1
Содержание
Пептиды и белки: общие сведения
Ферменты
Ферменты являются биокатализаторами
История энзимологии
История энзимологии (прод.)
История энзимологии (прод.)
История энзимологии (прод.)
История энзимологии. Спор Либиха и Пастера
История энзимологии (прод.)
История энзимологии (прод.)
История энзимологии (прод.)
Доказательства белковой природы ферментов
Доказательства белковой природы ферментов (прод.)
Особенности ферментативного катализа
Особенности ферментативного катализа (прод.)
Строение ферментов
Кофакторы
Примеры коферментов
Простетическая группа
Тиаминпирофосфат, ТПФ
Витамин PP
Строение NAD+ и NADP+
Рибофлавин, витамин B2. Строение ФАД
Пантотеновая кислота
Металлы как кофакторы
Металлы как кофакторы (прод.)
Структурно-функциональная организация ферментов. Активный центр
Структурно-функциональная организация ферментов. Строение активного центра фермента
Структурно-функциональная организация ферментов. Схема
Формирование активного центра фермента
Центры аллостерической регуляции
Аллостерические ферменты
Спасибо за внимание!
456.00K
Категория: БиологияБиология

Биохимия ферментов

1. 1

Гомельский государственный
медицинский университет
Кафедра биохимии

2. Содержание

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8/20/2017
Строение, размер и форма белковой молекулы,
функции белков.
Денатурация, причины и признаки, использование
в медицине.
Ферменты. История энзимологии.
Доказательства белковой природы ферментов.
Особенности ферментативного катализа.
Структурно-функциональная организация
ферментов.
Аллостерические ферменты.
Коваль А. Н. (C), 2006
2

3. Пептиды и белки: общие сведения

Белки
При соединении аминокислот в цепочку
образуется линейная макромолекула белка.
В любом живом организме содержатся
тысячи белков, выполняющих
разнообразные функции.
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
3

4.

Чтобы дать
представление о
многообразии белков,
на схеме приведен
общий вид молекул (с
соблюдением формы
и размера) ряда внеи внутриклеточных
белков.
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
4

5. Ферменты

Ферменты (от лат. fermentum - закваска),
или энзимы (от греч. en - внутри, zym закваска) – биокатализаторы белковой
природы.
Используются живыми организмами для
катализа многих тысяч взаимосвязанных
химических реакций, включая синтез, распад и
взаимопревращение веществ и др.
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
5

6. Ферменты являются биокатализаторами

Ускоряют химические реакции
Составляют функциональный аппарат
клетки, являясь функциональными
единицами клеточного метаболизма.
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
6

7. История энзимологии

На заре истории развития человечества, уже
использовались ряд технологических
ферментативных процессов: хлебопечение,
виноделие, обработка шкур животных и т. д.
Описал пищеварения у животных Рене Антуан
Реомюр (1683—1757).
Лаззаро Спалланцани (1729-1799), профессор
истории естествознания в Университете города
Падуя, не рассматривал пищеварение как процесс
ферментации по той простой причине, что при этом
не образовывались пузырьки газа.
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
7

8. История энзимологии (прод.)

Позже процесс ферментации был более подробно
изучен одним из основоположников современной
химии Антуаном Лораном Лавуазье (1743-1794).
Изучая спиртовое брожение, происходящее при изготовлении
вина, он обнаружил, что глюкоза превращается в спирт и
углекислый газ,
К началу XIX в. преобладала общая точка зрения,
что ферментация - это химические изменения,
вызываемые некоторыми специальными формами
органического материала, а именно «ферментами».
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
8

9. История энзимологии (прод.)

В 1814 г. русский ученый (немец по происхождению) академик
Петербургской Академии наук Константин Готлиб Сигизмунд
Кирхгоф (1764-1833) показал, что образование сахара из
крахмала в проросших зернах злаков обусловлено химическим
процессом, а не появлением ростков.
В 1810 г Ю. Гей-Люссак выделил основные конечные продукты
жизнедеятельности дрожжей – спирт и углекислый газ.
Я. Берцелиус, один из основоположников теории химического
катализа и автор самого термина «катализ» в 1835 году
подтверждает эти данные, отметив, что диастаза (экстракт из
солода) катализирует гидролиз крахмала более эффективно,
чем минеральная серная кислота.
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
9

10. История энзимологии (прод.)

