Лекция по курсу Энзимология Тема Введение в энзимологию

Лекция по курсу «Энзимология» Тема: «Введение в энзимологию» Подготовила: доцент кафедры Би. МБ к. м. н. , доцент Науменко О. А. Оренбург 2013

План • • • 1 Определение энзимологии 2 История энзимологии 3 Основные направления энзимологии 4 Номенклатура и классификация ферментов 5 Характеристика основных классов ферментов 6 Мономеры и олигомеры 6. 1 Мономерные ферменты 6. 2 Структура олигомерных ферментов 6. 3 Изоферменты

1 Определение энзимологии • Энзимология - раздел биохимии, который изучает ферменты. • Энзимы - специализированные белки, которые являются биологическими катализаторами и обладают третичной и четвертичной структурой.

2 История энзимологии Зарождение учения о ферментах относится к первой половине XIX в. • В 1814 г. петербургский ученый К. С. Кирхгоф доказал, что экстракты из солода способны осахаривать крахмал с превращением его в мальтозу. Вещество получило название амилазы. • Ю. Либих и Ф. Велер открыли агент, расщепляющий амигдалин, содержащийся в эфирном масле горького миндаля - эмульсин. • В 1913 году Михаэлис и Ментен выдвинули теорию механизма действия ферментов. • В 1926 году (год рождения ферментологии как науки) Самнер выделил кристаллическую уреазу и доказал ее белковую природу. • В 1929 г Д. Нортроп сообщил о выделении кристаллического пепсина, а затем трипсина и других ферментов. В 1946 году они стали Нобелевскими лауреатами. • В 1969 году Меррифильд (Нью Йорк) синтезировал искусственно рибонуклеазу. • Таким образом было доказано, что все ферменты являются белками.

3 Основные направления энзимологии: • исследования молекулярного механизма и принципов действия ферментов, а также разработка теории ферментативного катализа; • изучение ферментов на более высоких уровнях (надмолекулярном и клеточном); • исследование механизмов регуляции активности, синтеза и химической модификации ферментов; • развитие исследований в области создания искусственных низкомолекулярных ферментов – абзимов , лишенных побочных антигенных свойств; • исследования в области инженерной энзимологии, создание «гибридных» катализаторов, сочетающих свойства ферментов, антител и рецепторов: • исследования в области медицинской энзимологии.

4 Номенклатура и классификация ферментов Разработаны Комиссией по ферментам международного биохимического союза на V Международном биохимическом конгрессе в 1961 г. в Москве. • Комиссией были рассмотрены 3 принципа: • 1) химическая природа фермента: Например: принадлежность к флавопротеинам, пиридоксальфосфатпротеинам, гемо-протеинам, металлопротеинам и т. д. • 2) химическая природа субстрата, на который действует фермент: • 3) тип катализируемой реакции, который является специфичным для действия любого фермента. Например: карбоксилаза - реакция карбоксилирования, дегидрогеназа - отщепление воды.

Международная классификация ферментов Ферменты делят на шесть главных классов: • • • 1 оксидоредуктазы; 2 трансферазы; 3 гидролазы; 4 лиазы; 5 изомеразы; 6 лигазы (синтетазы). В каждом из которых несколько подклассов, подподклассов и каждый фермент имеет свой порядковый номер Например; Алкогольдегидрогеназа – 1. 1

Характеристика основных классов ферментов • Оксидоредуктазы – катализируют окислительновосстановительные реакции с участием двух субстратов Систематические названия их составляют по форме «донор: акцептор оксидоредуктаза» . Например, лактат: НАД+ оксидоредуктаза для лактатдегидрогеназы (ЛДГ). Подклассы: • - аэробные дегидрогеназы или оксидазы, катализирующие перенос протонов (электронов) непосредственно на кислород; • - анаэробные дегидрогеназы, ускоряющие перенос протонов (электронов) на промежуточный субстрат, но не на кислород; • - цитохромы, катализирующие перенос только электронов. • - гемсодержащие ферменты каталаза и пероксидаза, катализирующие реакции с участием перекиси водорода.

Характеристика основных классов ферментов Трансферазы - катализируют реакции межмолекулярного переноса различных атомов, групп атомов и радикалов. Наименование их составляется по форме «донор: транспортируемая группа – трансфераза» . Различают классы трансфераз, катализирующие перенос одноуглеродных остатков, ацильных, гликозильных, альдегидных или кетонных, нуклеотидных остатков, азотистых групп, остатков фосфорной и серной кислот и др. Например: метил- и формил- трансферазы, ацетилтрансферазы, амино-трансферазы, фосфат-рансферазы и др.

