Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Ферменти



План:


Введення

Модель ферменту нуклеозид -фосфорілази

Ферменти або ензими (від лат. fermentum , греч. ζύμη , ἔνζυμον - Закваска) - зазвичай білкові молекули або молекули РНК ( рібозіми) або їх комплекси, що прискорюють ( каталізують) хімічні реакції в живих системах. Реагенти в реакції, що каталізується ферментами, називаються субстратами, а отримувані речовини - продуктами. Ферменти специфічні до субстратів (АТФаза каталізує розщеплення тільки АТФ, а киназа фосфорілази фосфорилирует тільки фосфорилазу). Ферментативна активність може регулюватися активаторами і інгібіторами (активатори - підвищують, інгібітори - знижують). Білкові ферменти синтезуються на рибосомах, а РНК - в ядрі.

Терміни "фермент" і "ензим" давно використовують як синоніми (перший в основному в російській і німецькій науковій літературі, другий - в англо-і франкомовної).
Наука про ферменти називається ензимології, а не ферментологія (щоб не змішувати коріння слів латинської та грецької мов).


1. Історія вивчення

Термін фермент запропонований в XVII столітті хіміком ван Гельмонтом при обговоренні механізмів травлення.

В кін. ХVIII - поч. XIX ст. вже було відомо, що м'ясо перетравлюється шлунковим соком, а крохмаль перетворюється на цукор під дією слини. Однак механізм цих явищ був невідомий [1]

У XIX в. Луї Пастер, вивчаючи перетворення вуглеводів в етиловий спирт під дією дріжджів, дійшов висновку, що цей процес ( бродіння) каталізується якоюсь життєвою силою, що перебуває в дріжджових клітинах.

Більше ста років тому терміни фермент і ензим відображали різні точки зору в теоретичному спорі Л. Пастера з одного боку, і М. Бертло і Ю. Лібіха - з іншого, про природу спиртового бродіння. Власне ферментами (від лат. fermentum - Закваска) називали "організовані ферменти" (тобто самі живі мікроорганізми), а термін ензим (від греч. ἐν- - В-і ζύμη - дріжджі, закваска) запропонований в 1876 ​​В. Кюне для "неорганізованих ферментів", секретується клітинами, наприклад, в шлунок ( пепсин) або кишечник ( трипсин, амілаза). Через два роки після смерті Л. Пастера в 1897 Е. Бухнер опублікував роботу "Спиртове бродіння без дріжджових клітин", в якій експериментально показав, що безклітинний дріжджовий сік здійснює спиртове бродіння так само, як і незруйновані дріжджові клітини. В 1907 за цю роботу він був удостоєний Нобелівської премії. Вперше високоочищений кристалічний фермент (уреаза) був виділений в 1926 році Дж. Самнером. Протягом наступних 10 років було виділено ще кілька ферментів, і білкова природа ферментів була остаточно доведена.

Каталітична активність РНК вперше була виявлена ​​в 1980-і роки у пре-рРНК Томасом Чеком, що вивчав сплайсинг РНК у інфузорії Tetrahymena thermophila. Рибозимів виявилася ділянка молекули пре-рРНК Tetrahymena, що кодується Інтрон позахромосомних гена РДНК; цю ділянку здійснював аутосплайсінг, тобто сам вирізав себе при дозріванні рРНК.


2. Функції ферментів

Ферменти присутні у всіх живих клітинах і сприяють перетворенню одних речовин ( субстратів) в інші (продукти). Ферменти виступають в ролі каталізаторів практично у всіх біохімічних реакціях, що протікають в живих організмах - ними каталізується більше 4000 різних біохімічних реакцій [2]. Ферменти відіграють найважливішу роль у всіх процесах життєдіяльності, направляючи й регулюючи обмін речовин організму.

