Ферменты. Механизм ферментативного катализа. Клакссификация ферментов. Общая характеристика представителей класса гидролаз

1. Лекция №2 17-18 учебный год

ТЕМА: Ферменты.
Механизм ферментативного катализа.
Клакссификация
ферментов.
Общая
характеристика представителей класса
гидролаз,
лиаз,
трансфераз
и
оксидоредуктаз. Клиничесчкое значение
Клиническое
значение
определения
ферментов

2. Цель

Дать представление о ферментах, как о
биологических катализаторах белковой природы.
Ознакомить с общими свойствами и
классификацией ферментов.
Значением ферментов в медицине

3. ПЛАН ЛЕКЦИИ

Ферменты, понятие
Механизм действия ферментов
Номенклатура и классификация
ферментов
Значение ферментов в медицине

4. Ферменты

ФЕРМЕНТЫ - это
специализированные белки,
образующиеся в клетках и
способные ускорять химические
процессы,
т.е. ферменты - биологические
катализаторы.

5.

Термин «фермент» произошел от лат.
«fermentum» - закваска, бродило.
Был предложен голландским ученым Ван
Гельмонтом в начале XVII века.

6.

Долгое время многие ученые
продолжали считать ферменты,
выделяемые клетками, чем-то
принципиально отличным от
внутриклеточных ферментов, для
которых было предложено особое
название «энзимы»
В англоязычной литературе
употребляется термин «энзим» от
греч. «en zyme» – в закваске.

7. Сходство ферментов и неорганических катализаторов:

катализируют только энергетически возможные
реакции;
- не изменяют равновесия в обратимых реакциях;
- не изменяют направление реакции;
- не расходуются в результате реакции.

8. Отличия между ферментами и неорганическими катализаторами

Ферменты имеют более сложное химическое
строение
Ферменты обладают высокой мощностью
действия;
Ферменты обладают специфичностью
Ферменты - это вещества с регулируемой
активностью;
Ферменты действуют в мягких условиях

9. Механизм действия ферментов

10. Активный центр фермента (АЦФ)

Это уникальная для каждого Фермента
совокупность функциональных групп АК остатков
(сер.,цис.,гис. И др) расположенных на
поверхности ферментов и строго
ориентированных в пространстве за счет
третичной и иногда четвертичной структуры Ф.

11. Первая стадия

фермент отличается от белка наличием
активного центра (АЦФ - участка, с помощью
которого фермент соединяется с субстратом и
ускоряет реакцию. Долгое время считали, что
между ферментом и субстратом имеется точное
соответствие («ключ к замку»). Однако сейчас
принято считать, что АЦ фермента
приспосабливается к субстрату в ходе реакции
(теория вынужденного соответствия).

12.

13. Первая стадия

1 этап- сближение и ориентации субстрата
относительно активного центра фермента
Е+S
Е – фермент
S - субстрат
Е S

14. Вторая стадия

2 этап - образование ЕS комплекса в результате
индуцированного взаимодействия
Е + S
ЕS

15. Вторая стадия

функционально-активные группы АЦ
фермента действуют на субстрат,
дестабилизируя связи в нем, вызывая
изменение конфигурации субстрата,
поляризацию его молекулы, растяжение связей
и т.д. Это приводит к химическому
преобразованию субстрата (т.е. к протеканию
реакции) и образованию продуктов реакции,
которые некоторое время находятся в связи с
ферментом

16. Третья стадия

3 этап – деформация S и образование
нестабильного комплекса
Е-ПР (фермент-продукты реакции)
ПР – продукт реакции
ЕS
Е-ПР

17. Четвертая стадия

от нее зависит скорость реакции. Происходит
отделение фермента от продуктов реакции
ЕР
Е + ПР

18.

19.

20. Этапы ферментативного катализа

1 этап- сближение и ориентации субстрата
относительно активного центра фермента
2 этап - образование ЕS комплекса в результате
индуцированного взаимодействия

21.

3 этап – деформация S и образование
нестабильного комплекса Е-ПР
4 этап – распад комплекса с освобождением
продуктов реакции из активного центра фермента
и освобождением фермента

22.

