ФЕРМЕНТЫ
Катализируют только термодинамически возможные реакции. Не расходуются в процессе реакции. Не меняют положение равновесия обратимых реакций, способствуют достижению положения равновесия. Снижают энергию активации.
Свойства Ферменты Неорганические катализаторы Химическая природа Белки Металлы и их оксиды Условия действия Мягкие ( t O =37 O C ; рН 7,4; давление 1 атм) Жесткие ( t O >100 O C ; кислая или щелочная среда) Эффективность Высокая Низкая Специфичность Абсолютная или относительная Нет специфичности Регулируемость Регулируются Не регулируются
П Р О С Т Ы Е Белковая часть- АПОФЕРМЕНТ С Л О Ж Н Ы Е состоят только из аминокислот в состав фермента входит добавочная группа небелковой природы Виды ферментов Небелковая часть- КОФАКТОР органический или неорганический
Простетические группы Коферменты Непрочно связаны с апоферментом Прочно (ковалентно) связаны с апоферментом Виды кофакторов делятся по прочности связи с апоферментом КОФАКТОРЫ
Активный центр – это участок фермента, в котором происходит специфическое связывание субстрата и его превращение в продукт; У простых ферментов активный центр состоит из аминокислот; У сложных ферментов, кроме аминокислот, в состав активного центра входит кофактор.
Механизм действия ферментов
Сближение и ориентация реакционного центра субстрата под каталитическую группу фермента.
Напряжение и деформация, как субстрата, так и фермента, приводящие к увеличению энергии фермент-субстратного комплекса, что делает невыгодным его существование. Кислотно-основный катализ. Ковалентный катализ.
При насыщающих концентрациях субстрата зависимость прямая V Е
Активность ферментов определяют: по скорости убывания субстрата по скорости накопления продукта
1 катал (кат) соответствует такому количеству фермента, которое превращает 1 моль субстрата в 1 с. 1 кат = 6 х 10 7 МЕ Определение активности фермента Единица активности любого фермента (МЕ) такое его количество, которое катализирует превращение 1 мкмоль вещества в 1 минуту. =
Изоферменты - это разновидности ферментов, катализирующие одну реакцию, но отличающиеся по своему составу и физико-химическим свойствам. Изоферменты имеются у ферментов с четвертичной структурой. ИЗОФЕРМЕНТЫ
1. По кинетическим параметрам (Vмакс и Км). 2. Тканевой локализации. 3. Электрофоретической подвижности. 4. Чувствительности к регуляторам и т.д. Определение в сыворотке крови активности определенных изоферментов используется для диагностики.
Аллостерический механизм регуляции Регулятор действует на аллостерический центр. Аллостерический центр – это участок фермента, пространственно не совпадающий с активным центром. Присоединение регулятора к аллостерическому центру приводит к изменению конформации фермента, а, следовательно, и активного центра. Аллостерическими регуляторами являются метаболиты, макроэрги, коферменты, катионы металлов, цАМФ, субстраты.
Изменение химической структуры фермента путем присоединения или отщепления за счет ковалентных связей каких-либо химических групп в любом месте фермента. Химическое изменение фермента вызывает изменение конформации, а, следовательно, активности. Химическая или ковалентная модификация
Может осуществляться путем: - фосфорилирования - дефосфорилирования; - метилирования - деметилирования; - аденилирования – деаденилирования.
Это процесс отщепления какой-либо части фермента в виде олиго- или полипептида. В результате формируется активный центр. Ограниченный протеолиз
цАМФ цАМФ Неактивная протеинкиназа Аллостерические центры Взаимодействие «белок-белок» (на примере протеинкиназы) Активная протеинкиназа R R K K цАМФ цАМФ
Обратимое Ингибиторы непрочно связываются с ферментом Необратимое Ингибиторы прочно связываются с ферментом Конкурентное Неконкурентное Ингибиторы не имеют физиологического значения (являются ферментными ядами) ИНГИБИРОВАНИЕ 1. Ингибитор похож на субстрат по форме 2. Конкурирует с субстратом за активный центр 1. Не является структурным аналогом субстрата 2. Не присоединяется к активному центру 3. Действует на аллостерический центр или как химический модификатор
А В С Д К Е 1 Е2 Е3 Е4 Сопряжение ферментов: 1) содружественное (Е 1, Е 2,, Е 3 и Е 1, Е 2,Е 4 ); 2) конкурентное (Е 3 и Е 4 ) Регуляция ферментативных цепей
Ключевыми ферментами являются : а) фермент, стоящий в начале цепи; б) лимитирующий фермент (имеет наименьшую скорость в цепи); в) ферменты, стоящие на развилке цепи.
