ЛЕКЦІЯ 2 ТЕМА Ферменты строение свойства и классификация

ЛЕКЦІЯ№ 2 ТЕМА: Ферменты; строение, свойства и классификация. Механизм действия и регуляция активности ферментов. Кинетика ферментативных реакций.

Ферменты (энзимы) – это биокатализаторы белковой природы, которые ускоряют химические реакции в организме Энзимология (ферментология) – наука про ферменты 2

ПРИМЕРЫ РАЗЛИЧНОЙ ЛОКАЛИЗАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ В КЛЕТКЕ Клеточная мембрана • кислая фосфатаза, • 5’-нуклеотидаза, • гамма-глутамилтрансфераза (ГГТ) Митохондрии • Ас. АТ • КФК • глутаматдегидрогеназа (ГДГ) Лизосомы • Щелочная фосфатаза (ЩФ) Цитоплазма • аланинаминотрансфераза (Ал. АТ), • аспартатаминотрансфераза (Ас. АТ), • лактатдегидрогеназа (ЛДГ), • креатинкиназа (КК)

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ 1. Ферменты обладают высокой специфичностью действия 2. Ферменты обладают высокой каталитической активностью (ускоряют скорость реакции в 106 – 1011 раз). 3. Ферменты для своего действия требуют строго определенного значения р. Н 4. Ферменты для своего действия требуют строго определенного значения температуры 5. Ферменты могут регулироваться

НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ 1. Рабочая (удобная) Рабочее название фермента Ш = название S + «-аза» мальтоза + «-аза» = мальтаза Ш = название S + тип реакции + «-аза» лактат + дегидрогенизация + «-аза» = лактатдегидрогеназа (ЛДГ) Ш историческое (тривиальное) название пепсин, тромбин, ренин

2. Систематическая номенклатура основана на классификации ферментов (КФ) по типу хим. реакции !!! Систематическое название фермента = субстрат 1: субстрат 2 – тип хим. р-ции по КФ + «-аза» L-Лактат: НАД+ - оксидоредуктаза (систематическое название ЛДГ)

Классы подразделяются на: подклассы, подподкласы и порядковый номер в подподклассе. Шифр фермента - четырехзначный код, в котором первая цифра - класс, втораяподкласс, третьяподподкласс, четвертая - порядковый номер в подподклассе. Например: 1. 1. - алкогольдегидрогеназа 3. 1. 1. 3. - липаза

Классы ферментов Катализируемая реакция оксидоредуктазы Перенос атомов водорода Примеры ферментов или их групп (даны тривиальные названия) Дегидрогеназа, оксидаза или электронов от одного вещества к другому трансферазы Перенос определенной группы атомов – метильной, ацильной, фосфатной или аминогруппы – от одного вещества к другому Трансаминаза, киназа гидролазы Реакции гидролиза Липаза, амилаза, пептидаза лиазы Негидролитическое Деркарбоксилаза, фумараза, присоединение к субстрату альдолаза или отщепление от него группы атомов. При этом могут разрываться связи СС, С –N, C- O или C - S изомеразы Внутримолекулярная перестройка Изомераза, мутаза лигазы Соединение двух молекул в результате образования Синтетаза

КФ 3. Гидролазы Простые Ферменти КФ 1, 2, 4, 5, 6 Сложные = холоферменты Органические Коферменты – слабая связь с апоферментом Простые белки Апофермент (белок) + Кофактор (небелковая часть) Неорганические Простетические группы – ковалентная связь с апоферментом Ионы металлов (Fe, Cu, Zn и др. )

Функции коферментов: Участие в акте катализа; Осуществление контакта между ферментом и субстратом; Стабилизация апофермента Классификация коферментов I. Переносчики Н - в ферментах дегидрогеназа II. Переносчики групп атомов (-NН 2, -СН 3, Н 3 РО 4 ) III. Коферменты синтеза и расщепления С-С связи и процессов изомеризации

КОФЕРМЕНТЫ И ВИТАМИНЫ Витамин Коферментная форма Тип катализируемой реакции Водорастворимые витамины Тиамин (Vit В 1) Тиаминпирофосфат Декарбоксилирование a-кетокислот Рибофлавин (Vit В 2) Флавинмононуклеотид, флавинадениндинуклеотид Окислительно-восстановительные реакции Никотиновая кислота (Vit B 5, Vit PP) Никотинамидадениндинуклеотид, никотинамидадениндинуклеотидфосфат Окислительно-восстановительные реакции Пантотеновая кислота (Vit В 3) Кофермент (коэнзим) А Перенос ацильных групп Пиридоксин (Vit В 6) Пиридоксальфосфат Перенос аминогрупп Биотин (Vit H) Биотицин Перенос СО 2 Фолиевая кислота (Vit B 9, Тетрагидрофолат Перенос одноуглеродных групп Метилкобаламин (Vit В 12) Дезоксиаденозилкобаламин Перенос связанного с углеродом атома водорода на соседний атом углерода Аскорбиновая кислота (Vit С) Не известна Реакции гидроксилирования Vit Вс) 11

