Ферменты: строение, свойства и регуляция активности

1.

СТРУКТУРА ФЕРМЕНТОВ, ОСОБЕННОСТИ
СТРОЕНИЯ. РОЛЬ ВИТАМИНОВ. СПЕЦИФИЧНОСТЬ
ФЕРМЕНТОВ.
КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ. ВИДЫ
РЕГУЛЯЦИИ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ.
ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ В МЕДИЦИНЕ.

2.

Понятие о ферментах.
Ферменты (энзимы)
• – специализированные биокатализаторы
белковой природы, которые принимают
участие в осуществлении химических
реакций в организме.
• Слово ≪фермент≫ происходит от слова
≪fermentatio≫ – брожение, а энзим – от
≪enzyme≫, что означает закваска в дрожжах.
Наука, изучающая ферменты, называется
энзимологией или ферментологией.
Луи Пастер, Юстус Либих, Константин Кирхгоф

3.

Сходство ферментов с небиологическими
катализаторами заключается в том, что они:
• Не расходуются в ходе химических реакций
• Катализируют энергетически возможные
реакции
• Ускоряют наступление равновесия в обратимых
реакциях, но никогда не меняют направление
реакции (не изменяют константу равновесия
химических реакций)
Отличие ферментов от неорганических
катализаторов:
• Более высокая скорость реакции
• Обладают специфичностью
• Работают в мягких условиях ( t-37, PH-7)
• Способны к регуляции

4.

Понятие о ферментах.
E + S → ES → EP → E + P
• Фермент (Е) – осуществляет реакцию
• Субстрат (S) – вещество, на которое воздействует фермент.
• Продукт (Р) – вещество, которое получается в ходе реакции.
• Энергия активации – дополнительная минимальная
энергия, которую необходимо сообщить системе, чтобы все
молекулы вступили в химическую реакцию.
Все ферменты- это глобулярные белки, имеющие
молекулярную массу около 104 - 106 Да. И как любой белок,
ферменты обладают первичной, вторичной, третичной
ступенями организации, или, если в его состав входит
несколько полипептидных цепей – то и четвертичной
структурой. Поскольку ферменты – белковые молекулы,
следовательно, они обладают всеми свойствами,
характерными для белков.

5.

Структура ферментов
Ферменты
Простые
Сложные
(холофермент)
Белковый
компонент
(апофермент)
Белковый
компонент
(апофермент)
Кофермент непрочно связан с
апоферментом – НАД – вит В3, КоА.
Если кофермент прочно связан с
апоферментом, то это простетическая
группа (ФАД,ФМН – вит В2, гем)
+ небелковая часть
кофактор или кофермент
(металлы, производные
витаминов, гем,
нуклеотиды и др

6.

Структура ферментов
Активный центр – это участок фермента, включающий
несколько аминокислотных остатков от 5 до 10,
участвующих в присоединении и превращении
субстрата. Это трехмерная структура (впадина, щель,
карман), выстланная остатками аминокислот, сближенными друг с другом во время формирования третичной структуры белка-фермента.
Активный центр формируется на третичном уровне организации фермента

7.

Теории взаимодействия активного
центра ферментов с субстратом
• АЦ может иметь жесткую структуру и связывает
только один субстрат – (теория ключ-замок Э.
Фишер)
Эмиль Фишер
• АЦ может присоединять несколько похожих
субстратов подстраиваясь под них - рука –
перчатка – Д. Кошланд)
Даниэл Кошланд

8.

Специфичность ферментов
Специфичность – свойство фермента избирательно
взаимодействовать с субстратом.
• Абсолютная специфичность – один фермент один
субстрат теория Фишера (аргиназа)
• Относительная специфичность – один фермент
несколько похожих по химической структуре
субстратов (теория Кошланда) - пептидазы
катализируют разрыв пептидной связи в любом
белке, но по определенной аминокислоте.
• Стереоспецифичность – фермент работает с одним
изомером (Цис, Транс или L, D стереоформа) –
оксдазы L и D аминокислот.
• Каталитическая специфичность – преобразование
одного и того же субстрата под действием разных
ферментов.

9.

