Автор текста – Анисимова Елена Сергеевна.
Авторские права защищены. Продавать текст нельзя.
Курсив не зубрить.
Замечание можно присылать по почте: exam_bch@mail.ru
https://vk.com/bch_5
Параграф 3.
Ферменты: свойства.
См. сначала п.57-79.
Содержание параграфа:
3. 1. П р и р о д а ф е р м е н т о в.
3. 2. Ф е р м е н т ы к а к к а т а л и з а т о р ы .
Последствия прекращения работы фермента
3. 3. О т л и ч и я ф е р м е н т о в (от обычных, неорганических катализаторов)
Специфичность действия ферментов:
Типы специфичности: …
Регулируемость активности ферментов
3. 4. О с н о в н ы е с в о й с т в а ф е р м е н т о в к а к б е л к о в:
3. 4. 1. Узнавание лигандов
3. 4. 2. Колоколообразная зависимость активности фермента от температуры и от рН Зависимость от температуры.
Как изменяется активность фермента при изменении температуры.
Причины изменения активности фермента при изменении температуры.
3.4.3. Зависимость от рН (кислотности, концентрации Н+ = протонов = ионов водорода).
3.4.3. Зависимость от рН (кислотности, концентрации Н+ = протонов = ионов водорода).
Как изменяется активность фермента при изменении рН.
Причины изменения активности фермента при изменении рН.
Ацидоз и алкалоз.
Ферменты с необычными оптимумами рН
Организм способен защищаться от вредных воздействий.
3. 4. 4. Денатурируемость ферментов и белков
3. 4. 5 Обратимое высаливание.
3. 5. К Л А С С И Ф И К А Ц И Я (ферментов).
К Л А С С Ы ферментов.
Единицы измерения активности ферментов.
3. 1. П р и р о д а ф е р м е н т о в.
Природа ферментов – БЕЛКОВАЯ (то есть ферменты являются белками).
Из этого факта следует:
необходимость наличия в пище незаменимых аминокислот
(в составе белков таких продуктов, как молочные, мясо, рыба, яйцо, соя и другие бобовые), витаминов и минералов – п.4.
А также – необходимость наличия качественные генов –
то есть таких, которые кодируют ферменты с нормальной активностью.
Также следует то, что активность ферментов исчезает при отклонении от оптимальных условий: при повышении и снижении температуры и рН, при действии ингибиторов и т.д.
3. 2. Ф е р м е н т ы к а к к а т а л и з а т о р ы .
Ферменты осуществляют КАТАЛИЗ химических реакций в организме.
В этом значение ферментов для организма.
Кроме ферментов (то есть белковых катализаторов), в организме есть еще одна группа органических катализаторов –
они называются рибозимами и с точки зрения химии являются РНК (название рибозим означает «рибонуклеиновый энзим»).
Без работы ферментов в качестве катализаторов жизнь организма невозможна,
так как без участия ферментов большинство реакций организма протекали бы с крайне низкой скоростью.
Вещество, превращение которого фермент катализирует, называется СУБСТРАТОМ фермента.
Вещество, которое образуется в результате химической реакции, называется продуктом реакции.
Последствия прекращения работы фермента –
прекращение работы фермента приводит к снижению скорости реакции, катализируемой этим ферментом, что приводит к
к накоплению субстрата реакции
и к дефициту продукта реакции.
Накопление такого субстрата, как аммиак (в случае с прекращение работы ферментов синтеза мочевины),
или дефицит такого продукта, как АТФ (в случае с прекращением работы ферментов дыхательной цепи, например),
приводят к смерти.
У ферментов есть свойства, присущие любым катализаторам – как и все катализаторы, ферменты:
1) не расходуются при реакции (по определению; но участвуют в реакции),
2) катализируют только возможные реакции (с точки зрения термодинамики),
3) не изменяют направление реакции, не делают необратимую реакцию обратимой,
4) не влияют на положение равновесия реакции (но ускоряют момент наступления равновесия).
То есть ферменты не могут ничего, кроме ускорения реакции.
3. 3. О т л и ч и я ф е р м е н т о в
(от обычных, неорганических катализаторов):
1) ценные отличия:
специфичность действия,
регулируемость активности ферментов,
широта действия ферментов в целом,
высокая активность ферментов (ускорение реакций в 108 – 1011 раз (и даже в 1014 и 1017).
2) «минусы», «недостатки» ферментов:
ферменты не могут работать при высоких температурах,
при высоких давлениях,
в сильно кислой и сильно щелочной среде,
так как в этих условиях происходит денатурация белков
(но есть исключения – пепсин работает в резко кислой среде, оксидазы могут работать в щелочной среде).
