Сравнение каталитического действия ферментов и неорганических катализаторов
Кафедра биохимии
КУРС ЛЕКЦИЙ
ПО ОБЩЕЙ БИОХИМИИ
Модуль 1. Ферменты
Автор: к.б.н., доцент кафедры биохимии Гаврилов И.В.
Екатеринбург,
2009г
ЛЕКЦИЯ № 1
Тема: Введение в биохимию. Ферменты: строение, свойства, локализация, номенклатура и классификация
Факультеты: лечебно-профилактический, медико-профилактический, педиатрический.
2 курс.
Биохимия – наука, изучающая вещества, входящие в состав живых организмов, их превращения, а также взаимосвязь этих превращений с деятельностью органов и тканей.
Биохимия – наука, о химических основах процессов жизнедеятельности.
Биохимия - молодая наука, около ста лет назад она возникла на стыке физиологии и органической химии. Термин биохимия ввел в 1903г молодой немецкий биохимик Карл Нейберг (1877-1956).
Современная биохимия как наука делится на:
1) статическую (анализирует структуру и химический состав организмов);
2) динамическую (изучает обмен веществ и энергии в организме);
3) функциональную (исследует взаимодействие химических процессов с биологическими и физиологическими функциями).
По объектам исследования, биохимия делиться на:
1) биохимию человека и животных;
2) биохимию растений;
3) биохимию микроорганизмов;
4) вирусов.
Мы с вами будем заниматься медицинской биохимией, одним из разделов биохимии человека и животных.
Предметом медицинской биохимии является человек.
Цельюкурса медицинской биохимии является изучение:
1) молекулярных основ физиологических функций человека;
2) молекулярных механизмов патогенеза болезней;
3) биохимических основ предупреждения и лечения болезней;
4) биохимических методов диагностики болезней и контроля эффективности лечения.
Задачи курса медицинской биохимии:
1) изучить теоретический материал;
2) получить практический навык биохимических исследований;
3) научиться интерпретировать результаты биохимических исследований.
Медицинская биохимия связана со всеми фундаментальными и клиническими медицинскими дисциплинами. Патогенез любой патологии включает в себя нарушение нормальных биохимических процессов, лежащих в основе физиологических функций организма, а излечение патологии – нормализация нарушенных биохимических процессов и физиологических функций организма. Поэтому, биохимия является фундаментальной наукой для врача.
Ферменты. Химическая природа, физико-химические свойства и биологическая роль.
Основу жизнедеятельности любого организма составляют химические процессы. Практически все реакции в живом организме протекают с участием природных биокатализаторов, называемых ферментами или энзимами.
Ферменты - это белки (установлено в 1922г), которые действуют как катализаторы в биологических системах.
Являясь веществами белкой природы, ферменты обладают всеми свойствами белков:
1. являются амфотерными соединениями;
2. вступают в те же качественные реакции, что и белки (биуретовую, ксантопротеиновую, фолина и др.);
3. подобно белкам растворяются в воде с образованием коллоидных растворов;
4. обладают электрофоретической активностью;
5. гидролизуются до аминокислот;
6. склонны к денатурации под влиянием тех же факторов: температуры, изменениях рН, действием солей тяжелых металлов, действием физических факторов (ультразвук, ионизирующее излучение и др.);
7. имеют несколько уровней организации макромолекул, что подтверждено данными рентгеноструктурного анализа, ЯМР, ЭПР.
Биологическая роль ферментов заключается в том, что они катализируют контролируемое протекание всех метаболических процессов в организме.