Подібно до всіх каталізаторів, ферменти прискорюють як пряму, так і зворотну реакцію, знижуючи енергію активації процесу. Хімічна рівновага при цьому не зміщується ні в пряму, ні у зворотний бік. Відмінною особливістю ферментів в порівнянні з небілкових каталізаторами є їх висока специфічність - константа зв'язування деяких субстратів з білком може досягати 10 -10 моль / л і менше. Кожна молекула ферменту здатна виконувати від декількох тисяч до декількох мільйонів "операцій" в секунду. Наприклад, одна молекула ферменту реніну, що міститься в слизовій оболонці шлунка теля, створаживается близько 10 6 молекул казеїноген молока за 10 хв при температурі 37 C. При цьому ефективність ферментів значно вище ефективності небілкових каталізаторів - ферменти прискорюють реакцію в мільйони і мільярди разів, небілкові каталізатори - в сотні і тисячі разів.


3. Класифікація ферментів

За типом каталізуються реакцій ферменти підрозділяються на 6 класів згідно ієрархічної класифікації ферментів ( КФ, EC - Enzyme Comission code). Класифікація була запропонована Міжнародним союзом біохімії та молекулярної біології (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Кожен клас містить підкласи, так що фермент описується сукупністю чотирьох чисел, розділених крапками. Наприклад, пепсин має назву ЄС 3.4.23.1. Перше число грубо описує механізм реакції, що каталізується ферментом:

Будучи каталізаторами, ферменти прискорюють як пряму, так і зворотну реакцію, тому, наприклад, ліази здатні каталізувати і зворотну реакцію - приєднання по подвійних зв'язків.


4. Угоди про найменування ферментів

Зазвичай ферменти іменують за типом каталізуються реакції, додаючи суфікс-аза до назви субстрату (наприклад, лактаза - фермент, що бере участь у перетворенні лактози). Таким чином, у різних ферментів, що виконують одну функцію, буде однакова назва. Такі ферменти розрізняють за іншими властивостями, наприклад, по оптимальному pH ( лужна фосфатаза) або локалізації в клітині (мембранна АТФаза).


5. Кінетичні дослідження

Крива насичення хімічної реакції, що ілюструє співвідношення між концентрацією субстрату [S] і швидкістю реакції v

Найпростішим описом кінетики ( англ. Enzyme kinetics ) Односубстратних ферментативних реакцій є рівняння Міхаеліса - Ментен (див. рис.). На сьогоднішній момент описано декілька механізмів дії ферментів. Наприклад, дія багатьох ферментів описується схемою механізму "пінг-понг".

У 1972-1973 р.р. була створена перша квантово-механічна модель ферментативного каталізу (автори М. В. Волькенштейн, Р. Р. Догонадзе, З. Д. Урушадзе та ін) [3] [4] [5] [6]


6. Структура і механізм дії ферментів

Активність ферментів визначається їх тривимірною структурою [7].

Як і всі білки, ферменти синтезуються у вигляді лінійного ланцюжка амінокислот, яка згортається певним чином. Кожна послідовність амінокислот згортається особливим чином, і получающаяся молекула (білкова кулька) володіє унікальними властивостями. Кілька білкових ланцюгів можуть об'єднуватися в білковий комплекс. Третинна структура білків руйнується при нагріванні або дії деяких хімічних речовин.

Щоб каталізувати реакцію, фермент повинен зв'язатися з одним або кількома субстратами. Білкова ланцюг ферменту згортається таким чином, що на поверхні глобули утворюється щілина, або западина, де зв'язуються субстрати. Ця область називається сайтом зв'язування субстрату. Зазвичай він збігається з активним центром ферменту або знаходиться поблизу нього. Деякі ферменти містять також сайти зв'язування кофакторів або іонів металів.

Фермент, з'єднуючись з субстратом:

  • очищає субстрат від водяної "шуби"
  • розпорядженні реагують молекули субстратів в просторі за потрібне для протікання реакції чином
  • готує до реакції (наприклад, поляризує) молекули субстратів.

Зазвичай приєднання ферменту до субстрату відбувається за рахунок іонних або водневих зв'язків, рідко - за рахунок ковалентних. Наприкінці реакції її продукт (або продукти) відокремлюються від ферменту.