Именно поэтому организм плохо переносит ацидоз, алкалоз, повышение температуры тела и так далее.
Отличия обусловлены белковой природой ферментов (см. следующий пункт).
Специфичность действия ферментов:
– это означает, что фермент катализирует одну или несколько реакций (как правило).
В отличие от неорганических катализаторов, представитель которых способен катализировать сотни реакций.
Типы специфичности:
Есть ферменты у которых только один субстрат,
а есть ферменты, у которых несколько или сотни субстратов.
Если фермент катализирует одну реакцию, то специфичность такого фермента называют АБСОЛЮТНОЙ.
Если фермент катализирует несколько реакций, то специфичность фермента называют ОТНОСИТЕЛЬНОЙ.
Существуют ферменты, которые катализируют сотни реакций (то есть ферменты с очень широкой субстратной и реакционной специфичностью).
Примером является цитохром Р 450 (п.118), у которого известно более 7000 субстратов.
Причем это является достоинством цитохрома Р 450,
так как позволяет метаболизировать даже такие субстраты (особенно это важно в отношении обезвреживания ксенобиотиков), которые раньше не попадали в организм.
Если у фермента один субстрат, то говорят, что у него абсолютная СУБСТРАТНАЯ специфичность.
Если фермент катализирует только одну реакцию, то говорят, что у него абсолютная РЕАКЦИОННАЯ специфичность.
Ели несколько субстратов – относительная субстратная специфичность.
Если несколько реакций – относительная реакционная специфичность.
Пример фермента с абсолютной специфичностью – аргиназа.
О специфичности пептидаз (п.61):
Набор пептидаз способен расщеплять миллионы разных белков, в том числе впервые попавшие в организм.
То есть у набора пептидаз специфичность очень широкая.
Но конкретная пептидаза расщепляет строго определеннее типы пептидных связей (то есть с конкретными аминоацилами – например, только с положительно заряженными),
То есть у конкретной пептидазы специфичность не широкая.
Широта действия ферментов в целом –
это значит, что все ферменты клетки (или организма) катализируют тысячи реакций.
Регулируемость активности ферментов
(см. п.6,7)
– это означает, что активность ферментов может изменяться (увеличиваться или уменьшаться).
Значение регулируемости ферментов в том, что благодаря ей есть
возможность изменять скорость реакций в соответствии с потребностями организма.
Например, при совершении мышечной работы увеличивается потребность в выработке АТФ –
поэтому активируются ферменты процессов, которые приводят к выработке АТФ (липолиз, ЦТК, ДЦ и другие).
3. 4. О с н о в н ы е с в о й с т в а ф е р м е н т о в к а к б е л к о в:
1) УЗНАВАНИЕ ЛИГАНДОВ
(с этим свойством ферментов связаны специфичность и регулируемость);
2) КОЛОКОЛООБРАЗНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ активности ферментов от температуры,
3) КОЛОКОЛООБРАЗНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ активности ферментов от рН,
4) ДЕНАТУРИРУЕМОСТЬ тяжелыми металлами, излучениями, растворителями (наряду с высокими температурами, низким и высоким рН),
5) обратимое ВЫСАЛИВАНИЕ,
6) высокая молекулярная МАССА – 10 000 – 1000 000 Дальтон.
3. 4. 1. Узнавание лигандов:
(1) Лиганд – это вещество, которое узнается и связывается молекулой фермента специфично.
Специфично – это значит, что связывается определенное вещество, в определенном участке молекулы белка.
Специфичность основана на КОМПЛЕМЕНТАРНОСТИ,
то есть на соответствии свойств лиганда и участка молекулы фермента, в котором связывается лиганд.
Узнавание лигандов – это значит, что молекула фермента способна узнавать и связывать вещества специфично.
Примеры лигандов ферментов – субстрат фермента, регулятор активности белка, субъединицы олигомерных белков и другие.
Регулируемость активности молекул ферментов связана
со способностью ферментов и других белков связывать лиганды,
потому что связывание фермента с лигандом может приводить
к определенному изменению конформации молекулы фермента
и вследствие этого – к изменению активности молекулы
(в этом случае лиганд оказывается регулятором активности молекулы фермента).
(2) Колоколообразная зависимость активности фермента от температуры и от рН –
так называется ВИД ГРАФИКА зависимости активности фермента
от рН или от температуры – график похож на колокол.