Витамины как участники ферментативных
реакций
Витамины — низкомолекулярные органические соединения,
которые при употреблении в ничтожно малых количествах
обеспечивают протекание биохимических и физиологических
процессов, не включаясь в структуру ткани и не используясь в
качестве источника энергии.
Жирорастворимые –А, Д, К, Е, F
(запасаются в печени и жировой ткани)
Эти витамины встречаются в продуктах
животного происхождения и для
улучшения их всасывания
необходимы жиры.
Водорастворимые (избыток
выводится с мочой) – это витамины группы В, вит С, Н, и др.
Эти витамины растительных продуктов, некоторые содержатся в
печени и яичном желтке, а также небольшое количество их
синтезируются микроорганизмами кишечника

10.

Витаминоподобные вещества:
группа условно незаменимых факторов питания, напоминающих по
физиологическому действию витамины, при дефиците которых не
наблюдается развития патологических изменений (витаминной
недостаточности).
Карнитин, липоевая кислота, убихинон и др. – участвуют в
метаболических процессах, как в качестве коферментов, так и как
доноров функциональных групп

11.

Функции витаминов
• Кофакторная – группа В – участвуют в биохимических
реакциях в составе ферментов.
• Косубстратная – вит. С – участвует в восстановлении
рабочего состояния фермента.
• Антиоксидантная – вит. Е, А, С – являются «ловушками»
активных форм кислорода.
• Гемокоагулирующая – вит К – участвует в процессе
свертывания крови.
• Регуляторная (концентрация Са в крови) – вит. Д
предшественник в синтезе гормона кальцитриола.
• Рецепторная (фоторецепторная) – вит. А участвует в работе
зрительного анализатора.
Антивитамины:
- блокируют встраивание витаминов в активный центр ферментов
- затрудняют всасывание витаминов (авидин);
- модифицируют структуру витамина.
Антивитамины также используют в качестве лекарственных форм
– сульфаниламиды.

12.

Номенклатура ферментов
• Рабочее название фермента
(тривиальное): складывается из названия субстрата , типа
реакции и окончания «аза» – лактатдегидрогеназа;
• Систематическая – характеризует катализируемую им
химическую реакцию;
• Рациональная (напр. 1,4-альфа-D- глюканогидролаза – это
амилаза слюны.
Принципы количественного определения
активности ферментов
МЕ или U: за единицу активности любого фермента
принимается то его количество, которое в оптимальных
условиях катализирует превращение 1 микромоля субстрата
или образование 1 микромоля продукта в минуту
(мкмоль/мин).
E + S → ES → EP → E + P
• Измеряется скорость убыли субстрата
образования продукта реакции
или
скорость

13. Международная классификация ферментов по типу реакции

№Название
Тип реакции
Пример
1 Оксидоредуктазы
окислительновосстановительные реакции
Дегидрогеназы
Оксидазы
оксигеназы
2 Трансферазы
Перенос групп атомов,
отличных от атомов
водорода
аланинаминотрансфераза
3 Гидролазы
Разрыв связей с участием
воды
амилаза
4 Лиазы
Разрыв и образование
двойных связей между
атомами С
Декарбоксилаза
аминокислот
5 Изомеразы
Образование структурных
изомеров
глюкозо-6фосфатизомераза
6 Лигазы
(синтетазы)
Соединение двух молекул с
образованием связей между
глутаминсинтетаза

14.

Класс ферментов
Оксидоредуктазы
Трансферазы
Гидролазы
Лиазы
Изомеразы
Лигазы
Витамины
Коферменты
В2 - рибофлавин
ФАД, ФМН
В3 – никотиновая
кислота
С - аскорбиновая
кислота
В5 – пантотеновая
кислота
В6 - перидоксин
НАД+, НАДФ+
К
менахинон
аскорбиновая кислота
Коэнзим А
ПДФ –
перидоксальфосфат
В12 - кобламин
метилкобламин
Простые ферменты, не имеют коферментов
В1 - тиамин
ТПФ тиаминпирофосфат
В6 - перидоксин
ПДФ –
перидоксальфосфат
В12 - кобламин
метилкобламин
Н - биотин
Биотинил-лизин

15.