У результаті фермент знижує енергію активації реакції. Це відбувається тому, що в присутності ферменту реакція йде іншим шляхом (фактично відбувається інша реакція), наприклад:

У відсутності ферменту:

  • А + В = АВ

У присутності ферменту:

  • А + Ф = АФ
  • АФ + В = АВФ
  • АВФ = АВ + Ф

де А, В - субстрати, АВ - продукт реакції, Ф - фермент.

Ферменти не можуть самостійно забезпечувати енергією ендергонічеськие реакції (для протікання яких потрібна енергія). Тому ферменти, що здійснюють такі реакції, сполучають їх з екзергоніческімі реакціями, що йдуть з виділенням великої кількості енергії. Наприклад, реакції синтезу біополімерів часто сполучаються з реакцією гідролізу АТФ.

Для активних центрів деяких ферментів характерне явище кооперативності.


6.1. Специфічність

Ферменти зазвичай проявляють високу специфічність по відношенню до своїх субстратів (субстратна специфічність). Це досягається частковою комплементарностью форми, розподілу зарядів і гідрофобних областей на молекулі субстрату і в центрі зв'язування субстрату на ферменті. Ферменти зазвичай демонструють також високий рівень стереоспеціфічності (утворюють як продукт тільки один з можливих стереоізомерів або використовують як субстрат тільки один стереоізомер), региоселективность (утворюють або розривають хімічний зв'язок тільки в одному з можливих положень субстрату) і хемоселектівності (каталізують тільки одну хімічну реакцію з декількох можливих для даних умов). Незважаючи на загальний високий рівень специфічності, ступінь субстратної і реакційної специфічності ферментів може бути різною. Наприклад, ендопептідаза трипсин розриває пептидную зв'язок тільки після аргініну або лізину, якщо за ними не слід пролін, а пепсин набагато менш специфічний і може розривати пептидних зв'язок, наступну за багатьма амінокислотами.


6.1.1. Модель "ключ-замок"

Гіпотеза Кошланда про індукований відповідно
Більш реалістична ситуація у випадку індукованого відповідності. Неправильні субстрати - занадто великі або занадто маленькі - не підходять до активного центру

У 1890 р. Еміль Фішер припустив, що специфічність ферментів визначається точною відповідністю форми ферменту і субстрату [8]. Таке припущення називається моделлю "ключ-замок". Фермент з'єднується з субстратом з утворенням короткоживучого фермент-субстратного комплексу. Проте, хоча ця модель пояснює високу специфічність ферментів, вона не пояснює явища стабілізації перехідного стану, який спостерігається на практиці.


6.1.2. Модель індукованої відповідності

У 1958 р. Деніел Кошланд запропонував модифікацію моделі "ключ-замок" [9]. Ферменти, в основному, - не жорсткі, а гнучкі молекули. Активний центр ферменту може змінити конформацію після зв'язування субстрату. Бічні групи амінокислот активного центру приймають таке положення, яке дозволяє ферменту виконати свою каталітичну функцію. У деяких випадках молекула субстрата також міняє конформацію після зв'язування в активному центрі. На відміну від моделі "ключ-замок", модель індукованої відповідності пояснює не тільки специфічність ферментів, але і стабілізацію перехідного стану. Ця модель отримала назву "рука-рукавичка".


6.2. Модифікації

Багато ферментів після синтезу білкового ланцюга зазнають модифікації, без яких фермент не проявляє свою активність повною мірою. Такі модифікації називаються посттрансляційних модифікаціями (процесингом). Один з найпоширеніших типів модифікації - приєднання хімічних груп до бічних залишків поліпептидного ланцюга. Наприклад, приєднання залишку фосфорної кислоти називається фосфорилюванням, воно каталізується ферментом кінази. Багато ферментів еукаріот глікозильований, тобто модифіковані олігомерами вуглеводної природи.