АКТИВНЫЙ ЦЕНТР – УЧАСТОК МОЛЕКУЛЫ ФЕРМЕНТА, В КОТОРОМ ПРОИСХОДИТ СВЯЗЫВАНИЕ И ПРЕВРАЩЕНИЕ СУБСТРАТА. ь комплементарный по строению субстрату ь 7 -15 аминокислот ОН (сер, тре, тир) - SН (цис) - NН (гис) - СООН (глу, асп) - NН 2 (арг, лиз) Строение активного центра фермента

СПЕЦИФИЧНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ Абсолютная специфичность проявляется тогда, когда фермент действует лишь на одноединственное вещество и катализирует лишь определенное превращение данного вещества. Относительная специфичность наблюдается, когда фермент катализирует реакции одного типа с более чем одним структуроподобным субстратом. Такие ферменты действуют на определенный тип химической связи. Стереоспецифичность - фермент катализирует превращение определенного стереоизомера. В организме человека наблюдают специфичность ферментов к следующим стереоизомерам: • D- сахара; • L-аминокислот; • цис-транс-изомерам; • ɑ-, β-гликозидным связям.

Каталитическая специфичность Фермент катализирует превращение присоединенного субстрата по одному из возможных путей его преобразования. Это свойство обеспечивается строением каталитического активного центра фермента и называется каталитической специфичностью, или специфичностью пути превращения субстрата

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ В ЭНЗИМОЛОГИИ Е - фермент, энзим ("еnzуме") S - субстрат - вещество, на которую действует фермент Р - продукт реакции - вещество, которое образуется в результате ферм. реакции

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ S E+S ES Р 1 2 Образование фермент – субстратного комплекса EP Е 1 Сближение и ориентация субстрата относительно активного центра 3 Образование нестабильного комплекса фермент - продукт 4 Распад комплекса с высвобождением продуктов реакции Р 2 Е E+P

Энергетика ферментативных реакций Энергия активации (к. Дж/моль) – переводит молекулы вещества в активное состояние !!! Ферменты снижают Еа за счет образования ЕS 17

Активность – это изменение концентрации субстрата под влиянием фермента в единицу времени. В системе СИ используют «катал» 1 катал = 1 моль / с. Международная единица активности (МЕ или U) – количество фермента, катализирующие превращение 1 мкмоля субстрата за 1 мин. 1 U равняется 16, 67 нанокатал.

КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ (1913 г. – Михаэлис и Ментен) Скорость ферментативной реакции (V) зависит от: ь концентрации фермента ь концентрации субстрата ь t, р. Н 19

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента V = k∙[E] от концентрации субстрата V= Vmax___ 1+ Km / [S] Константа Михаэлиса (Km) – концентрация S, при которой скорость ферм. р-ции = ½ V max 20

ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ РЕАКЦИИ ОТ РН СРЕДЫ И ТЕМПЕРАТУРЫ Зависимость скорости реакции от р. Н (А) и температуры (Б).

Регуляция Активности Ферментов Изменение активности существующих молекул ферменту - быстро (сек, мин) 1. 2. 3. 4. 5. Аллостерическая регуляция Ковалентная модификация Белок-белковые взаимодействия Протеолитическая активация Изоферменты Изменение количестваі молекул фермента – Медленно (часы, дни) синтез фермента – регуляция через геном (действие гормонов) 22

Аллостерический центр – регуляторний центр фермента, с которым взаємодействуют эффекторы (+) - активаторы (-) - ингибиторы Регуляторный фермент: Каталитическая субединица Регуляторная субъединица (-) эффектор 23

АКТИВАТОРЫ ФЕРМЕНТОВ Соединения, которые приводят фермент в каталитически активное состояние Ионы двухвалентных металлов: Zn 2+, Cа 2+, Mg 2+, Cu 2+

ИНГИБИТОРЫ ФЕРМЕНТОВ ОБРАТИМЫЕ активность фермента восстанавливается НЕОБРАТИМЫЕ активность фермента не восстанавливается КОНКУРЕНТНЫЕ НЕКОНКУРЕНТНЫЕ СВЯЗЫВАЕТСЯ С АКТИВНЫМ ЦЕНТРОМ ФЕРМЕНТА СВОЙ УЧАСТОК СВЯЗЫВАНИЯ НА МОЛЕКУЛЕ ФЕРМЕНТА ↓ СКОРОСТЬ КАТАЛИЗА, СНИЖАЯ ДОЛЮ МОЛЕКУЛ ФЕРМЕНТА, СВЯЗЫВАЮЩИХ СУБСТРАТ ИЗМЕНЯЯ СТРУКТУРУ АКТИВНОГО ЦЕНТРА ФЕРМЕНТА • Специфичные ингибиторы к группам аминокислотных остатков • аналоги субстратов • суицидные ингибиторы