Любая химическая реакция происходит при столкновении
молекул реагирующих веществ. Движение молекул реагирующих
веществ в системе зависит от наличия свободной потенциальной
энергии.
Для протекания химической реакции необходимо, чтобы
молекулы исходных веществ достигли переходного состояния, т.е.
чтобы реагирующие молекулы имели достаточно энергии для
преодоления энергетического барьера.
Энергетический барьер – это минимальное количество энергии,
необходимое для того, чтобы все молекулы стали реакционноспособными.
Разность значений свободной энергии исходного продукта
(субстрата) и энергии, которая потребуется для того, чтобы
субстрат перешел в переходное состояние, соответствует
свободной энергии активации.
Скорость любой химической реакции пропорциональна
концентрации молекул, находящихся в переходном состоянии.

23.

Все катализаторы, в т.ч. ферменты понижают
энергетический барьер реакции (снижают
энергию активации), что делает возможным более
быстрое протекание реакции.

24. Общие свойства ферментов

1. Ферменты
–
это вещества белковой природы,
поэтому они обладают всеми
свойствами, характерными для
белков

25.

2. имеют сложное химическое строение.
Различают ферменты-протеины-
однокомпонентные ферменты
И ферменты-протеиды –
двукомпонентные
ферменты

26. Однокомпонентные ферменты

Специфические простые белки.
Каталитическая активность зависит от наличия
активного центра (АЦ)
АЦ имеет два участка:
каталитический и субстратный
У некоторых ферментов имеется так называемый
аллостерический центр, участвующий в регуляции
АЦ

27.

28. Ферменты-протеиды (двукомпонентные) (холоферменты)

Состоят из белковой части –
апофермент
И вещества небелковой природы –
кофермент
Роль коферментов выполняют производные
различных витаминов, металлы (железо, медь)

29.

Апофермент обуславливает
субстратную специфичность
фермента (на что действует
фермент)
Кофермент – обеспечивает
специфичность действия
фермента, тип реакции, которую
ведет фермент

30.

Двукомпонентные ферменты могут иметь
несколько молекулярных форм, которые
называются
изоферментами

31.

Изоферменты— молекулярные формы
ферментов, катализирующие одну и ту же
реакцию с одним и тем же субстратом, но в
различных условиях.
Они различаются по строению апофермента,
по физико-химическим свойствам, по сродству
апофермента к субстрату
Коферменты изоферментов одинаковы,
поэтому биологическое действие
изоферментов одинаково. Различия
проявляются в аминокислотном составе
полипептидных цепей, вследствие этого
изоферменты имеют различную молекулярную
массу, различный по величине заряд и легко
разделяются при электрофорезе.

32. Лактатдегидрогеназа (ЛДГ)

ускоряет реакцию дегидрирования молочной кислоты,
имеет пять изоферментов, которые отличаются
соотношением различных по строению
полипептидных цепей, но имеют одинаковый
кофермент — НАД.
В состав апофермента ЛДГ входят четыре
полипептидные цепи.
Различают Н-цепи (heart-сердце) и
М-цепи (muscle-мышцы).
Изоферменты ЛДГ отличаются соотношением
входящих в их состав цепей.

33.

НАД
СН3
СНОН
СООН
НАДН2
СН3
С=О
СООН

34.

Изоф
Типы пп цепей
ЛДГ1 - 4 цепи Н типа
ЛДГ2 - 3 цепи Н-типа и 1 цепь Мтипа
ЛДГ3 - 2 цепи Н типа 2 цепи М-типа
ЛДГ4 – 1 цепь Н-типа 3 цепи М-типа
ЛДГ5 - 4 цепи М-типа

35. Место нахождения

ЛДГ1 в сердце;
ЛДГ2 в основном, в сердце, почках
ЛДГ3 в легких
ЛДГ4, в печени, мышцах
ЛДГ5 в печени

36. ЛДГ1 ЛДГ2 ЛДГ3 ЛДГ4 ЛДГ5 сердце сердце легкие печень печень почки мышцы

ЛДГ1
ЛДГ2
ЛДГ3 ЛДГ4
ЛДГ5
сердце
сердце
почки
легкие
печень
мышцы
печень

37.