Ще один поширений тип посттранляціонних модифікацій - розщеплення поліпептидного ланцюга. Наприклад, хімотрипсин ( протеаза, що бере участь в травленні), виходить при вищепленіі поліпептидного ділянки із хімотрипсиногену. Химотрипсиноген є неактивним попередником хімотрипсину і синтезується в підшлунковій залозі. Неактивна форма транспортується в шлунок, де перетворюється на хімотрипсин. Такий механізм необхідний для того, щоб уникнути розщеплення підшлункової залози та інших тканин до надходження ферменту в шлунок. Неактивний попередник ферменту називають також "зімогенние".


6.3. Кофактори ферментів

Деякі ферменти виконують каталітичну функцію самі по собі, без усяких додаткових компонентів. Проте є ферменти, яким для здійснення каталізу необхідні компоненти небілкової природи. Кофактори можуть бути як неорганічними молекулами (іони металів, залізо-сірчані кластери тощо), так і органічними (наприклад, флавін або гем). Органічні кофактори, міцно пов'язані з ферментом, називають також простетичними групами. Кофактори органічної природи, здатні відділятися від ферменту, називають коферментами.

Фермент, який вимагає наявності кофактора для прояву каталітичної активності, але не пов'язаний з ним, називається апо-фермент. Апо-фермент в комплексі з кофактором носить назву холо-ферменту. Більшість кофакторів пов'язано з ферментом нековалентних, але досить міцними взаємодіями. Є й такі простетические групи, які пов'язані з ферментом ковалентно, наприклад, тіамінпірофосфат в піруватдегідрогенази.


6.4. Регуляція роботи ферментів

У деяких ферментів є сайти зв'язування малих молекул, вони можуть бути субстратами або продуктами метаболічного шляху, до якого входить фермент. Вони зменшують або збільшують активність ферменту, що створює можливість для зворотного зв'язку.

6.4.1. Інгібування кінцевим продуктом

Метаболічний шлях - ланцюжок послідовних ферментативних реакцій. Часто кінцевий продукт метаболічного шляху є інгібітором ферменту, що прискорює першу з реакцій даного метаболічного шляху. Якщо кінцевого продукту надто багато, то він діє як інгібітор для самого першого ферменту, а якщо після цього кінцевого продукту стало занадто мало, то перший фермент знову активується. Таким чином, інгібування кінцевим продуктом за принципом негативного зворотного зв'язку - важливий спосіб підтримки гомеостазу (відносного сталості умов внутрішнього середовища організму).


6.5. Вплив умов середовища на активність ферментів

Активність ферментів залежить від умов в клітині чи організмі - тиску, кислотності середовища, температури, концентрації розчинених солей (іонної сили розчину) і ін

7. Множинні форми ферментів

Множинні форми ферментів можна розділити на дві категорії:

  • 1. Ізоферменти
  • 2. Власне множинні форми (істинні)

Ізоферменти - це ферменти, синтез яких кодується різними генами, у них різна первинна структура і різні властивості, але вони каталізують одну і ту ж реакцію. Види ізоферментів:

  • Органні - ферменти гліколізу в печінці і м'язах.
  • Клітинні - малатдегідрогенази цитоплазматична і мітохондріальна (ферменти різні, але каталізують одну і ту ж реакцію).
  • Гібридні - ферменти з четвертинної структурою, утворюються в результаті нековалентно зв'язування окремих субодиниць ( лактатдегідрогеназа - 4 субодиниці 2 типів).
  • Мутантні - утворюються в результаті одиничної мутації гена.
  • Аллоферменти - кодуються різними алелями одного і того ж гена.

Власне множинні форми (істинні) - це ферменти, синтез яких кодується одним і тим же аллелем одного і того ж гена, у них однакова первинна структура і властивості, але після синтезу на рибосомах вони піддаються модифікації, стають різними, хоча і каталізують одну і ту ж реакцію.

Ізоферменти різні на генетичному рівні і відрізняються від первинної послідовності, а справжні множинні форми стають різними на посттрансляційної рівні.