Необратимое ингибирование Ингибиторы реагирують с специфичными R групами амінокислот Ø ФОС (яды) – ингибиторы ацетилхолинэстерази Ш Йодацетамид - необратимо реагирует с каталитичиски активными SH-групами: E-SH + JCH 2 -CO-NH 2 E-S-CH 2 -CO-NH 2 + НJ Ø Аспирин – ингибитор циклооксигеназы

Конкурентное ингибирование Бензамидин конкурирует с аргинином за связывание с трипсином

КОНКУРЕНТНЫЕ ИНГИБИТОРЫ В МЕДИЦИНЕ v v сульфаніламіди - аналоги ПАБК (антимикробные) метотрексат – аналог вит. В 9, блокирует синтез ДНК дикумарины – аналоги вит. К, блокируют синтез протромбина (антисвертывающие) прозерин – ингибитор ацетилхолинэстеразы

Неконкурентное ингибирование • Ингибитор присоединяется не до активного центра, а к другому участку фермента регуляторному (аллостерическому) центру • Ингибитор и субстрат могут связываться с ферментом в одно и то же время • Ингибитор может связываться как с ферментом (EI), так и с фермент-субстратнымо комплексом (ESI) • Ингибитор не может быть вытеснен путем увеличения концентрации субстрата

Безконкурентное ингибирование • Ингибитор присоединяется к ES, а не к свободному E • Встречается только в мультисубстратных реакциях

РЕГУЛЯЦІЯ ПУТЁМ ФОСФОРИЛИРОВАНИЯДЕФОСФОРИЛИРОВАНИ МОЛЕКУЛЫ ФЕРМЕНТА Фосфорилирование происходит ферментами протеинкиназы, а дефосфорилювання фосфопротеинфосфатазамы. Присоединение остатка фосфорной кислоты вызывает изменение конформации активного центра и его каталитической активности. При этом результат может быть двояким: одни ферменты при фосфорилировании активируются, другие, наоборот, становятся менее активными.

РЕГУЛЯЦИЯ ПОСРЕДСТВОМ БЕЛОК-БЕЛКОВЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ 1. Активация ферментов в результате присоединения регуляторных белков 2. Изменение каталитической активности вследствие ассоциации или диссоциации протомеров фермента Регуляція активності аденілатциклази АЦ – аденилатциклаза; ПКА – протеинкиназа А; Рі – Н 3 РО 4.

ЧАСТИЧНЫЙ ПРОТЕОЛИЗ Многие ферменты синтезируются как неактивные предшественники (зимогена) и активируются протеолитическим расщеплением Примеры специфического протеолиза • Ферменты пищеварения -синтезуються как зимогена в желудке и поджелудочной железе • Ферменты свертывания крови -каскад протеолитической активации • Некоторые белковые гормоны -проинсулин в инсулин путем удаления пептида

Изоферменты – это ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся друг от друга по составу, свойствам, местом локализации. Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) олигомер, состоящий из 4 протомеров одного или двух типов, обозначаемых: Н и М. ЛДГ существует в 5 изоформ *ЛДГ-1 -(4 Н), локализован в мышце сердца, почках. *ЛДГ-2 -(3 Н 1 М), эритроциты, тромбоциты, сердце, почки. *ЛДГ-3 -(2 Н 2 М), в поджелудочной железе, селезенка, надпочечник. *ЛДГ-4 -(1 Н 3 М), тромбоциты, легкие. *ЛДГ-5 -(4 М), локализован в клетках печени, скелетной мускулатуре. Изоферменты – важны для диагностики разных заболеваний: ЛДГ 1, 2 – инфаркт миокарда, ↑ ЛДГ 4, 5 – поражение печени

ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ В МЕДИЦИНЕ. Энзимодиагностика — исследование ферментов в биологических средах организма с диагностической целью. Энзимотерапия — использование ферментов и метаболитов в качестве лечебных средств

ФЕРМЕНТЫ – ИНДИКАТОРЫ ЗАБОЛЕВАНИЙ Миокард • Креатинфосфокиназа (КФК-МВ) • Аспартатаминотрансфераза (АСТ) Инфаркт миокарда • Лактатдегидрогеназа (ЛДГ 1, 2) Печень Аланинаминотрансфераза (АЛТ) Лактатдегирогеназа - ЛДГ 4, 5 Поджелудочная • Альфа-амилаза железа • Трипсин Гепатит Панкреатит 36

МЕТОДЫ ИММОБИЛИЗАЦИИ ФЕРМЕНТОВ 37

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!