Изоферменты позволяют лучше приспособиться к
изменению внешних и внутренних факторов
и ведут одну и ту же реакцию в различных
метаболических условиях:
при различной концентрации субстрата и
продуктов реакции,
разных значениях рН,
имеют разную чувствительность к ингибиторам.

38. 3. Ферменты обладают специфичностью действия

способны избирательно действовать на
определенный субстрат и ускорять определенную
химическую реакцию.
Таким образом, различают субстратную
специфичность и
специфичность действия.
По степени проявления субстратная
специфичность разделяется на абсолютную и
относительную.

39. СПЕЦИФИЧНОСТЬ

субстратная
Абсолютная
Аргиназа
уреаза
сахараза
относительная
стереох липаза
пепсин
Специфичность
действия
Ферменты могут
воздействовать на один
субстрат, но при этом
катализировать только
одну определенную
реакцию.

40.

При абсолютной (индивидуальной)
специфичности фермент воздействует на одинединственный субстрат. Примером может служить
специфичность аргиназы, расщепляющей только
аргинин;
уреазы, катализирующей превращения только
мочевины;
сахаразы, гидролизующей только сахарозу.

41.

аргиназа
Аргинин
сахараза
Сахароза
орнитин +мочевина
глюкоза + фруктоза

42. Стереохимическая субстратная специфичность —

— высшее проявление абсолютной
субстратной специфичности. Фермент
катализирует превращение только одного из
возможных стереоизомеров субстрата.
Например, есть оксидазы L-аминокислот и
оксидазы Д-аминокислот.
Фумараза действует только на фумаровую
кислоту (транс-изомер) и не оказывает
действия на малеиновую кислоту (цис-форма

43.

Специфичность действия - это способность
ферментов производить с субстратом лишь
одно из возможных химических превращений.
Ферменты могут воздействовать на один
субстрат, но при этом катализировать только
одну определенную реакцию.
Примером может служить мультиферментный
пируватдегидрогеназный комплекс, субстратом
этого комплекса является пировиноградная
кислота.
Ферменты, входящие в этот комплекс,
выполняют каждый свою функцию —
декарбоксилаза отщепляет СО2, дегидрогеназы
дегидрируют субстрат и т. д.

44.

НАД НАДН2
СН3
С=О
СООН
НSКоА
СО2
СН3
С=О
SКоА

45. Относительная (групповая) специфичность.

Фермент, обладающий таким видом субстратной
специфичности, может оказывать воздействие на
группу сходных субстратов, имеющих одинаковый
тип связи.
Например, липаза расщепляет сложноэфирные
связи в липидах;
пепсин и трипсин расщепляют пептидные связи в
белках.

46.

ТАГ
Белки
липаза
ДАГ
НОН СЖК
пепсин
полипептиды

47. 4. Ферменты обладают большой мощностью действия.

Большинство реакций, катализируемых
ферментами, протекают в 10-100 раз быстрее, чем
некатализируемые реакции. Подсчитано, что
каждая молекула фермента способна ежесекундно
превращать от 100 до 1000 молекул субстрата.

48.

Для характеристики мощности действия
ферментов введено понятие катал — число
молекул субстрата, подвергающееся воздействию
одной молекулы фермента
в течение 1 минуты.

49.

Мощность большинства ферментов равна 1000
каталов,
мощность действия каталазы — 1.000.000 каталов,
амилазы — 240 000, а ацетилхолинэстеразы - более
1.000.000.
Высокая мощность действия ферментов
обусловливает высокую скорость химических
процессов в организме.

50.

5. Ферменты не входят в состав конечных
продуктов, катализируемых ими реакций
6.Ферменты – это катализаторы с регулируемой
активностью

51. Факторы, влияющие на активность ферментов

52. Влияние рН среды

Оптимум рН = 4 - 7
1,5 – 2,0
8,0-9,0
ИЭТ ИЭН
ИЭС ИЭЖ

53. Ферменты термолабильны

0
40-50
t
100

54.

обратимая
Инактивация
необратимая

55. Конкурентное ингибирование

56. Концентрация субстрата или фермента

S

57.

58.

1 класс - Оксидоредуктазы
2 класс - Трансферазы
3 класс - Гидролазы
4 класс - Лиазы.
5 класс - Изомеразы –
6 класс - Лигазы или синтетазы – ускоряют
процесс синтеза с использованием энергии АТФ

59.