Недостаточное поступление витаминов с пищей или прием
лекарственных препаратов обладающих действием
антивитаминов приводит к гиповитаминозам и
авитаминозам.
(витамин А – куринная слепота, вит С – цинга и т.д. )
Избыточный прием
витаминов может дать
гипервитаминоз – патологическое
нарушение обмена веществ.
Авитаминоз — патологическое
состояние, возникающее при
полном отсутствии в пище
витаминов либо при полном
нарушении их усвоения.

16.

ГИПОВИТАМИНОЗЫ
ГИПЕРВИТАМИНОЗЫ
ЭКЗОГЕННЫЕ
ЭНДОГЕННЫЕ
Недостаточное
поступление
Нарушения
всасывания в
ЖКТ
Грудное
вскармливание
Дефекты синтеза Самостоятельный излишний
коферментов
прием витаминных препаратов
Антивитамины
Прием
антибактериальных
препаратов
Курение,
алкоголь
Избыточное потребление
продуктов, содержащих
витамины

17.

Кинетика ферментативных реакций.
концентрации
фермента
температуры
Уровня pH
- концентрации субстрата,
- вида субстрата
(специфичность фермента),
- наличия или отсутствия
активаторов и ингибиторов

18.

Кинетика ферментативных реакций.
Е – фермент
S – субстрат
P – продукт
ES – фермент-субстратный комплекс
k+1 – константа образования комплекса
k-1 – константа распада комплекса
обратно на фермент и субстрат
k+2 – константа распада комплекса на
продукт и фермент

19.

Пути регуляции активности ферментов
Для ферментов определены специфический и неспецифический
виды регуляции.
НЕСПЕЦИФИЧЕСКИЙ
(рН, t, ионная сила).
СПЕЦИФИЧЕСКИЙ
за счет изменения количества
фермента
- за счет изменения активности
фермента без изменения его
количества
Ингибирование ферментов – это снижение
ферментативной активности с участием ингибиторов.
- необратимое ингибирование
- обратимое ингибирование:
- конкурентное ингибирование,
- неконкурентное ингибирование
- субстратное ингибирование

20. Ингибирование активности ферментов

• Необратимое - после удаления ингибитора активность
фермента не восстанавливается, либо ингибитор
присоединен ковалентно и его невозможно удалить: тяжелые
металлы, фосфорорганические соединения, яды.
• Обратимое – ингибитор удаляется из связи с ферментом и
ферментативная активность восстанавливается
(конкурентное, неконкурентное, субстратное).

21. Ингибирование активности ферментов

Конкурентное
Ингибитор - структурный аналог
субстрата, который связывается с
активным центром фермента и
препятствуюет образованию ферментсубстратного комплекса. В результате
возникает конкуренция молекул субстрата
и ингибитора за место в активном центре
фермента. В этом случае с ферментом
взаимодействует либо субстрат, либо
ингибитор, образуя комплексы ферментсубстрат (ES) или фермент-ингибитор (EI).
При формировании комплекса фермента и
ингибитора (EI) продукт реакции не
образуется

22. Ингибирование активности ферментов

• Неконкурентное – ингибитор присоединяется к любой части
фермента, не похож на субстрат (цианиды, яды, тяж металлы). Км не
изменяется, Vmax снижается. Для снятия ингибирования нужны
противоядия.
Неконкурентными ингибиторами
будут соли тяжелых металлов в
очень низкой концентрации.
Реактиваторы (комплексоны)
извлекают металлы и
восстанавливают активность
фермента – в данном случае мы
говорим об обратимом
ингибировании.
Необратимыми неконкурентными
ингибиторами являются
фосфорорганические инсектициды.

23. Ингибирование активности ферментов

Субстратное – возникает при избытке субстрата в системе.
E+2S → E2S непродуктивный комплекс.
При этом в активный центр фермента могут встать не 1, а 2 молекулы
субстрата- образуется непродуктивный комплекс (Е2S).
E+2S → E2S непродуктивный комплекс.
При увеличении концентрации фермента или снижении концентрации
субстрата) фермент снова начинает работать с прежней скоростью.