Либих и Вёлер открыли эмульсин,
расщепляющий амигдалин горького
миндаля.
Опыты Л. Пастера с кипячеными
экстрактами дрожжей.
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
10

11. История энзимологии. Спор Либиха и Пастера

Важную роль в развитии энзимологии сыграл
спор Ю Либиха с известным микробиологом
Л. Пастером, который считал, что процессы
ферментации могут происходить только в
целой живой клетке.
8/20/2017
Ю. Либих, напротив, считал, что биологические
процессы вызываются действием химических веществ,
которые в последствии были названы ферментами.
Термин энзим предложил 1878 г Фридрих
Вильгельм Кюне, подчеркнув, что процесс идет в
дрожжах.
Коваль А. Н. (C), 2006
11

12. История энзимологии (прод.)

В 1878 г. Манассеина получила бесклеточный
препарат дрожжей, перетирая их в ступке со
стеклянным порошком. Этот экстракт был
способен получать этанол, что утвердило
мнение Либиха.
В 1897 году Э. Бюхнер повторил этот
эксперимент, получив свободный от клеток
экстракт из дрожжей, разрушая их
вакуумированием.
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
12

13. История энзимологии (прод.)

В 1894 году Э. Фишер предложил модель взаимодействия
фермента и субстрата, названной «ключ-замок».
В 1926 году Дж. Самнер после почти 9-летених
исследований доказал белковую природу фермента
уреазы.
Вскоре Дж Нортроп и М Кунитц указали на прямую
корреляцию между активностью кристаллических пепсина,
трипсина и количеством белка в исследуемых образцах,
приведя тем самым весомые доказательства белковой
природы ферментов.
1955 г. – С. Мур и У. Стейн расшифровали структуру
рибонуклеазы (124 АК остатка).
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
13

14. История энзимологии (прод.)

В 1963 году исследована аминокислотная
последовательность РНКазы из поджелудочной железы.
В 1965 г показана пространственная структура лизоцима.
1969 г. – синтез рибонуклеазы в лаборатории Б.
Меррифилда в Нью-Йорке.
За последующие годы очищены тысячи ферментов и
получены новые данные о механизмах действия
ферментов, их пространственной структуре, регуляции
ферментативных реакций.
8/20/2017
Обнаружена каталитическая активность у РНК (рибозимы).
Получены антитела с ферментативной активностью –
абзимы.
Коваль А. Н. (C), 2006
14

15. Доказательства белковой природы ферментов

Все ферменты действуют в мягких условиях: const t°, const
рН, const ионная сила, оптимальное соотношение субстратов,
продуктов, модуляторов.
Все ферменты являются высокомолекулярными
соединениями (ВМС), с молекулярной массой от неск. тысяч
до неск. миллионов дальтон (1 дальтон = массе одного атома
водорода), в связи с чем, образуют коллоидные растворы,
которые обладают буферными свойствами, вязкостью, дают
опалесценцию, образуют конус Тиндаля.
Способны к денатурации под действием тех же факторов,
которые вызывают денатурацию белка. При необратимой
денатурации ферменты полностью инактивируются.
При гидролизе распадаются на аминокислоты.
Обладают «эффектом защиты» (связывают воду, ионы
тяжелых металлов).
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
15

16. Доказательства белковой природы ферментов (прод.)

Ферменты как и белки обладают антигенной
активностью и при парэнтеральном введении
стимулируют образование антител.
Обладают электрофоретической подвижностью и
амфотерными свойствами.
Не способны к диализу через полупроницаемые
мембраны.
Легко осаждаются из водных растворов методом
высаливания.
Обладает высокой специфичностью действия.
Лабораторный синтез фермента рибонуклеазы,
доказывает его белковую природу (в лаборатории
Мерифилда в 1969 году).
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
16

17. Особенности ферментативного катализа

Исключительно высокая эффективность.
Специфичность:
Эффективность биологического катализа превышает эффективность
неорганического в 109 – 1012 раз.
Абсолютная специфичность, когда фермент работает только со
своим субстратом (фумараза с транс-изомерами фумаровой кислоты
и не будет с цис-изомерами);
Групповая - специфичен для узкой группы родственнных субстратов
(ферменты ЖКТ).
Ферменты «работают» в мягких условиях (t=37°C, рН 7,0,
определенные осмолярность и солевой состав).
Многоуровневая регуляция: регуляция активности на уровне
условий среды, на уровне метаболона, на генетическом уровне,
тканевом, клеточном, с помощью гормонов и медиаторов, а также
с помощью субстратов и продуктов той реакции, которую они
катализируют.
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
17

18. Особенности ферментативного катализа (прод.)