60. Номенклатура и классификация ферментов

класс
подкласс,
подкласс
подподкласс,
в каждом подподклассе обозначен порядковый
номер представителя.

61.

Поэтому для каждого фермента существует шифр,
состоящий из 4 цифр – первая показывает номер
класса,
вторая – номер подкласса,
третья – номер подподкласса,
четвертая – место фермента в подподклассе.

62. Шифр для липазы поджелудочной железы

– 3.1.1.3.,
это означает, что липаза п/ж относится к
гидролазам, (третий класс, т.е. ускоряет
гидролиз),
к первому подклассу – эстеразам (т.е. ускоряет
гидролиз сложно-эфирных связей),
к первому подподклассу (т.е. ускоряет гидролиз
сложно-эфирных связей, образованных
карбоновыми кислотами), место в
подподклассе – третье.

63. 1 класс - Оксидоредуктазы

– ускоряют окислительно-восстановительные
реакции.

64. Оксидоредуктазы (ОР)

Дегидрогеназы
оксидазы
каталаза
пероксидаза
оксигеназы
гидроксилазы)

65. дегидрогеназы

Дегидрогеназы
Аэробные ДГ
анаэробные
К ДГ относятся
ферменты
осуществляющие
окисление вещества
путем дегидрирования
(Пиридинферменты)
флавинферменты

66. оксидазы

Цитохромы ЦХ (гемсодержащие гемопротеиды).
ЦХ служат переносчиками электронов

67. гидропероксидазы

Каталаза и пероксидаза
Катализируют реакции разложения перекиси
водорода

68. оксигеназы

Гидроксилазы и оксигеназы
Способствуют окислению субстрата, включая в его
молекулу кислород
Гидроксилазы включают атом кислорода
Оксигеназы способствуют включению молекулы
О2 , вызывая окислительное расщепление
двойной связи С=С

69. трансферазы

2 класс - Трансферазы – катализируют перенос
атомов или группы атомов от одного вещества на
другое.

70. гидролазы

3 класс - Гидролазы – катализируют распад
сложных веществ на более простые с участием
воды.

71. лиазы

4 класс - Лиазы – катализируют распад или синтез
веществ без участия воды.

72. изомеразы

5 класс - Изомеразы – катализируют процесс
изомеризации.

73. Лигазы или синтетазы

6 класс - Лигазы или синтетазы – ускоряют
процесс синтеза с использованием энергии АТФ

74. Применение ферментов в медицине

Ферментные препараты широко используются в
медицине:
Энзимодиагностика
Энзимотерапия
В качестве специфических реактивов для
определения ряда веществ
В качестве лекарственных средств

75. Применение ферментов в медицине

Ферментные препараты широко
используют в медицине
Ферменты в медицинской
практике используют в качестве
диагностических
(энзимодиагностика)
терапевтических средств
(энзимотерапия)

76. Клиническое значение определения отдельных ферментов

Большинство ферментов находятся в клетках и их
активность в сыворотке крови в норме
минимальна. При разрушении клеток
соответствующего органа ферменты попадают в
кровь и это служит индикатором повреждения
того или иного органа или ткани, так как
определенные ферменты органоспецифичны

77.

В этой связи наиболее значимыми для клиники
являются представители класса гидролаз,
трансфераз и ЛДГ.
Уровень активности альфа-амилазы в норме: в
сыворотке 25-220МЕ/л; в моче 10-490МЕ/л.
Увеличение активности данного фермента чаще
связана с поражением поджелудочной железы
(острый панкреатит), в меньшей мере слюнных
желез (паротит).

78.

Уровень активности сывороточной альдолазы
составляет 1-7,5ЕД/л (0,0038-0,020мкМ/мин•мл).
Сывороточная альдолаза (фруктозо-1,6дифосфатаза) увеличивается в основном при
заболеваниях скелетной мускулатуры
(прогрессирующая мышечная дистрофия)

79.

ЩФ (щелочная фосфатаза) широко распространена
в тканях человека, особенно в слизистой оболочке
кишечника, остеобластах, стенках
желчевыводящих путей, плаценте и
лактирующей молочной железе.
Она катализирует отщепление фосфатов от их
органических соединений, название получила в
связи с тем, что оптимум рН лежит в щелочной
среде (рН 8,6-10,1).