На оси ординат отмечается скорость реакции (которая является мерилом активности фермента),
а на оси абсцисс отмечается рН или температура.
3. 4. 2. Зависимость от температуры.
Как изменяется активность фермента при изменении температуры.
При повышении температуры скорость реакции повышается до значения 37 градусов Цельсия (причиной повышения активности является. При 37 градусах скорость реакции максимальна. При повышении температуры выше 37 градусов скорость реакции снижается.
Причины изменения активности фермента при изменении температуры.
Причиной повышения скорости реакции
при повышении температуры до 37 градусов
является увеличение кинетической энергии молекул.
Значение температуры (37 градусов), при котором скорость реакции (и активность фермента) максимальна,
называют оптимумом температуры (то есть оптимальным для работы фермента значением температуры).
Причиной понижения скорости реакции
при повышении температуры выше 37 градусов является
денатурация молекул фермента
(которая приводит к потере ими функционально активной конформации).
Температура тела человека должна быть 37 градусов именно потому, что
37 градусов по Цельсию оптимальны для работы ферментов и других белков.
Понижение температуры тела ниже 37 градусов приводит
к снижению активности ферментов
и вследствие этого – к снижению скорости реакций,
а снижение скорости реакций – к дефициту продуктов реакций (в том числе АТФ)
и к накоплению субстратов реакций (в том числе таких токсичных, как аммиак).
Повышение температуры тела выше 37 градусов ощущается как неприятное и опасно потому, что
приводит к нарушению активности ферментов, а затем к денатурации молекул белков.
3.4.3. Зависимость от рН (кислотности, концентрации Н+ = протонов = ионов водорода).
1. Как изменяется активность фермента при изменении рН.
Скорость реакции большинства ферментативных реакций (кроме реакций пепсина и оксидаз)
максимальна при рН около 7, то есть в нейтральной среде.
При повышении рН выше 7 скорость реакции снижается.
При понижении рН ниже 7 скорость реакции тоже снижается.
Причины изменения активности фермента при изменении рН.
Причиной понижения скорости
ферментативной реакции при понижении и при повышении рН
является денатурация молекул фермента (то есть потеря ими функционально активной конформации).
Значение рН, при котором скорость реакции (активность фермента) максимальна,
называют оптимумом рН
(то есть оптимальным для работы фермента значением рН).
рН организма (кроме полости желудка, где рН может быть около 2) должно быть около 7 именно потому, что
рН 7 оптимально для работы большинства ферментов и других белков (есть исключения: пепсин, оксидазы – см. далее).
Ацидоз и алкалоз.
Понижение рН организма ниже 7 называют ацидозом
(«закислением»; «ацид» - кислота),
а повышение рН выше 7 называют алкалозом («защелачиванием»).
И при ацидозе, и при алкалозе происходит снижение активности ферментов
и вследствие этого – снижение скорости реакций,
а снижение скорости реакций приводит к дефициту продуктов реакций (в том числе АТФ)
и к накоплению субстратов реакций (в том числе таких токсичных, как аммиак).
Ацидоз и алкалоз неприятны (тошнота и т.д.) и опасны для организма,
поэтому в организме существуют механизмы поддержания нормального рН
(см. буферные системы в физиологии) –
за счет удаления избытка протонов или образования недостающих протонов.
Образованию протонов способствуют:
диссоциация кислот
и более редкое дыхание.
Удалению протонов способствует связывание протонов с акцепторами протонов (бикарбонатом, белками плазмы),
выведение почками солей аммония
и более частое дыхание (Н+ + НСО3 ; Н2СО3 ; Н2О + СО2).
В регуляции рН участвуют кровь, почки, легкие.
Ферменты с необычными оптимумами рН
Есть ферменты, оптимум рН которых не около 7 – например, пепсин и оксидазы.
Пепсин активен в кислой среде, оптимум рН пепсина около 2,
и именно поэтому в полости желудка должно создаваться рН около 2 за счет секреции ионов водорода и хлора (соляной кислоты) – п.61.
(У соляной кислоты в полости желудка есть и другие функции, кроме поддержания рН).
Оксидазы активны в щелочной среде (оптимум рН около 9-10),
но рН 9-10 в организме нет,
поэтому оксидазы работают в организме при рН около 7,
и активность оксидаз в организме меньше максимальной (из-за отсутствия их оптимума рН 9-10),
но организму достаточно не максимальной активности оксидаз.
3. 4. 4. Денатурируемость ферментов и белков
тяжелыми металлами,
излучениями,
растворителями
высокими температурами,
низким и высоким рН (о которых говорилось в пунктах (2) и (3)).