Кооперативность: ферменты способны организовывать
ассоциации - продукт 1-го фермента, является субстратом
для 2-го; продукт 2-го - субстратом для 3-го и т.д.
Ферменты обладают адаптивностью, т. е. могут изменять
свою активность и образовывать новые ассоциации.
Способны катализировать как прямую так и обратную
реакцию. Направление реакции для многих ферментов
определяется соотношением действующих масс.
Катализ жестко расписан, т. е. происходит поэтапно.
Если какое-либо соединение существует в форме цис- и
трансизомеров, 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.
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
18

19. Строение ферментов

Ферменты как и белки делятся на две
группы: простые и сложные.
Простые полностью и целиком состоят из а/к
и при гидролизе образуют исключительно а/к.
Сложные ферменты кроме белковой части
(апофермента) содержат и небелковый
компонент (кофактор).
8/20/2017
Кофакторы различаются по прочности
связывания с апоферментом.
Коваль А. Н. (C), 2006
19

20. Кофакторы

Если константа диссоциации сложного
фермента настолько мала, что в растворе все
ПП 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 отделяемую от апофермента, при
диссоциации.
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
20

21. Примеры коферментов

Между апоферментом и коферментом существуют
нековалентные связи (водородные или электростатического
взаимодействия).
Типичными представителями коферментов являются:
8/20/2017
Тиаминпирофосфат, ТПФ (производное витамина В1, тиамин)
– кофермент пируватдегидрогеназного и альфакетоглутаратдегидрогеназного комплексов;
ФАД, ФМН (производные витамина В2, рибофлавин) –
коферменты ряда дегидрогеназ, напр. сукцинатдегидрогеназы;
НАД, НАДФ (производные витамина РР, ниацин) коферменты
ряда дегидрогеназ, напр. лактатдегидрогеназы;
Пиридоксальфосфат (производное витамина В6, пиридоксин) –
кофермент трансаминаз, напр. аспартатаминотрансфераза
(АсАТ), аланинаминотрансфераза (АлАТ);
коэнзим А (производное пантотеновой кислоты) – кофермент
ацилирования.
Коваль А. Н. (C), 2006
21

22. Простетическая группа

Примером простетической группы
является витамин Н (биотин)
биотин связан с апоферментом
ковалентно через остаток лизина.
Является кофактором ферментов
осуществляющих карбоксилирование,
напр. пируваткарбоксилаза.
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
22

23. Тиаминпирофосфат, ТПФ

CH3
N+
N
H3C
N
NH2
Cl-
S
O
OH
O P O P OH
OH O
Тиаминпирофосфат, ТПФ (производное витамина В1,
тиамин) – кофермент пируватдегидрогеназного и
альфа-кетоглутаратдегидрогеназного комплексов;
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
23

24. Витамин PP

OH
O
N
NH2
O
N
8/20/2017
Витамин PP
(никотиновая кислота,
ниацин) в форме
никотинамида входит
в состав NAD+ и
NADP+, которые
являются
коферментами
NAD(P)-зависимых
(пиридиновых)
дегидрогеназ.
Коваль А. Н. (C), 2006
24

25. Строение NAD+ и NADP+

Строение
и NADP+
NAD+
NH2
O
N+
NH2
O
O
O
H
H
OH
H
OH
H
N
O
P
H
H
OH
H
OH
-
O-
P
ONH2
N
O
P
N
O
NH2
N
N
O
P
O
O
-
O
O
H
O
+
N
O
N
O
O
N
H
H
OH
H
OH
H
O
H
H
OH
O
H
O
N
H
O
P
OH
OH
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
25

