Строение и роль сложных ферментов

Оглавление:

Введение

1. Ферменты как белки…………………………………………………………..3

2. Свойства ферментов…………………………………………………………3

3. Коферменты и субстраты…………………………………………………6

4. Механизм действия ферментов……………………………………………6

5. Ферментативные реакции и энергия……………………………………..7

6.Ферменты и пищеварение……………………………………………………9

7.Ферменты в медицине и сельском хозяйстве……………………………10

Список  литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

ФЕРМЕНТЫ, органические вещества белковой природы, которые синтезируются в клетках и во много раз ускоряют протекающие в них реакции, не подвергаясь при этом химическим превращениям. Вещества, оказывающие подобное действие, существуют и в неживой природе и называются катализаторами. Ферменты (от лат. fermentum – брожение, закваска) иногда называют энзимами (от греч. en – внутри, zyme – закваска). Все живые клетки содержат очень большой набор ферментов, от каталитической активности которых зависит функционирование клеток. Практически каждая из множества разнообразных реакций, протекающих в клетке, требует участия специфического фермента. Изучением химических свойств ферментов и катализируемых ими реакций занимается особая, очень важная область биохимии – энзимология.

Многие  ферменты находятся в клетке в  свободном состоянии, будучи просто растворены в цитоплазме; другие связаны  со сложными высокоорганизованными  структурами. Есть и ферменты, в норме  находящиеся вне клетки; так, ферменты, катализирующие расщепление крахмала и белков, секретируются поджелудочной  железой в кишечник. Секретируют  ферменты и многие микроорганизмы.

Первые  данные о ферментах были получены при изучении процессов брожения и пищеварения. Большой вклад  в исследование брожения внес Л.Пастер, однако он полагал, что соответствующие  реакции могут осуществлять только живые клетки. В начале 20 в. Э.Бухнер показал, что сбраживание сахарозы с образованием диоксида углерода и этилового спирта может катализироваться бесклеточным дрожжевым экстрактом. Это важное открытие послужило стимулом к выделению и изучению клеточных ферментов. В 1926 Дж.Самнер из Корнеллского университета (США) выделил уреазу; это был первый фермент, полученный в практически чистом виде. С тех пор обнаружено и выделено более 700 ферментов, но в живых организмах их существует гораздо больше. Идентификация, выделение и изучение свойств отдельных ферментов занимают центральное место в современной энзимологии.

Ферменты, участвующие в фундаментальных  процессах превращения энергии, таких, как расщепление сахаров, образование и гидролиз высокоэнергетического  соединения аденозинтрифосфата (АТФ), присутствуют в клетках всех типов – животных, растительных, бактериальных. Однако есть ферменты, которые образуются только в тканях определенных организмов. Так, ферменты, участвующие в синтезе целлюлозы, обнаруживаются в растительных, но не в животных клетках. Таким образом, важно различать «универсальные» ферменты и ферменты, специфичные для тех или иных типов клеток. Вообще говоря, чем более клетка специализирована, тем больше вероятность, что она будет синтезировать набор ферментов, необходимый для выполнения конкретной клеточной функции. 

Ферменты как белки

Все ферменты являются белками, простыми или сложными (т.е. содержащими наряду с белковым компонентом небелковую часть).

Ферменты  – крупные молекулы, их молекулярные массы лежат в диапазоне от 10 000 до более 1 000 000 дальтон (Да). Для сравнения укажем мол. массы известных веществ: глюкоза – 180, диоксид углерода – 44, аминокислоты – от 75 до 204 Да. Ферменты, катализирующие одинаковые химические реакции, но выделенные из клеток разных типов, различаются по свойствам и составу, однако обычно обладают определенным сходством структуры.

Структурные особенности ферментов, необходимые  для их функционирования, легко утрачиваются. Так, при нагревании происходит перестройка  белковой цепи, сопровождающаяся потерей  каталитической активности. Важны также  щелочные или кислотные свойства раствора. Большинство ферментов  лучше всего «работают» в растворах, pH которых близок к 7, когда концентрация ионов H+ и OH- примерно одинакова. Связано это с тем, что структура белковых молекул, а следовательно, и активность ферментов сильно зависят от концентрации ионов водорода в среде.