80.

Активность ЩФ повышается при холестазе
(застое желчи), или механической желтухе, а также
при заболеваниях костей

81. Кислая фосфатаза

Уровень активности КФ (кислая фосфатаза) в
норме 0-6,5МЕ/л. Этот фермент содержится почти
во всех органах и тканях человека, особенно в
печени, костях, почках, предстательной железе,
клетках крови.

82.

КФ (кислая фосфатаза) увеличивается в основном
при прогрессирующей болезни Педжета
(заболевание костной системы) ,
раке предстательной железы

83.

Аланинаминотрансфераза (АЛТ)
Аспартатаминотрансфераза (АСТ)
АЛТ и АСТ находятся во многих тканях, но больше
всего их в сердце и печени.

84.

Активность данных ферментов повышается
значительно при остром гепатите, некрозе печени,
травматическом повреждении мышц и инфаркте
миокарда.

85.

ГГТ находится в больших количествах в печени,
почках, поджелудочной железе.
Этот фермент считается маркером
рака поджелудочной железы,
застоя желчи
и поражения почек

86.

Для клинической диагностики важно понятие
«изоферменты»
Изоферменты – это множественные формы
одного и того же фермента, которые ускоряют одну
и ту же реакцию, действуют на один и тот же
субстрат, но располагаются в разных органах и
тканях.

87.

Изоферменты имеют одинаковое строение
кофермента (небелковой части) и разное строение
апофермента (белковой части), поэтому имеют
разную молекулярную массу и величину заряда и
легко делятся на фракции при электрофорезе. Так,
ЛДГ имеет 5 изоферментов, КФК - 3

88.

Креатинфосфотрансфераза, или
креатинфосфокиназа (КФК) имеет 3 изофермента –
КФК1 – в нервной ткани,
КФК2 - в сердце,
КФК3 – в мышцах.
Если нет признаков повреждения мышц и
нервной ткани, то повышение КФК характерно
для инфаркта миокарда.

89.

ЛДГ1 находится в сердце и эритроцитах;
ЛДГ2 – в основном в почках;
ЛДГ3 – в основном в легких;
ЛДГ4 – в основном в печени,
ЛДГ5 – в скелетных мышцах и печени.
Соответственно повышение той или иной фракции
ЛДГ говорит о локализации повреждения

90. Клиническое значение определения отдельных ферментов

Большинство ферментов находятся в клетках и их
активность в сыворотке крови в норме
минимальна. При разрушении клеток
соответствующего органа ферменты попадают в
кровь и это служит индикатором повреждения
того или иного органа или ткани, так как
определенные ферменты органоспецифичны

91.

В этой связи наиболее значимыми для клиники
являются представители класса гидролаз,
трансфераз и ЛДГ.
Уровень активности альфа-амилазы в норме: в
сыворотке 25-220МЕ/л; в моче 10-490МЕ/л.
Увеличение активности данного фермента чаще
связана с поражением поджелудочной железы
(острый панкреатит), в меньшей мере слюнных
желез (паротит).

92.

Уровень активности сывороточной альдолазы
составляет 1-7,5ЕД/л (0,0038-0,020мкМ/мин•мл).
Сывороточная альдолаза (фруктозо-1,6дифосфатаза) увеличивается в основном при
заболеваниях скелетной мускулатуры
(прогрессирующая мышечная дистрофия)

93.

ЩФ широко распространена в тканях человека,
особенно в слизистой оболочке кишечника,
остеобластах, стенках желчевыводящих путей,
плаценте и лактирующей молочной железе. Она
катализирует отщепление фосфатов от их
органических соединений, название получила в
связи с тем, что оптимум рН лежит в щелочной
среде (рН 8,6-10,1).

94.

Активность ЩФ повышается при холестазе
(застое желчи), или механической желтухе, а также
при заболеваниях костей
Уровень активности КФ в норме 0-6,5МЕ/л. Этот
фермент содержится почти во всех органах и
тканях человека, особенно в печени, костях,
почках, предстательной железе, клетках крови.

95.

