Биохимия: ферменты

Содержание

1.Химическая природа ферментов                                   2

2.Изоферменты (на примере ЛДГ и МДГ)  2-3

3.Проферменты (зимогены)                                                      3  

4.Мультиферментные комплексы                                         3-4

5.Структурно-функциональная организация ферментных белков: активный центр, его свойства                                                   4

6.Контактный и каталитический участки активного центра ферментов                                                                                   4

7.Кофакторы ферментов: химическая природа, классификация, роль в биологическом катализе                                              5-7

8.Роль витаминов в построении кофакторов                           6

9.Коферменты и простетические группы                                 5

10.Использованные источники                                                  8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ферменты – это биологические  катализаторы белковой природы. Термин «фермент» (от лат. Fermentum –закваска) был предложен в начале XVIIв. голландским ученым Ван Гельмонтом. В литературе встречается синоним этого термина «энзим». Ферменты свойственны только живой природе, которая использует их в качестве своеобразного инструмента обмена веществ. Ни один химический процесс не может протекать в живых организмах без ферментов. Ферменты отличают от других катализаторов три уникальных свойства: высокая эффективность действия, специфичность действия, способность к регуляции. Ферменты могут быть как простыми, так и сложными белками. Молекулы ферментов, представляющие собой простые белки, целиком построены из полипептидных цепей и при гидролизе распадаются только на аминокислоты. Примером ферментов такого рода являются гидролитические ферменты пепсин, трипсин, уреаза, лизоцим и др. Большинство природных ферментов относится к сложным белкам, содержащих в составе своей молекулы помимо полипептидных цепей небелковый компонент. Как белковая часть такого сложного фермента (апофермента), так и небелковый компонент его молекулы (кофермент) в отдельности лишены ферментативной активности. Только соединившись вместе и образовав так называемый холофермент (полный фермент), они приобретают свойства, характерные для биокатализаторов.

 

Изоферменты (изоэнзимы) –  это разные структурные формы ферментов, обладающие каталитической активностью одного типа; встречаются у организмов одного вида (или в одной ткани). Катализируют одну и ту же реакцию, но различаются аминокислотным составом, некоторыми физическими, иммунологическими и каталитическими свойствами. Состоят из нескольких полипептидных цепей (субъединиц), которые, комбинируясь различными способами, образуют четвертичную структуру фермента. У организмов одного вида (или в одной ткани) изоферменты составляют характерный набор — "спектр", который может меняться при патологических изменениях тканей (чем пользуются в диагностике) и в процессе онтогенеза.

Например, лактатдегидрогеназа (ЛДГ) состоит их 4 субъединиц 2-х типов: субъединица Н, выделенная из сердечной мышцы, субъединица М, выделенная из скелетных мышц. Эти субъединицы кодируются разными генами. В разных органах имеются различные формы ЛДГ с различным набором субъединиц. Известно 5 изоферментов ЛДГ: 
ЛДГ1(H4); ЛДГ2(Н3М); ЛДГ3(Н2М2); ЛДГ4(НМ3); ЛДГ5(М4). 
ЛДГ1 экспрессируется в сердечной мышце и мозге, а ЛДГ5 – в скелетных мышцах и печени. Остальные формы в других органах. Появление ЛДГ в крови свидетельствует о повреждении органов (фермент из разрушенных клеток поступает в кровь – гиперферментемия) Повышение активности фракции ЛДГ1 в крови наблюдается при повреждении сердечной мышцы (инфаркт миокарда), а повышение активности ЛДГ5 в крови наблюдается при гепатитах и повреждении скелетных мышц.

То есть благодаря изоферментам можно определить локализацию поврежденного  органа. Наиболее чувствительным тестом на инфаркт миокарда является повышение  в крови сердечного изофермента  креатинкиназы.

Малатдегидрогеназа (МДГ) – ключевой фермент цикла трикарбоновых кислот, катализирующий окислительно-восстановительную реакцию превращения малата в оксалоацетат (специфичен в отношении L-изомеров), необратимо ингибируется ионами тяжелых металлов. МДГ представлена двумя строго дифференцированными по локализации (митохондрии и цитоплазма) изоферментами (в геноме человека гены MDH1 и MDH2 локализованы на участках p23 хромосомы 2 и p13-q22 хромосомы 7).