Денатурируемость – это способность денатурироваться,
то есть терять функционально активную конформацию.
В случае с белками речь идет о разрушении третичной (или четвертичной) структуры –
то есть о превращении третичной во вторичную или первичную.
Потеря белками функционально активной конформации приводит к прекращению работы белков,
в результате чего нарушаются процессы в организме,
что может стать причиной плохого самочувствия и смерти.
Вывод – тяжелые металлы, излучения и растворители (то есть денатураторы) опасны для жизни.
Примеры тяжелых металлов – ртуть, свинец, кадмий.
Пример вреда излучения –
лучевая болезнь после радиоактивного облучения,
риск онкологических заболеваний кожи после ультрафиолетового облучения
(особенно при повреждении озонового слоя атмосферы,
в том числе из-за аэрозолей и холодильного оборудования).
Излучения опасны из-за способности увеличивать образование в организме
активных форм кислорода (АФК) – прооксидантное действие излучений – п.27.
Организм способен защищаться от вредных воздействий. –
Нормальная конформации белков может поддерживаться с помощью ШАПЕРОНОВ (известно, что при повреждении белков в клетке происходит увеличение синтеза – то есть индукция – шаперонов – п.85).
Поврежденные белки могут заменяться заново синтезированными белками.
Пример защиты от тяжелых металлов – связывание металлов особыми белками – глутатион/трансферазой (лигандинами), метало/тионеинами и пептидом глутатионом (п.120).
Пример защиты от влияния излучений – разрушение образованных под действием излучений АФК антиоксидантной системой организма,
а также «исправление» (восстановление) этой же системой тех повреждений в клетке, которые произошли под действием АФК.
Чтобы организм в полной мере проявил свои способности защищаться и восстанавливаться,
в организм должны поступать необходимые вещества – витамины, минералы, незаменимые аминокислоты и так далее;
остальное зависит от наследственности – от генов, от качества кодируемых ими белков (например, активны или не активны антиокислительные ферменты).
3. 4. 5 Обратимое высаливание.
Высаливание белков – это выпадение белка в осадок из раствора
при добавлении в раствор соли («осаждении белков солями»).
Обратимость высаливания означает, что при восстановлении исходной концентрации раствора (путем добавлении воды)
белок снова переходит в растворенное состояние (осадок исчезает).
Выпадение белков в осадок при добавлении солей происходит потому, что ионы солей притягивают к себе молекулы воды для образования из молекул воды оболочек (гидратных) для ионов,
в том числе молекулы воды, которые входили в состав гидратных оболочек молекул белков –
это приводит к разрушению гидратных оболочек белков, в результате чего молекулы белков «слипаются» друг с другом и выпадают в осадок.
3. 5. К Л А С С И Ф И К А Ц И Я (ферментов).
Ферменты делят на 6 классов,
классы делят на подклассы,
подклассы делят на подподклассы,
а в рамках подподкласса каждому ферменту присваивается индивидуальный номер.
Все классы, подклассы и подподклассы обозначаются строго определенным номером;
в результате каждый фермент может быть обозначен четырьмя цифрами –
эти цифры называются классификационной формулой и записаны в каталоге ферментов.
Например, цифры 1.1.1.27 КФ означают, что
фермент относится к первому классу (к оксидоредуктазам),
к первому подклассу (к дегидрогеназам),
к первому подподклассу
и в рамках подподкласса имеет индивидуальный номер 27.
Этими цифрами обозначается фермент ЛДГ.
К Л А С С Ы ферментов.
Деление ферментов на классы основано на типе реакций,
которые катализируются ферментами.
К 1-му классу ферментов относятся ферменты,
которые катализируют окислительно-восстановительные реакции;
название 1-го класса ферментов – ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ.
Ко 2-му классу относятся ферменты, которые катализируют
реакции ПЕРЕНОСА (трансферирования) функциональных групп,
и поэтому название 2-го класса – ТРАНСФЕРАЗЫ (в переводе на русский – переносчики).
К 3-му классу относятся ферменты, которые катализируют реакции ГИДРОЛИЗА,
и поэтому название 3-го класса – ГИДРОЛАЗЫ.
К 4-му классу относятся ферменты, которые катализируют
реакции образования связей без участия АТФ
или расщепления связей без присоединения воды;
часто реакция этого класса происходит образование или расщепление двойных связей;
название 4-го класса – ЛИАЗЫ.
К 5-му классу относятся ферменты, которые катализируют
реакции изомеризации (превращения одного изомера в другой),
и поэтому название 5-го класса – ИЗОМЕРАЗЫ.
К 6-му классу относятся ферменты, которые катализируют
реакции синтеза (образования связей) с затратой энергии расщепления АТФ;
названия 6-го класса – СИНТЕТАЗЫ и ЛИГАЗЫ
(не путать с лиазами, в названии которых нет буквы «г», и с синтазами).
1-й КЛАСС ферментов – ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ
Примеры оксидоредуктаз –
1) дегидрогеназы (ЛДГ, ПДГ и т.д.),
2) оксидазы (КсО, МАО),
3) оксигеназы (диоксигеназы и монооксигеназы = гидроксилазы),
4) редуктазы (глутатион/редуктаза),
5) цитохромы (Р 450 и ДЦ),
6) антиокислительные ферменты (глутатион/пероксидаза и другие – п.27).
В классе оксидоредуктаз выделяют 18 подклассов, номера и называния которых не требуется учить.
2-й КЛАСС ферментов – ТРАНСФЕРАЗЫ.
Об образовании названий подклассов трансфераз –
названия подклассов трансфераз образуется путем
добавления к названию класса названия переносимой группы.
Примеры подклассов класса трансфераз –
метилтрансферазы, ацилтрансферазы, аминотрансферазы, фосфотрансферазы (=киназы).
1) Метил/трансферазами называются трансферазы (переносчики) метильной группы.
2) Ацил/трансферазами называются трансферазы ацильных групп.
3) Фосфо-трансферазами называются трансферазы (переносчики) фосфатной группы.
Чаще используется синоним фосфо/трансфераз – К И Н А З Ы.
Источником переносимой фосфатной группы обычно является АТФ,
а присоединение фосфатной группы к веществу называется фосфорилированием.
4) Амино/трансферазами называются трансферазы аминогруппы
(лучше сказать, что аминотрансферазы катализируют реакции переаминирования – п.64).
3-й КЛАСС ферментов – ГИДРОЛАЗЫ.
Примеры подклассов класса гидролаз –
гликозидазы, пептидазы, нуклеазы, эстеразы (примеры эстераз – липазы и фосфатазы).
1) Гликозидазы гидролизуют ГЛИКОЗИДНЫЕ связи (в углеводах).
2) Пептидазы гидролизуют ПЕПТИДНЫЕ связи (в пептидах и белках).
3) Нуклеазы гидролизуют ФОСФОДИЭФИРНЫЕ связи в нуклеиновых кислотах.
4) Эстеразы гидролизуют СЛОЖНОЭФИРНЫЕ связи
(в сложных эфирах – эстерах).
Липазами называются эстеразы, которые гидролизуют связи с остатками жирных кислот (и в результате – отщепление жирных кислот).
Фосфатазами называют эстеразы, которые гидролизуют СВЯЗИ С ОСТАТКАМИ ФОСФОРНОЙ кислоты
(в результате чего фосфат отщепляется – это называется дефосфорилированием).
4-й КЛАСС ферментов - ЛИАЗЫ
Примеры ЛИАЗ – декарбоксилазы, альдолаза, синтазы (не путать с синТЕтазами).
Декарбоксилазы катализируют декарбоксилирование (см. п.63),
альдолазы встречаются в гликолизе (п.32), ГНГ (п.33) и в унификации фруктозы,
пример синтазы – цитрат/синтаза в ЦТК (п.21).
5-й КЛАСС ферментов - ИЗОМЕРАЗЫ
Примеры изомераз – изомеразы и мутазы. П.21, 32.
6-й КЛАСС.
Примеры синтетаз (= лигаз) – ацилКоАсинтетаза
(фермент активации жирных кислот – п.44 и 45),
ДНК-полимераза (см. о репликации п.79) и РНК-полимераза (см. о транскрипции п.80).
3.6. Единицы активности (ферментов): самостоятельно
Активность ферментов измеряется в том,
какое количество субстрата потратилось за единицу времени
или какое количество продукта образовалось за единицу времени.
(То есть насколько изменилась концентрация субстрата или продукта за единицу времени).
Единицей измерения активности ферментов является КАТАЛ (кат) –
количество фермента, которое превращает 1 моль субстрата за 1 секунду.
Другая единица измерения активности ферментов – это международная единица (Е):
количество фермента, которое превращает 1 мкмоль субстрата в 1 минуту.
Моль в секунду – катал, мкмоль в минуту – Е.
1Е равна 16,7нкат.