Ферменты растительной клетки

1. Общая характеристика ферментов и их структурная организация

2. Специфичность и механизм действия ферментов

3. Зависимость активности ферментов от условий среды

4. Классификация ферментов

В растительной клетке непрерывно происходит обмен веществ, сла8гающийся из огромного числа разнообразных химических реакций. Все реакции катализируются ферментами. В настоящее время известно более двух тысяч ферментов. Многие из них получены в очищенном виде. Первый фермент в кристаллическом виде был получен в 1926 году американским биохимиком Самнером. Он выделил уреазу из семян бобовых растений. в настоящее время получены препараты многих сотен ферментов и около 150 ферментов получены в кристаллическом виде.

Получение ферментов в чистом виде дает возможность, во-первых, исследовать их первичную структуру, во-вторых, идентифицировать ряд активных функциональных групп и, в-третьих, подойти вплотную к изучению активного центра и механизма действия ферментов.

Все полученные в настоящее время кристаллические ферменты являются одни из них простыми белками, другие сложными белками. В этой связи ферменты разделяют на две группы:

1. однокомпонентные, состоящие исключительно из белка;

2. двухкомпонентные, состоящие из белка и небелковой части.

Белковую часть у двухкомпонентных ферментов называют апоферментом, а небелковую простетической группой. У разных ферментов прочность связи апофермента и простетической группы неодинакова. Есть ферменты, у которых простетическая группа легко отделяется от белковой части. Легко отделяемую протетическкую от апофермента называют коферментом. В состав коферментов входят витамины, их производные или нуклеотиды. Так, витамин В₁ (тиамин), соединяясь с белком образует фермент пируватдекарбоксилазу. Витамин В₂ (рибофлавин) соединяясь адениловой кислотой образует флавин адениндинуклеотид. Витамин РР (никотиновая кислота) образует дегидрогеназы.

Многие ферменты содержат металлы, без которых фермент не активен. Металлы, входящие в состав ферментов называют кофакторами. Кофакторами являются такие металлы как железо, медь, магний, молибден, марганец, цинк.

Специфичность и каталитическую активность ферментов определяет активный центр. Что понимают под активным центром? Под активным центром понимают ту часть фермента, которая соединяется с субстратом и от которой зависят ферментативные свойства молекулы. Роль активного центра у однокомпонентных ферментов выполняют боковые группы полипептидной цепи, т.е. аминокислотные остатки. У двухкомпонентных ферментов роль каталитически активных центров выполняют и простетические группы. Активные центры многих ферментов находятся в гидрофобном окружении, и воде к ним нет доступа. Поэтому каталитические реакции в этом случае протекают в безводных условиях. Отсюда все ферменты, исходя из структуры их активных центров, а также строения молекул субстрата, можно разделить на две группы:

гидрофильного и гидрофобного действия.

Некоторые ферменты существуют в форме стабильных комплексов. Что представляют собой ферментные комплексы? Есть только один тип субъединицы комплекса участвующий в катализе, а остальные выполняют некаталитические функции, например, регуляторные, то это будет сложный фермент. Если же разные субъединицы катализируют различные, часто связанные друг с другом реакции, то это будут уже мультиферментные комплексы. У растений, например, существует мультиферментный комплекс, включающий все гликолитические ферменты. Превращение субстрата С в продукт П в простейшей мультиферментативной системе иллюстирируется следующей схемой:

С → С₁ → С₂ → С₃ ……Сп-1→П

Е₁ Е₂ Е₃ Еп

У одного и того же организма и даже внутри одной и той же клетки могут находиться различные формы ферментов, катализирующие одну и ту же реакцию. Множественные формы фермента, присутствующие внутри одного вида или одной клетки получили название изоферментов.

2. Специфичность действия ферментов

Действие ферментов в отличие от неорганических катализаторов строго специфично и зависит от строения субстрата.

Специфичность действия ферментов – важнейшее их биологическое свойство, без которого невозможен нормальный обмен веществ в организмах. Если бы ферменты не обладали специфичностью, то это привело бы к быстрому распаду всех веществ в клетках и гибели организма.

Реакции с участием ферментов протекают только в том случае, если молекула субстрата структурно соответствует молекуле фермента. По образному выражению Эмиля Фишера фермент подходит к своему субстрату так, как ключ подходит к замку. Схематически структурное соответствие для осуществления ферментативной реакции можно представить так:

фермент-субстрат →комплекс фермент-субстрат →фермент-продукт

Молекула субстрата как бы вкладывается в форму, имеющуюся на поверхности частицы фермента. В образовании фермент-субстратного комплекса принимают участие лишь функциональные группы молекулы фермента образующие его активный центр.