Сравнение каталитического действия ферментов и неорганических катализаторов
| Сходство ферментов и неорганических катализаторов | Отличие ферментов от неорганических катализаторов |
| 1. Ускоряют только термодинамически возможные реакции | 1. Для ферментов характерна высокая специфичность: • субстратная специфичность: ▪ абсолютная (1 фермент - 1 субстрат), ▪ групповая (1 фермент – несколько похожих субстратов) ▪ стереоспецифичность (ферменты работают с субстратами только определенного стереоряда L или D). • каталитическая специфичность (ферменты катализируют реакции преимущественно одного из типов химических реакций – гидролиза, окисления-восстановления и др) |
| 2. Не изменяют состояние равновесия реакций, а только ускоряют его достижение. | 2. Высокая эффективность действия: ферменты ускоряют реакции в108-1014 раз. |
| 3. В реакциях не расходуются | 3. Ферменты действуют только в мягких условиях (t = 36-37ºС, рН ~ 7,4, атмосферное давление), т.к. они обладают конформационной лабильностью – способностью к изменению конформации молекулы под действием денатурирующих агентов (рН, Т, химические вещества). |
| 4. Действуют в малых количествах | 4. В организме действие ферментов регулируется специфически (катализаторы только неспецифически) |
| 5. Чувствительны к активаторам и ингибиторам | 5. Широкий диапазон действия (большинство процессов в организме катализируют ферменты). |
В настоящее время учение о ферментах является центральным в биохимии и выделено в самостоятельную науку – энзимологию. Достижения энзимологии используются в медицине для диагностики и лечения, для изучения механизмов патологии, а, кроме того, и в других областях, например, в сельском хозяйстве, пищевой промышленности, химической, фармацевтической и др.
Строение ферментов
Метаболит - вещество, которое участвует в метаболических процессах.
Субстрат –вещество, которое вступает в химическую реакцию.
Продукт –вещество, которое образуется в ходе химической реакции.
Ферменты характеризуются наличием специфических центров катализа.
Активный центр (Ац) – это часть молекулы фермента, которая специфически взаимодействует с субстратом и принимает непосредственное участие в катализе. Ац, как правило, находиться в нише (кармане). В Ац можно выделить два участка: участок связывания субстрата – субстратный участок (контактная площадка) и собственно каталитический центр.
Большинство субстратов образует, по меньшей мере, три связи с ферментом, благодаря чему молекула субстрата присоединяется к активному центру единственно возможным способом, что обеспечивает субстратную специфичность фермента. Каталитический центр обеспечивает выбор пути химического превращения и каталитическую специфичность фермента.
У группы регуляторных ферментов есть аллостерические центры, которые находятся за пределами активного центра. К аллостерическому центру могут присоединяться “+” или “–“ модуляторы, регулирующие активность ферментов.
Различают ферменты простые, состоят только из аминокислот, и сложные, включают также низкомолекулярные органические соединения небелковой природы (коферменты) и (или) ионы металлов (кофакторы).
Коферменты – это органические вещества небелковой природы, принимающие участие в катализе в составе каталитического участка активного центра. В этом случае белковую составляющую называют апоферментом, а каталитически активную форму сложного белка – холоферментом. Таким образом: холофермент = апофермент + кофермент.
В качестве коферментов функционируют:
· гемы,
· нуклеотиды,
· коэнзим Q,
· ФАФС,
· SAM,
· Глутатион
· производные водорастворимых витаминов:
| Витамины | Коферменты |
| РР (никотиновая кислота) | НАД+, НАДФ+ |
| В2 (рибофлавин) | ФАД, ФМН |
| В6 (пиридоксаль) | Пиридоксальфосфат |
| В1 (тиамин) | Тиаминпирофосфат |
| В12 | Кобаламины |
Кофермент, который присоединен к белковой части ковалентными связями называется простетической группой. Это, например, FAD, FMN, биотин, липоевая кислота. Простетическая группа не отделяется от белковой части. Кофермент, который присоединен к белковой части нековалентными связями называется косубстрат. Это, например, НАД+, НАДФ+. Косубстрат присоединяется к ферменту в момент реакции.
Кофакторы ферментов – это ионы металлов, необходимые для проявления каталитической активности многих ферментов. В качестве кофакторов выступают ионы калия, магния, кальция, цинка, меди, железа и т.д. Их роль разнообразна, они стабилизируют молекулы субстрата, активный центр фермента, его третичную и четвертичную структуру, обеспечивают связывание субстрата и катализ. Например, АТФ присоединяется к киназам только вместе с Mg2+.
Изоферменты – это множественные формы одного фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающие по физическим и химическим свойствам (сродству к субстрату, максимальной скорости катализируемой реакции, электрофоретической подвижности, разной чувствительности к ингибиторам и активаторам, оптимуму рН и термостабильности). Изоферменты имеют четвертичную структуру, которая образована четным количеством субъединиц (2, 4, 6 и т.д.). Изоформы фермента образуются в результате различных комбинаций субъединиц.