Не все  белки, присутствующие в живых организмах, являются ферментами. Так, иную функцию  выполняют структурные белки, многие специфические белки крови, белковые гормоны и т.д.

Свойства  ферментов

     Будучи  белками, ферменты обладают всеми их свойствами. Вместе с тем биокатализаторы  характеризуются рядом специфических  качеств, тоже вытекающих из их белковой природы. Эти качества отличают ферменты от катализаторов обычного типа. Сюда относятся термолабильность ферментов, зависимость их действия от значения рН среды, специфичность и, наконец, подверженность влиянию активаторов и ингибиторов.

     Термолабильность ферментов объясняется тем, что температура, с одной стороны, воздействует на белковую часть фермента, приводя при слишком высоких значениях к денатурации белка и снижению каталитической функции, а с другой стороны, оказывает влияние на скорость реакции образования фермент-субстратного комплекса и на все последующие этапы преобразования субстрата, что ведет к усилению катализа.

     Зависимость каталитической активности фермента от температуры выражается типичной кривой. До некоторого значения температуры (в  среднем до 5О°С) каталитическая активность растет, причем на каждые 10°С примерно в 2 раза повышается скорость преобразования субстрата. В то же время постепенно возрастает количество инактивированного фермента за счет денатурации его белковой части. При температуре выше 50°С денатурация ферментного белка резко усиливается и, хотя скорость реакций преобразования субстрата продолжает расти, активность фермента, выражающаяся количеством превращенного субстрата, падает.

     Детальные исследования роста активности ферментов  с повышением температуры, проведенные  в последнее время, показали более  сложный характер этой зависимости, чем указано выше: во многих случаях  она не отвечает правилу удвоения активности на каждые 10°С в основном из-за постепенно нарастающих конформационных изменений в молекуле фермента.

     Температура, при которой каталитическая активность фермента максимальна, называется его  температурным оптимумом.

     Температурный оптимум для различных ферментов  неодинаков. В общем для ферментов  животного происхождения он лежит  между 40 и 50°С, а растительного - между 50 и 60°С. Однако есть ферменты с более высоким температурным оптимумом, например, у папаина (фермент растительного происхождения, ускоряющий гидролиз белка) оптимум находится при 8О°С. В то же время у каталазы (фермент, ускоряющий распад Н₂О₂ до Н₂О и О₂) оптимальная температура действия находится между 0 и -10°С, а при более высоких температурах происходит энергичное окисление фермента и его инактивация.

     Зависимость активности фермента от значения рН среды была установлена свыше 50 лет назад. Для каждого фермента существует оптимальное значение рН среды, при котором он проявляет максимальную активность. Большинство ферментов имеет максимальную активность в зоне рН поблизости от нейтральной точки. В резко кислой или резко щелочной среде хорошо работают лишь некоторые ферменты.

     Переход к большей или меньшей (по сравнению  с оптимальной) концентрации водородных ионов сопровождается более или  менее равномерным падением активности фермента.

     Влияние концентрации водородных ионов на каталитическую активность ферментов состоит в  воздействии ее на активный центр. При  разных значениях рН в реакционной среде активный центр может быть слабее или сильнее ионизирован, больше или меньше экранирован соседними с ним фрагментами полипептидной цепи белковой части фермента и т.п. Кроме того, рН среды влияет на степень ионизации субстрата, фермент-субстратного комплекса и продуктов реакции, оказывает большое влияние на состояние фермента, определяя соотношение в нем катионных и анионных центров, что сказывается на третичной структуре белковой молекулы. Последнее обстоятельство заслуживает особого внимания, так как определенная третичная структура белка-фермента необходима для образования фермент-субстратного комплекса.

     Специфичность - одно из наиболее выдающихся качеств ферментов. Эго свойство их было открыто еще в прошлом столетии, когда было сделано наблюдение, что очень близкие по структуре вещества - пространственные изомеры (a- и b-метилглюкозиды) расщепляются по эфирной связи двумя совершенно разными ферментами.