Механизм действия ферментов связан со снижением "энергии активации", необходимой для прохождения химической реакции. Допустим в системе происходит реакция, протекающая с выделением тепла (экзотермическая), когда вещество из состояния "А" переходит на более низкий энергетический уровень "Б". В этом случае молекулы вещества "А", чтобы превратиться в вещество "Б" должны преодолеть энергетический барьер "К", т.е. приобрести дополнительную энергию. Уровень "К" определяет тот наименьший запас энергии, который необходим для превращения вещества "А" в вещество "Б" и обратно. Разность между энергетическим уровнем "К" и уровнем "А" К – А = Е₁ и представляет энергию активации при переходе вещества "А" в вещество "Б". При эндотермической реакции, т.е. реакции, при которой энергия поглощается, когда происходит превращение вещества "Б" в вещество "А" молекулы также должны быть активированы до уровня "К". в этом случае к системе чтобы она начала реагировать следует подвести большее количество энергии и поэтому энергия активации Е₂ = К – Б выше, чем энергия активации экзотермической реакции Е₁. итак, при переходе вещества из одного состояния в другое молекулы его должны преодолеть какой-то энергетический барьер. После соединения с ферментом молекула субстрата поднимается на более высокий уровень, поэтому для преодоления ими энергетического барьера требуется значительно меньше энергии, чем до соединения субстрата с ферментом. Энергия активации комплекса "субстрат-фермент" будет меньшей, чем энергия активации чистого субстрата. Например, для разрыва связи между азотом и углеродом в лабораторных условиях необходимо около 210 кДЖ, в то время как биологической системе на разрушение этой связи с помощью ферментов расходуется только 42-50 кДж. Фермент снижает энергию активации и направляет химическую реакцию будто-бы обходным путем через промежуточные реакции, которые требуют меньшей энергии. Промежуточные реакции требуют меньшей энергии активации, чем реакция, идущая без участия катализатора. Поэтому они идут со значительной быстротой, а следовательно, и скорость суммарной реакции АВ – А + В также значительно повышается. Вследствие чего снижается энергия активации? Энергия активации снижается вследствие деформации молекулы субстрата. Эта деформация ослабляет внутримолекулярные связи.

3.Зависимость активности ферментов от условий среды.

Ферментативные реакции характеризуются 100%-ным выходом без образования побочных продуктов. Скорость ферментативных реакций, как правило, очень высокая. Некоторые ферменты в одну минуту могут превратиться от ста до миллиона и выше молекул субстрата в продукт реакции. Скорость ферментативной реакции (число оборотов) зависит также и от размера и сложности молекулы субстрата. Если субстрат представлен небольшой молекулой (перекись водорода), то эта реакция может активироваться и протекать с большой скоростью. Ферментативное превращение более крупных и сложных молекул протекает с меньшей скоростью.

Активность ферментов зависит от концентрации субстрата. Зависимость между концентрацией субстрата и активностью фермента количественно обосновали Михаэлис и Ментен.

где V – скорость ферментативной реакции, Vmax – максимальная скорость реакции, Km – константа Михаэлиса, S – молярная концентрация субстрата.

Максимальная скорость ферментативной реакции достигается такой концентрацией субстрата, при которой весь фермент вступает в реакцию. Графическое уравнение описывается равнобочной гиперболой, если выражается зависимость скорости от концентрации субстрата. Константа Михаэлиса численно равна концентрации субстрата (S) при которой скорость реакции равна половине её максимальной величины Km = ½ Ymax.

Важнейшим фактором, от которого зависит действие ферментов – температура, (эту зависимость покажем графически).

По мере возрастания температуры растет и активность ферментов. При определенной температуре, называемой оптимальной, действие фермента будет наиболее интенсивным. Дальнейшее повышение температуры приводит к уменьшению и затем к прекращению действия фермента.

Зависимость скорости реакции от времени воздействия хорошо иллюстрируется серией кривых. При реакции, длящейся несколько секунд, или минут оптимальной будет 70-80⁰. в том случае, если продолжительность реакции будет составлять несколько часов, то температурный оптимум находится при более низкой температуре. Снижение интенсивности действия фермента при повышении температуры сверх оптимальной объясняется, прежде всего, начинающейся денатурацией ферментного белка.

Вторым важным фактором, оказывающим большое влияние на каталитическую активность ферментов, является кислотность среды и её рН. Каждый фермент проявляет свое максимальное для него действие при определенном значении рН, которое носит название рН-оптимум. Кривые, описывающие зависимость активности ферментов от рН среды, имеют колоколообразную форму. Наивысшая активность растительных ферментов отмечается при кислой или нейтральной реакции.

Активность ферментов резко изменяется в зависимости от обеспеченности растений водой. При потере воды растением усиливается гидролитические процессы, а при резком недостатке воды, растения погибают вследствие необратимого преобладания гидролитических процессов над синтетическими.