 

Проферменты (зимогены) -  функционально неактивные предшественники ферментов, подвергающиеся тем или иным преобразованиям (обычно расщеплению специфическими эндо- или экзопептидазами или гидролизу), в результате чего образуется каталитически активный продукт — фермент. Относятся к группе протеиназ (сериновые, тиоловые, кислые). Синтез зимогенов осуществляется на рибосомах эндоплазматического ретикулума особыми секреторными клетками в виде зимогенных гранул, которые после завершения процесса мигрируют к поверхности клеток и затем секретируются в окружающую среду. Достигнув места действия они превращаются в активные формы ферментов. К ним относятся пепсиноген, активной формой которого является пепсин (основной протеолитический фермент желудочного сока),трипсиноген—трипсин, химотрипсиноген — химотрипсин, прокарбоксилепептидазы — карбоксипептидазы (ферменты поджелудочной железы) и др. К зимогенам относятся ферменты свертывания крови (факторы свёртывания крови), компоненты и факторы системы комплемента.

 

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. Биологическое значение мультиферментных комплексов состоит в том, что благодаря их существованию облегчается перенос реагирующих веществ между отдельными ферментами и коферментами, что ускоряет протекание реакций. Мультиферментные комплексы, как правило, формируются на мембранах путем самосборки.  

Например, пируватдегидрогеназный комплекс (пируватдегидрогеназа), превращающий пируват в ацетил-SKoA, комплекс под названием «синтаза жирных кислот» (пальмитатсинтаза), синтезирующий пальмитиновую кислоту.

 

Структурно-функциональная организация ферментных белков: активный центр, его свойства. Контактный и каталитический участки активного центра.

В составе фермента выделяют области, выполняющие различные  функции: 1) Активный центр - комбинация аминокислотных остатков (обычно 12-16), обеспечивающая непосредственное связывание с молекулой субстрата и осуществляющая катализ. Аминокислотные радикалы в активном центре могут находиться в любом сочетании, при этом рядом располагаются аминокислоты, значительно удаленные друг от друга в линейной цепи. У ферментов, имеющих в своем составе несколько мономеров, может быть несколько активных центров по числу субъединиц. Также две и более субъединиц могут формировать один активный центр. У сложных ферментов в активном центре обязательно расположены функциональные группы кофактора. В свою очередь, в активном центре выделяют 2 участка:                     1) якорный (контактный, связывающий) – отвечает за связывание и ориентацию субстрата в активном центре, 2) каталитический – непосредственно отвечает за осуществление реакции.

 

   

 

У простых ферментов роль функциональных групп контактного  и каталитического участков активного  центра выполняют только боковые  радикалы аминокислот. У сложных  ферментов главную роль в этих процессах выполняют кофакторы.

 

 

 

 

Кофакторы ферментов: химическая природа, классификация, роль в биологическом катализе. Роль витаминов в построении кофакторов. Коферменты и простетические группы.

 Все ферменты относятся к глобулярным белкам, причем каждый фермент выполняет специфическую функцию, связанную с присущей ему глобулярной структурой. Однако активность многих ферментов зависит от небелковых соединений, называемых кофакторами. Молекулярный комплекс белковой части (апофермента) и кофактора называется холоферментом.

Роль кофактора могут выполнять ионы металлов Zn²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, K⁺, Na⁺ (для активации ферментов свертывания крови требуется Са²⁺; оксидоредуктазы используют в качестве кофакторов Fe²⁺, Cu²⁺, Mn²⁺; киназы — Mg²⁺; для глутатионпероксидазы (важного фермента в системе обезвреживания активных форм кислорода) требуется Se) или сложные органические соединения. Органические кофакторы обычно называют коферментами, большинство из них являются производными витаминов. Тип связи между ферментом и коферментом может быть различным. Иногда они существуют отдельно и связываются друг с другом во время протекания реакции. В других случаях кофактор и фермент связаны прочно за счет ковалентных связей. В последнем случае небелковая часть фермента называется простетической группой (гем и флавиновые коферменты).