     Таким образом, ферменты могут различать  химические соединения, отличающиеся друг от друга очень незначительными  деталями строения, такими, например, как  пространственное расположение метоксильного радикала и атома водорода при 1-м углеродном атоме молекулы метилглюкозида.

     По  образному выражению, нередко употребляемому в биохимической литературе, фермент подходит к субстрату, как ключ к замку. Это знаменитое правило было сформулировано Э. Фишером в 1894 г. исходя из того, что специфичность действия фермента предопределяется строгим соответствием геометрической структуры субстрата и активного центра фермента.

     В 50-е годы нашего столетия это статическое  представление было заменено гипотезой  Д. Кошланда об индуцированном соответствии субстрата и фермента. Сущность ее сводится к тому, что пространственное соответствие структуры субстрата и активного центра фермента создается в момент их взаимодействия друг с другом, что может быть выряжено формулой “перчатка - рука”. При этом в субстрате уже деформируются некоторые валентные связи и он, таким образом, подготавливается к дальнейшему каталитическому видоизменению, а в молекуле фермента происходят конформационные перестройки. Гипотеза Кошланда, основанная на допущении гибкости активного центра фермента, удовлетворительно объясняла активирование и ингибирование действия ферментов и регуляцию их активности при воздействии различных факторов. В частности, конформационные перестройки в ферменте в процессе изменения его активности Кошланд сравнивал с колебаниями паутины, когда в нее попала добыча (субстрат), подчеркивая этим крайнюю лабильность структуры фермента в процессе каталитического акта.

     В настоящее время гипотеза Кошланда постепенно вытесняется гипотезой топохимического соответствия. Сохраняя основные положения гипотезы взаимоиндуцированной настройки субстрата и фермента, она фиксирует внимание на том, что специфичность действия ферментов объясняется в первую очередь узнаванием той части субстрата, которая не изменяется при катализе. Между этой частью субстрата и субстратным центром фермента возникают многочисленные точечные гидрофобные взаимодействия и водородные связи. 

Коферменты и субстраты

Многие  ферменты с большой молекулярной массой проявляют каталитическую активность только в присутствии специфических  низкомолекулярных веществ, называемых коферментами (или кофакторами). Роль коферментов играют большинство витаминов и многие минеральные вещества; именно поэтому они должны поступать в организм с пищей. Витамины РР (никотиновая кислота, или ниацин) и рибофлавин, например, входят в состав коферментов, необходимых для функционирования дегидрогеназ. Цинк – кофермент карбоангидразы, фермента, катализирующего высвобождение из крови диоксида углерода, который удаляется из организма вместе с выдыхаемым воздухом. Железо и медь служат компонентами дыхательного фермента цитохромоксидазы.

Вещество, подвергающееся превращению в присутствии  фермента, называют субстратом. Субстрат присоединяется к ферменту, который  ускоряет разрыв одних химических связей в его молекуле и создание других; образующийся в результате продукт  отсоединяется от фермента. Этот процесс  представляют следующим образом:

Продукт тоже можно считать субстратом, поскольку  все ферментативные реакции в  той или иной степени обратимы. Правда, обычно равновесие сдвинуто в  сторону образования продукта, и  обратную реакцию бывает трудно зафиксировать. 

Механизм  действия ферментов

Скорость  ферментативной реакции зависит  от концентрации субстрата [S] и количества присутствующего фермента. Эти величины определяют, сколько молекул фермента соединится с субстратом, и именно от содержания фермент-субстратного комплекса  зависит скорость реакции, катализируемой данным ферментом. В большинстве  ситуаций, представляющих интерес для  биохимиков, концентрация фермента очень  мала, а субстрат присутствует в  избытке. Кроме того, биохимики исследуют  процессы, достигшие стационарного  состояния, при котором образование  фермент-субстратного комплекса уравновешивается его превращением в продукт. В  этих условиях зависимость скорости (v) ферментативного превращения субстрата от его концентрации [S] описывается уравнением Михаэлиса – Ментен: