибиторов на скорость
ферментативных реакций

48.

Ингибирование ферментов
1.
2.
Неспецифическое
Специфическое
2.1. Специфическое необратимое
2.2. Специфическое обратимое
2.2.1. Конкурентное
2.2.2. Неконкурентное

49.

Ингибиторы тормозят действие ферментов.
Ингибиторами могут быть как эндогенные, так и
экзогенные вещества. Механизмы ингибирующего
действия различных химических соединений
разнообразны.

50.

Реакции ингибирования ферментативных
процессов
ТИПЫ ИНГИБИРОВАНИЯ ФЕРМЕНТОВ
I. Обратимое
II. Необратимое
Конкурентное
Неконкурентное
Бесконкуренетное
Смешанного типа
• Для определения обратимости ингибирования проводят
диализ среды, где есть фермент и ингибитор.
• Если после диализа восстанавливается активность
фермента, то ингибирование обратимое

51.

Варианты взаимодействия
ингибитора с ферментом
1. Блокируют активный центр фермента
2. Меняют четвертичную структуру фермента
3. Соединяются с коферментом, активатором
4. Блокируют часть фермента, соединяющуюся
с коферментом
5. Нарушают взаимодействие фермента с
субстратом
6. Вызывают денатурацию фермента
(неспецифические ингибиторы)
7. Связываются с аллостерическим центром

52.

Конкурентный тип ингибирования
Осуществляется
веществом,
близким
химическому строению к субстрату
V
V max
V max / 2
Km
Kмi
[S]
по

53.

Неконкурентный тип ингибирования
Ингибитор реагирует с ферментом иным образом , чем
субстрат, поэтому повышение концентрации субстрата
не может вытеснить ингибитор и восстановить
активность фермента
V
V max
V max
V max
V max
K
m
[S]

54.

Распределение ферментов в организме
Ферменты, участвующие в синтезе белков, нуклеиновых кислот и ферменты
энергетического обмена присутствуют во всех клетках организма. Но клетки,
которые выполняют специальные функции содержат и специальные ферменты.
Так клетки островков Лангерганса в поджелудочной железе содержат ферменты,
катализирующие синтез гормонов инсулина и глюкагона. Ферменты, свойственные
только клеткам определенных органов называют органоспецифическими: аргиназа
и урокиназа - печень, кислая фосфатаза- простата. По изменению концентрации
таких ферментов в крови судят о наличии патологий в данных органах.
В клетке отдельные ферменты распределены по всей цитоплазме, другие встроены в
мембраны митохондрий и эндоплазматического ретикулума, такие ферменты
образуют компартменты, в которых происходят определенные, тесно связанные
между собой этапы метаболизма.
Многие ферменты образуются в клетках и секретируются в анатомические полости
в неактивном состоянии - это проферменты.
Существуют также изоферменты - ферменты, отличающиеся по молекулярной
структуре, но выполняющие одинаковую функцию.

55.

56.

Применение ферментов
Ферменты получили широкое применение в легкой, пищевой и
химической промышленности, а также в медицинской практике.
1. В пищевой промышленности ферменты используют при
приготовлении безалкогольных напитков, сыров, консервов,
колбас, копченостей.
2. В животноводстве ферменты используют при приготовлении
кормов.
3. Ферменты используют при изготовлении фотоматериалов.
4. Ферменты используют при обработке овса и конопли.
5. Ферменты используют для смягчения кожи в кожевенной
промышленности.
6. Ферменты входят в состав стиральных порошков, зубных паст.
7. В медицине ферменты имеют диагностическое значение –
определение отдельных ферментов в клетке помогает
распознаванию природы заболевания (например вирусный
гепатит – по активности фермента в плазме крови) их
используют для замещения недостающего фермента в
организме.

57.

Примеры использования ферментов в
медицине
Обработка нагноившихся раневых поверхностей и полостей,
заполненных гнойным содержимым (протеазы)
Амилаза, протеазы и липаза – компоненты препаратов для
заместительной терапии при нарушении пищеварения
Определение содержания различных веществ в биологических
жидкостях
- определение глюкозы энзиматическим глюкозооксидазным
методом и т.п.
- иммунологические исследования с использованием ферментной
метки методом ELISA* (пероксидаза хрена, щелочная фосфатаза)
Молекулярно-генетические исследования (метод ПЦР, получение
рекомбинантных белков)
* ELISA = Enzyme linked immunosorbent assay

58.

Примеры использования ферментов
Производство сыра, вина, пива, уксуса, патоки,
хлебопечение
Изготовление моющих средств с биодобавками
Обработка растительных волокон и древесины
Изготовление полусинтетических анибиотиков
Приготовление питательных сред для
микробиологических исследований
Изготовление биосенсоров, позволяющих проводить
количественное определение различных веществ (с
высокой чувствительностью)

59.

ИЗОФЕРМЕНТЫ
Изоферментами называют ферменты, катализирующие
одну и ту же реакцию, но отличающиеся по физикохимическим свойствам (pI, Mr)