1. Оксидоредуктазы – катализируют окислительно- восстановительные реакции. 2. Трансферазы – катализируют реакции переноса химических групп. 3. Гидролазы – катализируют расщепление связей с присоединением воды по месту разрыва. 4. Лиазы – катализируют расщепление связей без помощи воды с образованием или расщеплением двойных связей. 5. Изомеразы – катализируют изомерные превращения. 6. Лигазы – катализируют реакции синтеза с затратой энергии. Классификация ферментов
Значение ферментов в медицине Энзимо-патология Энзимо-диагностика Изучает значение нарушений активности ферментов в развитии заболеваний. 1. Определение ферментов в сыворотке крови и моче 2. Использование ферментов для определения концентрации глюкозы, холестерина, мочевины и др.
Энзимотерапия. Использование ферментов в качестве лекарств: при нарушении пищеварения (фестал, энзистал, креон, мезим-форте и другие); для очистки гнойных ран (трипсин, химотрипсин); для лечения вирусных заболеваний (рибонуклеаза, дезоксирибонуклеаза для лечения аденовирусных конъюнктивитов, герпетических кератитов); для лечения тромбозов и тромбоэмболий (фибринолизин, стрептолиаза, стрептодеказа, урокиназа); для рассасывания контрактур рубцов после операций и ожогов.
Энзимодиагностика 1. Применение ферментов для определения различных веществ в биологических жидкостях. - глюкозооксидазу используют для определения глюкозы в крови и моче; - уреазу - для определения мочевины в крови и моче; - различные дегидрогеназы - для определения соответствующих субстратов (пирувата, лактата, этанола и других).
Энзимодиагностика 2. Определение активности ферментов в биологических жидкостях
Окисление - это отщепление от вещества электронов ; восстановление - это присоединение электронов. Метаболизм - это обмен веществ. Он имеет две стороны: катаболизм и анаболизм. Катаболизм - это расщепление сложных органических веществ до более простых. Анаболизм - это синтез сложных веществ из простых веществ с использованием энергии. Б иологическое окисление – это все окислительно-восстановительные реакции, происходящие в организме.
Fe 2+ + Cu 2+ → Fe 3+ + Cu + Прямой перенос электронов: Перенос электронов в составе гидридиона (НАД + - и НАДФ + - зависимые дегидрогеназы) Перенос электронов в составе атомов водорода: SН 2 + В → S + ВН 2 (флавинзависимые дегидрогеназы) Перенос путем прямого взаимодействия органического восстановителя с кислородом, приводящий к образованию продукта, в котором содержится ковалентно связанный кислород: R-СН 3 + ½ О 2 → R-СН 2 ОН
Процесс передачи водорода на кислород происходит поэтапно, через промежуточные акцепторы. Большая часть энергии запасается в виде АТФ (энергии химических связей). Все реакции протекают в мягких условиях и катализируются ферментами. Активность ферментов регулируется.
Цикл Кребса Дыхательная цепь Жирные кислоты Жиры Полисахариды Белки Моносахариды Аминокислоты Глицерин Пируват Оксалоацетат 2оксоглутарат HS-KoA Ацетил- KoA АТФ АТФ СО 2 Н 2 Н 2 О
Окислительное декарбоксилирование пирувата СН З | | | С=О ОН С=О Н S -- КоА | С=О СН 3 S -- КоА НАД + НАДН + Н + Пируватдегидрогеназа + Ацетил-КоА Пируват
Ацетил-КоА ФАДН 2 Оксалоацетат Малат Цитрат Изоцитрат α -Кетоглутарат Сукцинил-КоА Сукцинат Фумарат НАДН + Н + АТФ НАДН + Н + НАДН + Н + СО 2 СО 2 2СО 2 + 3НАДН + 3Н + + ФАДН 2 + АТФ Цикл Кребса
Ключевые ферменты Активаторы Ингибиторы 1. Цитратсинтаза Оксалоацетат, ацетил-КоА. АТФ, НАДН, сукцинил-КоА, длинноцепочные ацилы-КоА. 2. Изоцитратдегидрогеназа (ИЦДГ) АДФ, Са 2+, цАМФ. НАДН, НАДФН, АТФ. 3. 2-оксоглутаратдегидрогеназа Са 2+, цАМФ. Сукцинил-КоА.
Регуляция гормонами Активируют цикл Кребса: инсулин, катехоламины, глюкагон, йодтиронины.
1. Катаболическое и энергетическое Общий заключительный этап распада всех классов органических соединений Образование АТФ (субстратное фосфорилирование) Главный поставщик протонов для дыхательной цепи 2. Анаболическое или биосинтетическое
3. Регуляторное (метаболиты - цитрат и АТФ - регуляторы других процессов: активируют синтез жирных кислот и ингибируют гликолиз).
Дыхательная цепь (цепь переноса электронов) - это цепь сопряженных окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых водород, отщепленный от субстратов, переносится на кислород с образованием воды и выделением энергии. Назначение дыхательной цепи - генерирование энергии.
a 3 ( FeS ) a c 1 b ( FeS ) c Ко- Q Н 2 ФМНН 2 - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + Организация компонентов дыхательной цепи митохондрий 2ẽ 1/2О 2 2ẽ Н 2 О АТФ Н 3 РО 4 АДФ + 2Н + 2Н + 2Н + 2Н + 2Н + АТФ- синтетаза НАДН + Н + Фосфорилирование МАТРИКС Внутренняя мембрана митохондрий
Ферментные комплексы дыхательной цепи
Синтез АТФ, сопряженный с переносом электронов по дыхательной цепи, называется окислительным фосфорилированием. Участки дыхательной цепи, где есть такой синтез, называют пунктами сопряжения окисления с фосфорилированием.
1. между НАДН и Ко Q, 2. на участке цитохромов b - c 1, на участке цитохромов a - a 3. Таким образом, окисление 1 молекулы НАДН приводит к синтезу 3 молекул АТФ, окисление 1 молекулы ФАДН 2 - к образованию 2 молекул АТФ.
Сопряжение в дыхательной цепи - это такое состояние, когда окисление (перенос электронов) сопровождается фосфорилированием, то есть синтезом АТФ. Разобщение - это такое состояние дыхательной цепи, когда окисление идет, а фосфорилирование не происходит. В этом случае вся или какая-то часть образующейся энергии выделяется в виде тепла.
Сопряжение и разобщение в дыхательной цепи Разобщители: 2,4-динитрофенол яды промышленного производства токсины ионофоры жирные кислоты (естественные разобщители) набухание митохондрий Разобщители повышают скорость переноса электронов по дыхательной цепи и выводят ее из под контроля АТФ.
АДФ стимулирует работу дыхательной цепи. Это явление называется дыхательным контролем. АТФ тормозит работу дыхательной цепи и потребление кислорода. Адреналин и глюкагон активируют работу дыхательной цепи.
Ротенон блокирует дыхательную цепь на участке НАДН – Ко Q. Амитал, антимицин - на участке между цитохромами b и c 1. Цианиды, сероводород и окись углерода блокируют цитохромоксидазу, при этом вся дыхательная цепь не работает.
Это окисление без образования АТФ. Ферменты свободного окисления: - оксидазы, - оксигеназы, - некоторые дегидрогеназы.
терморегуляция ; образование биологически важных соединений (катехоламинов, стероидных гормонов, коллагена, активного витамина Д и т.д); обезвреживание ксенобиотиков (ядов, токсинов, лекарств, веществ бытовой химии).
Анаэробные ткани получают энергию без кислорода. Анаэробные ткани: Скелетные мышцы, эритроциты, периферические нервы, мозговое вещество почек, кость, хрящ, соединительная ткань.
Аэробные ткани получают энергию с использованием кислорода и полностью зависят от кровотока. Аэробные ткани : Головной мозг, сетчатка глаза, сердце, кора почек, печень, слизистая тонкого кишечника. Потребление кислорода, а значит, и интенсивность окислительных процессов с возрастом падают.