8. Медичне значення

Зв'язок між ферментами і спадковими хворобами обміну речовин була вперше встановлена ​​А. Герродом в 1910-і рр.. Геррод назвав захворювання, пов'язані з дефектами ферментів, "уродженими помилками метаболізму".

Якщо відбувається мутація в гені, що кодує певний фермент, може змінитися амінокислотна послідовність ферменту. При цьому в результаті більшості мутацій його каталітична активність знижується або повністю зникає. Якщо організм отримує два таких мутантних гена (по одному від кожного з батьків), в організмі перестає йти хімічна реакція, яку каталізує даний фермент. Наприклад, поява альбіносів пов'язано з припиненням вироблення ферменту тирозинази, який відповідає за одну зі стадій синтезу темного пігменту меланіну. Фенілкетонурія пов'язана зі зниженою або відсутньою активністю ферменту фенілаланін-4-гідроксилази в печінці.

В даний час відомі сотні спадкових захворювань, пов'язані з дефектами ферментів. Розроблено методи лікування та профілактики багатьох з таких хвороб.


9. Практичне використання

Ферменти широко використовуються в народному господарстві - харчовій, текстильній промисловості, у фармакології.

Ще ширше область використання ферментів в наукових дослідженнях і в медицині.

Примітки

  1. Williams, Henry Smith, 1863-1943. A History of Science: in Five Volumes. Volume IV: Modern Development of the Chemical and Biological Sciences - etext.lib.virginia.edu/toc/modeng/public/Wil4Sci.html
  2. Bairoch A. The ENZYME database in 2000 Nucleic Acids Res 28:304-305 (2000). - www.expasy.org/NAR/enz00.pdf
  3. Волькенштейн М. В., Догонадзе Р. Р., Мадумаров А. К., Урушадзе З. Д., Харкац Ю. І. До теорії ферментативного каталізу .- Молекулярна Біологія, т. 6, вип. 3, 1972, ст. 431-439
  4. Волькенштейн М. В., Догонадзе Р. Р., Мадумаров А. К., Урушадзе З. Д., Харкац Ю. І. Електронно-конформаційні взаємодії у ферментативному каталізі .- Сб. "Конформаційні зміни біополімерів в розчинах", вид-во "Наука", Москва, 1972
  5. Урушадзе З. Д., Хідурелі В. К. Квантовий розрахунок кінетики Елементарного акта біохімічних реакцій .- Сб. "Біохімія рослин", т.1, вид-во "Мецніереба", Тбілісі, 1973
  6. Urushadze Z. About a Real Conceptual Framework for Enzyme Catalysis .- Bull. Georg. Natl. Acad. Sci., Vol. 173, No 2, Tbilisi, 2006, pp. 421-424
  7. Anfinsen CB Principles that Govern the Folding of Protein Chains Science 20 July 1973: 223-230
  8. Fischer E, "Einfluss der Configuration auf die Wirkung der Enzyme" Ber. Dt. Chem. Ges. 1894 v27, 2985-2993.
  9. Koshland DE, Application of a Theory of Enzyme Specificity to Protein Synthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1958 Feb; 44 (2) :98-104.

Література

  • Волькенштейн М. В., Догонадзе Р. Р., Мадумаров А. К., Урушадзе З. Д., Харкац Ю. І. До теорії ферментативного каталізу .- Молекулярна біологія, т. 6, вип. 3, 1972, ст. 431-439.
  • Koshland D. The Enzymes, V. I, Ch. 7. New York, Acad. Press, 1959.
  • Діксон, М. Ферменти / М. Діксон, Е. Уебб. - У 3-х т. - Пер. з англ. - Т.1-2. - М.: Мир, 1982. - 808 с.
  • Urushadze Z. About a Real Conceptual Framework for Enzyme Catalysis .- Bull. Georg. Natl. Acad. Sci., Vol. 173, No 2, 2006, 421-424.


Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru