Ферменты. Стадии ферментативного катализа

1. Биохимия

Ферменты

2. Ферменты

По
своей
функции
ферменты
являются
биологическими
катализаторами.
Сущность
действия ферментов, так же как неорганических
катализаторов, заключается:
• в активации молекул реагирующих веществ,
• в разбиении реакции на несколько стадий,
энергетический барьер каждой из которых ниже
такового общей реакции.
Однако
энергетически
невозможные
реакции
ферменты катализировать не будут, они ускоряют
только те реакции, которые могут идти в данных
условиях.

3. Ферменты

Сходство ферментов и неорганических
катализаторов заключается в следующем:
• Катализируют
только
энергетически
возможные реакции.
• Не изменяют направления реакции.
• Ускоряют наступление равновесия реакции,
но не сдвигают его.
• Не расходуются в процессе реакции.

4. Ферменты

Отличия ферментов от неорганических катализаторов
позволяют им «работать» внутри живых тел и
делают их изучение очень важным направлением в
химии:
• Скорость ферментативной реакции намного выше.
• Высокая специфичность.
• Мягкие условия работы (внутриклеточные).
• Возможность регулирования скорости реакции.
• Скорость
ферментативной
реакции
пропорциональна количеству фермента.

5. Стадии ферментативного катализа

В
ферментативной
следующие этапы:
реакции
можно
выделить
1. Присоединение субстрата (S) к ферменту (E) с
образованием фермент-субстратного комплекса
(E-S).
2. Преобразование фермент-субстратного комплекса
в один или несколько переходных комплексов (EX) за одну или несколько стадий.
3. Превращение переходного комплекса в комплекс
фермент-продукт (E-P).
4. Отделение конечных продуктов от фермента.

6. Механизмы катализа

1. Кислотно-основной катализ – в активном центре
фермента
находятся
группы
специфичных
аминокислотных остатков, которые являются
хорошими донорами или акцепторами протонов.
Такие группы представляют собой мощные
катализаторы многих органических реакций.
2. Ковалентный катализ – ферменты реагируют со
своими субстратами, образуя при помощи
ковалентных связей очень нестабильные ферментсубстратные комплексы, из которых в ходе
внутримолекулярных
перестроек
образуются
продукты реакции.

7. Типы ферментативных реакций

В
зависимости от последовательности
взаимодействия между ферментом и
реактивами выделяют следующие типы
ферментативных реакций:
1. Случайная реакция
2. Последовательная реакция
3. Тип «пинг-понг»

8. Схема случайных реакций

В случайных реакциях последовательность
взаимодействия между субстратом и
реагентами не имеет значения:

9. Схема последовательных реакций

В этом случае к ферменту последовательно присоединяются
субстраты А и В, образуя "тройной комплекс", после чего
осуществляется катализ. Продукты реакции также
последовательно отщепляются от фермента.

10. Схема «пинг-понг»

В
этом случае фермент сначала взаимодействует с
субстратом А, отбирая у него какие либо химические
группы и превращая в соответствующий продукт. Затем к
ферменту присоединяется субстрат В, получающий эти
химические группы.

11. Строение ферментов

Все ферменты являются белками, поэтому, они, как и
остальные белки по составу делятся на простые и
сложные.
• Простые ферменты состоят только из аминокислот.
• Сложные ферменты имеют в своем составе белковую
часть, состоящую из аминокислот – апофермент, и
небелковую часть - кофактор. Кофактор, в свою очередь,
может
называться
коферментом
или
простетической группой.
Для осуществления катализа необходим полноценный
комплекс апобелка и кофактора, по отдельности катализ
они осуществить не могут. Как многие белки, ферменты
могут быть мономерами полимерами.

12. Строение ферментов

В составе фермента выделяют две области – активный
центр и аллостерический центр.
Активный центр – комбинация аминокислотных
остатков
(обычно
12-16),
обеспечивающая
непосредственное связывание с молекулой
субстрата и осуществляющая катализ. В активном
центре выделяют два участка:
• якорный (контактный, связывающий) – отвечает за
связывание и ориентацию субстрата в активном
центре,
• каталитический – непосредственно отвечает за
осуществление реакции.

13. Схема активного центра

14. Строение ферментов

Аллостерический центр – центр регуляции
активности
фермента,
который
пространственно отделен от активного центра
и имеется не у всех ферментов. Связывание с
аллостерическим
центром
какой-либо
молекулы (называемой активатором или
ингибитором,
а
также
эффектором,
модулятором,
регулятором)
вызывает
изменение конфигурации белка-фермента и,
как следствие, скорости ферментативной
реакции.

15. Строение ферментов

Аллостерические
ферменты
являются
полимерными белками,
активный и
регуляторный центры находятся в разных
субъединицах.

16. Мультиферментные комплексы

В мультиферментном комплексе несколько ферментов
прочно связаны между собой в единый комплекс и
осуществляют ряд последовательных реакций, в которых
продукт реакции непосредственно передается на
следующий фермент и является только его субстратом.
Благодаря таким комплексам значительно ускоряется
скорость превращения молекул.

17. Специфичность

Ферменты крайне избирательно запускают химические реакции, из всех
возможных вариантов направления фермент выбирает один нужный
и катализирует реакцию только в этом направлении – это и есть
специфичность действия катализатора.
Фермент может проявлять специфичность в отношении:
Одного из стереоизомеров. Почти все ферменты человеческого
организма реагируют только с L-аминокислотами. Это явление
называется стереоспецифичностью.
Одного вещества. Это абсолютная специфичность. Фермент «работает»
только с одним веществом.
Определенной группы веществ с общим строением. Это групповая
специфичность.
Определенной группы веществ с каким-либо общим свойством. Это
относительная групповая специфичность. Например, цитохром
Р450 окисляет только гидрофобные вещества, которых насчитывается
около 7000

18. Механизм специфичности ферментов

В
общем
случае
специфичность
обусловлена
взаимодействием определенных функциональных групп
субстрата и фермента. На данный момент существуют две
теории, объясняющие специфичность ферментов. Одна из
них объясняет абсолютную специфичность, другая –
групповую.
«Ключ-замок», она - же теория Фишера. Согласно этой
теории конфигурация молекулы фермента соответствует
только одному веществу. Они подходят друг к другу как
ключ и замок. Другое вещество (другой ключ) не сможет
взаимодействовать с субстратом. Эта теория легко
объясняет абсолютную специфичность.

19. Механизм специфичности ферментов

Согласно другой теории (теория Кошланда, «рука-перчатка»)
присоединение субстрата вызывает изменения в
молекуле
фермента,
которые
приводят
его
каталитический центр в соответствие с формой субстрата.
Эта теория хорошо объясняет групповую специфичность.

20. Регуляция активности фермента

В
течении времени активность фермента внутри клетки
непостоянна. Ферменты реагируют на изменение внешних и
внутренних условий клетки, что необходимо для её
нормального функционирования. Механизмов, которые
регулируют активность фермента всего 7:
1 Доступность субстрата или кофермента
2 Компартментализация
3 Изменение количества фермента
4 Ограниченный протеолиз ферментов
5 Аллостерическая регуляция
6 Белок-белковое взаимодействие
7 Ковалентная модификация

21. Кинетические способы регуляции

По закону действующих масс скорость пропорциональна
произведению
концентраций.
Уменьшение
концентраций приводит к уменьшению скорости
реакции.
Субстрат, или кофермент может подаваться к ферменту
дозировано – это и есть ограничение их доступности.
Компартментализация – это явление, когда фермент,
субстрат и кофермент концентрируются в определенных
органеллах (компартментах) клетки.
При определенных условиях клетка может сокращать
количество синтезируемого фермента, что сокращает
его концентрацию.

22. Аллостерическая регуляция

Аллостерические ферменты построены из двух и
более субъединиц: одни субъединицы содержат
каталитический
центр,
другие
имеют
аллостерический центр и являются регуляторными.
Присоединение эффектора к аллостерической
(регуляторной)
субъединице
изменяет
конформацию белка и, соответственно, активность
каталитической субъединицы.
В качестве отрицательного регулятора может
выступать конечный метаболит биохимического
процесса или продукт данной реакции.

23. Белок-белковое взаимодействие

Термин белок-белковое взаимодействие
обозначает ситуацию, когда в качестве
регулятора выступают не метаболиты
биохимических процессов, а специфичные
белки. В целом ситуация схожа с
аллостерическим
механизмом:
после
влияния
каких-либо
факторов
на
специфичные белки изменяется активность
этих белков, и они, в свою очередь,
воздействуют на нужный фермент.

24. Ковалентная модификация

Ковалентная модификация заключается в обратимом
присоединении или отщеплении определенной группы,
благодаря чему изменяется активность фермента. Чаще
всего такой группой является фосфорная кислота, реже
метильные и ацетильные группы.
Фосфорилирование фермента происходит по остаткам
серина и тирозина. Присоединение фосфорной кислоты
к белку осуществляют ферменты протеинкиназы,
отщепление –протеинфосфатазы.
Ферменты могут быть активны как в фосфорилированном,
так и в дефосфорилированном состоянии.

25. Ингибирование

В медицине активно разрабатываются и используются
соединения, изменяющие активность ферментов с целью
регуляции скорости метаболических реакций и
уменьшения синтеза определенных веществ в организме.
В медицине разделяют общий химический термин
«ингибитор»:
• на вещества, которые способны уменьшать активность
только одного фермента – это ингибиторы.
• на вещества, которые уменьшают активность вообще всех
ферментов – это инактиваторы.

26. Ингибирование

Можно
выделить
два
основных
направления
ингибирования:
• по прочности связывания фермента с ингибитором
ингибирование бывает обратимым (фермент можно
восстановить)
и необратимым (сводится к
необратимому изменению, или даже разрушению
молекулы фермента).
• по отношению ингибитора к активному центру
фермента ингибирование делят на конкурентное (когда
ингибитор начинает конкурировать с субстратом за
местно
на
активном
центре
фермента)
и
неконкурентное
(ингибитор
присоединяется не в активном центре фермента, а в
другой его части).