26. Рибофлавин, витамин B2. Строение ФАД

O
OH
OH
OH
H3C
H3C
N
OH
N
H3C
N
H3C
N
NH
H2C
O
N
OH
CH
CH
HO
NH
N
Рибофлавин
O
O
O
O
OH
CH
CH2
P O
NH2
-
N
O
-
Образует ФАД и ФМН – коферменты ряда
дегидрогеназ, напр. сукцинатдегидрогеназы.
O
P
O
O
CH2
H
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
N
N
N
O
H
H
OH
H
OH
26

27. Пантотеновая кислота

H3C
CH3
HO
C
C
H2
HN
CH
HO
C
CH2
H2C
O
C
OH
Пантотеновая кислота – входит в состав
коэнзима А (кофермента ацилирования ).
8/20/2017
O
Коваль А. Н. (C), 2006
27

28. Металлы как кофакторы

Многие двухвалентные металлы (Сu2+,
Zn2+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Мg2+, Ca2+) тоже
выполняют роль кофакторов, хотя и не
относятся ни к простетическим группам,
ни к коферментам.
Металлы входят в состав активного
центра или стабилизируют оптимальный
вариант структуры активного центра
фермента.
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
28

29. Металлы как кофакторы (прод.)

Металл
Fe2+, Fe3+
Cu+, Cu2+
Zn2+
Mg2+
Mn2+
Ni2+
Se2+
8/20/2017
Фермент
гемоглобин, каталаза, пероксидаза
цитохромоксидаза
ДНК-полимераза, алкогольдегидрогеназа
гексокиназа
аргиназа
уреаза
глутатионредуктаза
Коваль А. Н. (C), 2006
29

30. Структурно-функциональная организация ферментов. Активный центр

Активный (субстратный) центр - это
совокупность функциональных групп,
расположенных в разных участках ПП цепи, но
близко структурно и функционально
ориентированных (в третичной структуре) и
имеющих прямое отношение к катализу.
Этот центр состоит из функциональных групп и
радикалов: SH-(цистеина); -ОН(серина);
COOH-(АСП); имидазольного кольца
гистидина.
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
30

31. Структурно-функциональная организация ферментов. Строение активного центра фермента

Активный центр включает в себя:
1.
2.
3.
8/20/2017
Каталитический участок или центр,
непосредственно взаимодействующий с
субстратом, осуществляющий катализ.
Контактная, или якорная площадка - она
обеспечивает специфическое сродство
фермента к субстрату и является местом
фиксации субстрата на поверхности фермента.
Вспомогательные участки - карманы, щели и
др.
Коваль А. Н. (C), 2006
31

32. Структурно-функциональная организация ферментов. Схема

Активные центры
Субстратный
продукт
субстрат
Якорные площадки
Центры регуляции + и -
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
32

33. Формирование активного центра фермента

Предполагается, что формирование активного
центра фермента начинается уже на ранних
этапах синтеза белка-фермента на рибосоме,
когда линейная одномерная структура ПП цепи
превращается в трехмерное тело строго
определенной конфигурации, точнее активный
центр формируется из функциональных групп
различных аминокислот (т.е. активный центр
определяется первичной структурой).
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
33

34. Центры аллостерической регуляции

У олигомерных ферментов (имеющих
четвертичную структуру) имеются
центры аллостерической регуляции.
8/20/2017
это участки связывания фермента с
низкомолекулярным веществом
(эффектором или модификатором),
имеющим другую, чем субстрат или продукт,
структуру: АТФ, АДФ, НАД+, промежуточные
метаболиты.
Коваль А. Н. (C), 2006
34

35. Аллостерические ферменты

Присоединение эффектора к аллостерическому центру
приводит к изменению третичной структуры и,
соответственно, конфигурации активного центра,
вызывая снижение или повышение эниматической
активности.
В связи с этим существует и два пространственно
удаленных аллостерических центра: активации и
ингибирования.
Ферменты, активность которых контролируется
состоянием как активного, так и аллостерического
центров, называются аллостерическими ферментами.
8/20/2017
Коваль А. Н. (C), 2006
35

36. Спасибо за внимание!

Следующая лекция – Биохимия
ферментов-2.
8/20/2017
Механизм действия ферментов. Этапы
ферментативного катализа.
Факторы, определяющие активность
ферментов [E], [S], [P], Km. Влияние pH, [P],
tº, ионной силы на активность ферментов.
Регуляция активности ферментов.
Коваль А. Н. (C), 2006
36
English     Русский Правила