24.

Аллостерическая регуляция
Особенности строения и функционирования аллостерических ферментов:
• обычно это олигомерные белки, состоящие из нескольких протомеров
или имеющие доменное строение;
• они имеют аллостерический центр, пространственно удалённый от
каталитического активного центра;
• эффекторы присоединяются к ферменту нековалентно (слабая связь) в
аллостерических (регуляторных) центрах
• аллостерические центры, так же, как и каталитические, могут проявлять
различную специфичность по отношению к лигандам: она может быть
абсолютной и групповой. Некоторые ферменты имеют несколько
аллостерических центров, одни из которых специфичны к активаторам,
другие - к ингибиторам.
- аллостерические ферменты обладают свойством кооперативности
- регуляция аллостерических ферментов осуществляется с помощью
эффекторов и она обратима: отсоединение эффектора от регуляторной
субъединицы восстанавливает исходную каталитическую активность
фермента;
- аллостерические ферменты катализируют ключевые реакции данного
метаболического пути.

25.

Аллостерическая регуляция:
Регуляторы - эффекторы
• Конечные продукты
метаболических путей - АТФ,
АДФ
• Субстраты метаболических
путей – ацетил КоА.
• Промежуточные метаболиты и
специальные молекулы –
фруктозо 2,6 бисфосфат
• Эффекторы присоединяются в
аллостерический центр,
изменяют его конформацию и
тем самым изменяют по
принципу кооперативности
структуру АЦ. В результате этих
изменений фермент или
ускоряет или снижает
каталитическую активность.

26.

Аллостерическая регуляция
В центральных метаболических
путях исходные вещества могут быть
активаторами ключевых ферментов
метаболического пути. Как правило,
при этом аллостерической активации
подвергаются ферменты, катализирующие реакции заключительных
этапов метаболического пути:
Если
концентрация
конечного
продукта увеличивается (т.е. он
синтезируется
быстрее,
чем
расходуется),
ингибируется
активность одного из начальных
ферментов.
Такую
регуляцию
называют отрицательной обратной
связью, или ретроингибированием.

27.

Пути регуляции активности ферментов
Регуляция активности ферментов путем химической модификации
HO
Активный
центр
АТФ
H2O3P
O
Протеинкиназа
Конфигурация
активного центра
изменена
АДФ
E-OH
E-OPO3H2
H3PO4 O
H2O
ФосфопротеинДефосфорилированный фосфатаза
фермент
Фосфорилированный
фермент
Нективный
(активный)
Активный
(неактивный)

28.

Пути регуляции активности ферментов
Регуляция активности ферментов путем ограниченного протеолиза
Пептидазы ЖКТ
Трипсиноген
Энтеропептидаза
Трипсин
Химотрипсиноген
Химотрипсин

29.

Изоферменты
• Изоферменты бывают у олигомерных ферментов.
• Изоферменты – множественные молекулярные формы одного
фермента. Они отличаются по физико–химическим свойствам,
катализируют одну реакцию, но в разных направлениях.
• Различные изоферменты имеют генетические различия в
полипептидной цепи субъединиц.

30.

Полифункциональные ферменты и
полиферментные комплексы
• Полифункциональные ферменты имеют несколько различных
активных центров, могут катализировать несколько реакций
(бифункциональный фермент глюконеогенеза)
• Полиферментные комплексы
несколько ферментов объединяются
для проведения одной реакции
в несколько этапов
(синтаза жирных кислот).

31.

32.

ЭНЗИМОТЕРАПИЯ – использование
ферментов в качестве лекарственных препаратов.
АНАЛИТИЧЕСКИЕ РЕАГЕНТЫ –
применение ферментов в тест-системах
биохимических и иммунологических
Лабораторий.
ДИАГНОСТИКА ЭНЗИМОПАТИЙ –
Первичные - дефектные ферменты наследу
ются по аутосомнорецессивному типу.
Происходит нарушение определённых
метаболических путей
Вторичные – результат течения какого-либо
заболевания
ПРИМЕНЕНИЕ В ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ – для
получения рекомбинантных ДНК

33.

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!