Гидролазы Ферменты, катализирующие расщепление внутримолекулярных связей органических веществ при участии молекулы воды. Наименование составляют по форме «субстратгидролаза» . К ним относятся: • 1) эстеразы – ферменты, катализирующие реакции гидролиза и синтеза сложных эфиров; • 2) гликозидазы, ускоряющие разрыв гликозидных связей; • 3) фосфатазы и пептидгидролазы, катализирующие гидролиз фосфоангидридных и пептидных связей; • 4)амидазы, ускоряющие разрыв амидных связей, отличных от пептидных, и др.

Лиазы • ферменты, катализирующие разрыв связей С—О, С—С, С—N и других, а также обратимые реакции отщепления различных групп от субстратов не гидролитическим путем. • Эти реакции сопровождаются образованием двойной связи или присоединением групп к месту разрыва двойной связи. Ферменты обозначают термином «субстрат-лиазы» . Например, фумарат-гидратаза (систематическое название «L-малат-гидролаза» ) катализирует обратимое отщепление молекулы воды от яблочной кислоты с образованием фумаровой кислоты. В эту же группу входят декарбоксилазы (карбокси-лиазы), амидин-лиазы и др.

Изомеразы • Катализируют взаимопревращения оптических и геометрических изомеров. Название составляют с учетом типа реакции: «субстрат – цис-транс-изомераза» . Если изомеризация включает внутримолекулярный перенос группы, фермент получает название «мутаза» . К этому классу относят: - рацемазы и эпимеразы, действующие на амино- и оксикислоты, углеводы и их производные; - внутримолекулярные оксидоредуктазы, катализирующие взаимопревращения альдоз и кетоз; - внутримолекулярные трансферазы, переносящие ацильные, фосфорильные и другие группы, и т. д.

Лигазы (синтетазы) • Катализируют синтез органических веществ из двух исходных молекул с использованием энергии распада АТФ (или другого нуклеозидтрифосфата). Систематическое название их составляют по форме «X : Y лигаза» , где X и Y обозначают исходные вещества. Например: L-глутамат: аммиак лигаза (рекомендуемое сокращенное название «глутаминсинтетаза» ), при участии которой из глутаминовой кислоты и аммиака в присутствии АТФ синтезируется глутамин. •

6 Мономеры и олигомеры По структуре все белки - ферменты делятся на: • 1) мономеры (однокомпонентные) - простые белки, состоят из одной глобулы и обладают третичной и четвертичной структурой (трипсин, рибонуклеаза); • 2) олигомеры (двухкомпонентные) - содержат наряду с белковой частью (апофермент) и небелковую часть (кофактор). • • 6. 1 Мономерные ферменты Обладают первичной структурой - строгая последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи, соединенных пептидными связями. • Вторичная структура мономерного фермена - способ укладки полипептидной цепи в определённую конформацию. Среди конформаций наиболее часто встречаются: • - α-спираль • - β-складчатый лист. • -статический клубок (неупорядоченная структура) - это участок цепи с петле- и кольцеобразными структурами. • Третичная структура - трехмерная конформация полипептидной цепи или способ укладки вторичной структуры в компактную пространственную структуру определённого объема. При сворачивании второй структуры в третью образуются домены. • Домен - участок в третичной структуре белка, который обладает определенной структурной и функциональной автономией. Ферменты сконструированы по модульному принципу, модуль- домен.

6. 2 Структура олигомерных ферментов • Олигомерами называются белковые комплексы, состоящие из двух и более субъединиц. Субъединицу называют протомером. Комплексы из одинаковых субъединиц называются гомоолигомерами, а из разных — гетеро-олигомерами. • Белковые олигомеры относятся к четвертичной структуре белка и состоят из 2 и более глобул (субъединиц). Как правило, количество субъединиц чётное. Если субъединицы в составе олигомера разные, то они выполняют разные функци и- каталитическую и регуляторную (алостерическая).

6. 3 Изоферменты • Изоферменты – это множественные формы фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся друг от друга по физическим и химическим свойствам, в частности по сродству к субстрату, максимальной скорости катализируемой реакции (активности), электрофоретической подвижности или регуляторным свойствам. • В основе номенклатуры и нумерации изоферментоа лежит их электрофоретическая активность (подвижность к аноду). Наиболее подвижны первый номер и так далее. Биологическая роль изоферментов состоит в регуляции обмена веществ и их адаптации. Например: л актатдегидрогеназа существует в виде 2 х субъединиц: • - сердечной Н; • - мышечной М;