Кофакторы в ходе реакций выполняют следующие функции:

- участвуют в формировании  третичной структуры белка и  обеспечении комплементарности между ферментом и субстратом;

- могут непосредственно  вовлекаться в реакции в качестве  еще одного субстрата. В этой  роли обычно выступают органические  коферменты. Их участие в реакции  иногда сводится к тому, что  они выступают как доноры или  акцепторы определенных химических  групп.

Коферменты удобно классифицировать по структурно-физиологическим признакам  и функциональным свойствам.

Структурно-физиологическая  классификация коферментов:

1. Витаминные коферменты:

1. Тиаминовые (источник образования - тиамин (В1) – тиаминдифосфат (ТДФ), тиаминмонофосфат (ТМФ), тиаминтрифосфат (ТТФ).

2. Флавиновые (источник образования – рибофлавин (В2) – флавинмононуклеотид (ФМН), флавинадениндинуклеотид (ФАД).
3. Пантотеновые (источник образования – пантотеновая кислота (В3) – кофермент А (КоАSH), дефосфокофермент А (дефосфо-КоАSH), пантетеин-4-фосфат (ПФ).
4. Никотинамидные (источник образования – ниацин (В5, РР, никотинамид) – никотинамидадениндинуклеотид (НАД), никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ).
5. Пиридоксиновые (источник образования – пиридоксин (В6) – пиридоксальфосфат (ПАЛФ) и пиридоксаминфосфат (ПАМФ).
6. Фолиевые или птеридиновые (источник образования – фолацин) – тетрагидрофолиевая кислота (ТГФК).
7. Кобамидные (источник образования – В12) – метилкобаламин, дезоксиаденозилкобаламин.
8. Биотиновые  (источник образования – биотин (Н) – карбоксибиотин.
9. Липоевые (источник образования – липоевая кислота (N) – восстановленный и окисленный липоамид.

10)Хиноновые – убихинон, пластохинон.

11)Карнитиновые – карнитин.

II. Невитаминные коферменты:

1. Нуклеотидные - УДФ-глюкоза, другие нуклеотидные производные углеводов, спиртов и т.д.
2. Фосфаты моносахаридов - глюкозо-1,6-дифосфат, 2,3-дифосфоглицерат.
3. Металлопорфириновые – гемы, хлорофиллы.
4. Пептидные – глутатинон.

 

Исходными веществами для  образования коферментов первой группы являются витамины, поэтому  недостаточное их поступление с  пищей сразу сказывается на синтезе  этих коферментов, а как следствие  нарушается и функция соответствующих  сложных ферментов. Коферменты второй группы образуются из промежуточных  продуктов обмена, поэтому недостатка в этих коферментах в физиологических  условиях не бывает.

 

Функциональная классификация  коферментов:

1. Коферменты оксидо-редуктаз

-никотинамидные (НАД,НАДФ);

-флавиновые (ФМН,ФАД);

-металлопорфириновые (гемы);

-хинонкоферменты (убихинон);

-пептидные (глутатион);

-липоевая кислота.

2) Коферменты трансфераз

-пиридоксиновые (ПАЛФ,ПАМФ);

-пантотеновые (КоА);

-нуклеотидные коферменты (ЦДФ-холин);

-птеридиновые или фолиевые (ТГФК);

-кобамидные (метилкобаламин).

3) Коферменты лиаз

-пиридоксиновые(ПАЛФ);

-пантотеновые (КоА);

-тиаминовые (ТДФ);

-кобамидные (дезоксиаденозилкобаламин);

4) Коферменты изомераз

-пиридоксиновые (ПАЛФ);

-кобамидные (дезоксиаденозилкобаламин);

-фосфаты моносахаридов  (2,3-дифосфоглицерат);

-пептидные (глутатион);

5) Коферменты лигаз

-нуклеотидные (Удф-глюкоза);

-биотиновые (карбоксибиотин);

-фолиевые (5,10-метенил ТГФК).    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Использованные источники:

1. «Биологическая химия» Е.С. Северин, Т.Л. Алейникова, Е.В. Осипов, С.А. Силаева
2. «Биологическая химия» Е.А. Строев
3. http://biokhimija.ru/
4. www.idoktor.info/biohimiya/ferment/
5. http://www.xumuk.ru/