Условия минерального питания оказывают сильное влияние на скорость и направленность ферментативных процессов. Калийные удобрения усиливают образование крахмала. При недостатке калия усиливается распад сахарозы и накапливается в растениях большое количество моносахаридов.

Под действием фосфорных удобрений наиболее резко усиливается интенсивность синтеза сахарозы и крахмала.

Избыток азотных удобрений в почве не способствует накоплению сахарозы и крахмала в растениях. Таким образом, изменяя условия питания растений мы изменяем в них активность и направленность действия ферментов, а следовательно интенсивность и направленность биохимических процессов.

Каждый вид и сорт растений обладает определенным соотношением синтезирующего и гидролизирующего действия ферментов. Более скороспелые сорта, например, отличаются более сильным гидролитическим действием ферментов, чем позднеспелые.

Интенсивность и направленность ферментативного действия определяется и возрастом растения. с возрастом растения, например, интенсивность синтетических процессов в листьях ослабевает и начинают преобладать процессы гидролиза.

Активность большинства ферментов зависит от содержания в реакционной среде различных веществ. Вещества, которые повышают каталитическую активность ферментов называются активаторами. Роль активаторов выполняют ионы металлов (натрий, калий, кальций, цинк, медь, марганец, железо и др.), для липазы, катализирующей расщепление и синтез жира активатором является кальций.

Существуют вещества, которые подавляют действие ферментов. Они получили название ингибиторов ферментов, механизм действия ингибиторов заключается в том, что они соединяются и "блокируют" активные центры или активные группы ферментов, связывающих субстрат. К ингибиторам относятся соли тяжелых металлов – свинца, серебра, ртути, а также дубильные вещества и танин.

Наряду с активаторами и ингибиторами, связывающимися с теми или иными функциональными группами в активном центре фермента, имеются ингибиторы и активаторы, присоединяющиеся не к активному центру, а к какому-то другому участку молекулы фермента. При этом изменяется конформация всей молекулы, а следовательно и структура активного центра. В результате чего происходит ингибирование или активирование данного фермента. Участок молекулы фермента, присоединение к которому вызывает изменение её конформации и связанное с ним изменение структуры активного центра получил название аллостерического центра, а соответствующие ферменты - аллостерическими. Термин "аллостерический" означает "связанный с другим местом" или связанный с другим центром.

Вещества, присоединение которых к аллостерическому центру вызывает увеличение или уменьшение активности фермента называют эффекторами. В качестве эффекторов могут выступать различные промежуточные продукты обмена веществ – метаболиты. Аллостерические ферменты играют важную роль в регулировании ферментативных процессов в клетке.

4.Классификация ферментов

Главным признаком на основании которого отличается один фермент от другого является химическая реакция, катализируемая данным ферментом. На этом признаке базируется современная классификация Ии номенклатура. Выделяют 6 классов:

1-класс – оксидоредуктазы – ферменты, катализирующие перенос атомов водорода и электронов, т.е. катализируют реакции дегидрирования – переносят отнимают водород от субстрата и переносят его на кислород воздуха. Окислительно-восстановительные реакции в растительной клетке протекают в анаэробных условиях. Поэтому оксидоредуктазы могут быть анаэробные и аэробные.

2-класс – трансферазы (ферменты переноса) катализируют перенос целых атомных групп. Атомными группами могут быть: остатки моносахаридов, остаток фосфорной кислоты, аминокислот, аминных групп, метильных групп.

3-класс – гидролазы – ферменты, катализирующие реакции расщепления ковалентной связи и присоединения к ним воды.

4-класс – лиазы – ферменты, катализирующие реакции отщепления от субстрата без участия воды с образованием двойных связей или реакции присоединения групп к двойной связи.

5-класс – изомеразы – ферменты, катализирующие реакции, в ходе которых изменяется конформация молекулы субстрата.

6-класс – лигазы – ферменты катализирующие реакции соединения двух молекул веществ с потреблением энергии макроэргических фосфатных связей.

Для ферментов разработана не только классификация, но и номенклатура, т.е. нумерация. Для всех ферментов установлен цифровой четырехзначный шифр. Первая цифра указывает к какому из шести классов принадлежит фермент; вторая цифра обозначает подкласс; третья – подкласс; четвертая – номер фермента в данном подклассе. Например, шифр 1.9.3.1. 1. 1- класс оксидоредуктазы, 9-подкласс – действует на группу генома доноров, 3-подкласс – акцептором служит кислород, 1- первый фермент в подклассе. Систематическое название фермента носит химическую информацию, однако в повседневной практике чаще используют тривиальное название фермента. Ферменты называются по субстрату на который они действуют с прибавлением суффикса "аза". Так фермент разлагающий сахарозу называется сахараза, амилозу – амилаза, мочевину – уреаза.