КФ увеличивается в основном при
прогрессирующей болезни Педжета (заболевание
костной системы) и раке предстательной железы

96.

АЛТ и АСТ находятся во многих тканях, но больше
всего их в сердце и печени.
Активность данных ферментов повышается
значительно при остром гепатите, некрозе
печени, травматическом повреждении мышц и
инфаркте миокарда.

97.

ГГТ находится в больших количествах в печени,
почках, поджелудочной железе. Этот фермент
считается маркером рака поджелудочной железы,
застоя желчи и поражения почек

98.

Для клинической диагностики важно понятие
«изоферменты»
Изоферменты – это множественные формы
одного и того же фермента, которые ускоряют одну
и ту же реакцию, действуют на один и тот же
субстрат, но располагаются в разных органах и
тканях.

99.

Креатинфосфотрансфераза, или
креатинфосфокиназа (КФК) имеет 3 изофермента КФК1 – в нервной ткани, КФК2 - в сердце, КФК3 – в
мышцах. Если нет признаков повреждения мышц
и нервной ткани, то повышение КФК характерно
для инфаркта миокарда.

100.

ЛДГ1 находится в сердце и эритроцитах;
ЛДГ2 – в основном в почках;
ЛДГ3 – в основном в легких;
ЛДГ4 – в основном в печени,
ЛДГ5 – в скелетных мышцах и печени.
Соответственно повышение той или иной фракции
ЛДГ говорит о локализации повреждения

101.

Изоферменты имеют одинаковое строение
кофермента (небелковой части) и разное строение
апофермента (белковой части), поэтому имеют
разную молекулярную массу и величину заряда и
легко делятся на фракции при электрофорезе. Так,
ЛДГ имеет 5 изоферментов, КФК - 3

102. Применение гидролаз в медицине

гидролазы используются
для заместительной терапии.
Пепсин, трипсин, панкреатин
применяются при гастритах, при
резекции желудка, когда
вырабатывается недостаточное
количество фермента;

103.

для растворения тромба при
тромбофлебитах, инфаркте
миокарда.
Стрептокиназа предложена
академиком Е. П. Чазовым для
введения через катетер в сосуды
сердца для растворения тромбов;

104.

для рассасывания гематом
при
операциях на лице, травмах (в виде
таблеток, мази, содержащих гидролазы).
для рассасывания воспалительных
экссудатов при воспалении легких,
абсцессах легкого, плевритах,
пиелонефритах.
в стоматологии при обработке
десневых карманов при парадонтозе.
для лечения старости.

105. Литература основная

Т.Ш.Шарманов, С.М.Плешкова
«Метаболические основы питания с курсом
общей биохимии», Алматы, 1998 г.
Е.С. Северин «Биохимия», 2009 г.
С.Тапбергенов «Медицинская биохимия»,
Астана, 2001 г.
С.Сеитов «Биохимия», Алматы, 2001 г.
В.Дж.Маршал «Клиническая биохимия», 2000
г.

106. дополнительная

Б.Гринстейн, А.Гринстейн «Наглядная биохимия», 2000 г.
Т.Т.Березов, Б.Ф.Коровкин «Биологическая химия», 2002 г.
Д.Г.Кнорре, С.Д.Мызина «Биологическая химия», Москва, 2002 г.
Р.Марри, Д.Греннер «Биохимия человека», I-II том, 1993 г.
А.Ш.Зайчик, Л.Г.Чурилов «Основы патохимии», Москва, 2001 г.
Полосухина Т.Я., Аблаев Н.Р. «Материалы к курсу биологической химии»,
1977 – С. 3, 30-33, 47-49, 59-62.
Бышевский А.Ш., Терсенов О.А. «Биохимия для врача», 1994 – С. 34-54, 75,
95, 108, 214-216, 224, 249.
Н.Р. Аблаев Биохимия в схемах и рисунках, Алматы 2005 г.
Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами. Под ред. проф. Е.С.
Северина, А.Я. Николаева, М., 2002 г.

107. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1.
2.
3.
4.
5.
Что такое ферменты?
Назовите общие свойства ферментов.
Перечислите с соблюдением порядка шесть
классов ферментов
В каких случаях в крови повышается активность
АСТ и АЛТ?
Что бы вы хотели узнать по этой теме больше?