В качестве примера можно рассмотреть лактатдегидрогеназу (ЛДГ), фермент, который катализирует обратимую реакцию:
НАДН2 НАД+
пируват ←ЛДГ→ лактат
ЛДГ существует в виде 5 изоформ, каждая из которых состоит из 4-х протомеров (субъединиц) 2 типов М (muscle) и Н (heart). Синтез протомеров М и Н типа кодируется двумя разными генетическими локусами. Изоферменты ЛДГ различаются на уровне четвертичной структуры: ЛДГ1 (НННН), ЛДГ2 (НННМ), ЛДГ3 (ННММ), ЛДГ4 (НМММ), ЛДГ5 (ММММ).
Полипептидные цепи Н и М типа имеют одинаковую молекулярную массу, но в составе первых преобладают карбоновые аминокислоты, последних – диаминокислоты, поэтому они несут разный заряд и могут быть разделены методом электрофореза.
Кислородный обмен в тканях влияет на изоферментный состав ЛДГ. Где доминирует аэробный обмен, там преобладают ЛДГ1, ЛДГ2 (миокард, надпочечники), где анаэробный обмен - ЛДГ4, ЛДГ5 (скелетная мускулатура, печень). В процессе индивидуального развития организма в тканях происходит изменение содержания кислорода и изоформ ЛДГ. У зародыша преобладают ЛДГ4, ЛДГ5. После рождения в некоторых тканях происходит увеличение содержания ЛДГ1, ЛДГ2.
Существование изоформ повышает адаптационную возможность тканей, органов, организма в целом к меняющимся условиям. По изменению изоферментного состава оценивают метаболическое состояние органов и тканей.
Локализация и компартментализация ферментов в клетке и тканях.
Ферменты по локализации делят на 3 группы:
I – общие ферменты (универсальные)
II - органоспецифические
III - органеллоспецифические
Общие ферменты обнаруживаются практически во всех клетках, обеспечивают жизнедеятельность клетки, катализируя реакции биосинтеза белка и нуклеиновых кислот, образование биомембран и основных клеточных органелл, энергообмен. Общие ферменты разных тканей и органов, тем не менее, отличаются по активности.
Органоспецифичные ферменты свойственны только определенному органу или ткани. Например: Для печени – аргиназа. Для почек и костной ткани – щелочная фосфатаза. Для предстательной железы – КФ (кислая фосфатаза). Для поджелудочной железы – α-амилаза, липаза. Для миокарда – КФК (креатинфосфокиназа), ЛДГ, АсТ и т.д.
Внутри клеток ферменты также распределены неравномерно. Одни ферменты находятся в коллоидно-растворенном состоянии в цитозоле, другие вмонтированы в клеточных органеллах (структурированное состояние).
Органеллоспецифические ферменты. Разным органеллам присущ специфический набор ферментов, который определяет их функции.
Органеллоспецифические ферменты это маркеры внутриклеточных образований, органелл:
1) Клеточная мембрана: ЩФ (щелочная фосфатаза), АЦ (аденилатциклаза), К-Nа-АТФаза
2) Цитоплазма: ферменты гликолиза, пентозного цикла.
3) ЭПР: ферменты обеспечивающие гидроксилирование (микросомальное окисление).
4) Рибосомы: ферменты обеспечивающие синтез белка.
5) Лизосомы: содержат гидролитические ферменты, КФ (кислая фосфатаза).
6) Митохондрии: ферменты окислительного фосфорилирования, ЦТК (цитохромоксидаза, сукцинатдегидрогеназа), β-окисления жирных кислот.
7) Ядро клетки: ферменты обеспечивающие синтез РНК, ДНК ( РНК-полимераза, НАД-синтетаза).
8) Ядрышко: ДНК-зависимая-РНК-полимераза
В результате в клетке образуются отсеки (компартменты), которые отличаются набором ферментов и метаболизмом (компартментализация метаболизма).
Среди ферментов выделяется немногочисленная группа регуляторных ферментов, которые способны отвечать на специфические регуляторные воздействия изменением активности. Эти ферменты имеются во всех органах и тканях и локализуются в начале или в местах разветвления метаболических путей.
Строгая локализация всех ферментов закодирована в генах.
Определение в плазме или сыворотке крови активности органо- органеллоспецифических ферментов широко используется в клинической диагностике.