Тема 5. ФЕРМЕНТИ

Нові терміни, поняття: каталіз, ферменти, коферменти, активатори, інгібітори, простетичні групи, субстрат, апофермент, холофермент, кофактор, активний центр, алостерич-ний центр, модулятори, ефектори, рибозіми

1. ФЕРМЕНТИ ЯК БІОЛОГІЧНІ КАТАЛІЗАТОРИ

!! Ферменти - це біологічні каталізатори білкової природи, що виробляються живими клітинами, але в своїй дії від них не залежать (від лат.fermentum - закваска, enzyme - в дріжджах).

Відмінні властивості ферментів від небіологічних каталізаторів

Майже всі ферменти є білками. У 80-х роках відкриті рибозіми -ферменти, утворені з РНК.

Ферментативні реакції проходять в 10⁶- 10^!2 разів швидше за некоферментативні реакції у водному розчині.

Ферменти здатні каталізувати реакціїу відносно м'яких умовах (при температуратурі 25-40°С, атмосферному тиску, фізіологічній концентрації іонів водню (рН 7,0 - 7,5)).

Ферменти характеризується специфічністю, яка обумовлена конформаційною і електростатичною комплементарністю ферменту субстратом (речовиною, на яку діє фермент).

Дія більшості ферментів високо специфічна. Поняття специфічності відноситься не тільки до типів каталітичних реакцій (реакційна специфічність), але й до природи сполук -субстратів (субстратна специфічність).

Приклади реакційної специфічності

Специфічність ферментів по відношенню до субстратів

Абсолютна специфічність - фермент каталізує лише одну реакцію. Абсолютна специфічність характерна для уреази, яка каталізує гідролітичне розщеплення сечовини.

Групова специфічність виявляється тоді, коли фермент каталізує реакцію одного класу речовин, наприклад, окиснення амінокислот, або діє на певний тип зв'язку в молекулі, наприклад, розщеплення пептидного зв'язку.

Стереоспецифічність (просторова) - фермент каталізує реакцію перетворення певних оптично активних сполук, наприклад, тільки L- амінокислот, або D-амінокислот (оксидази L-амінокислот, оксидази D-амінокислот), або цис- і транс-ізомерів.

2. ХІМІЧНА ПРИРОДА ТА БУДОВА ФЕРМЕНТІВ

► Ферменти є біокаталізаторами, тобто речовинами біологічного походження, які прискорюють хімічні реакції. Організована послідовність процесів обміну речовин можлива при умовах, коли кожна клітина забезпечена власним генетично заданим набором ферментів. Тільки за таких умов здійснюється погоджена послідовність метаболічних реакцій.

► Ферменти (ензими, Е) утворюються в клітинах живих організмів і здатні прискорювати в них перебіг хімічних реакцій. Ферменти також містяться у різних рідинах організмів, наприклад, слині (амілаза), шлунковому соку (пепсин), соку підшлункової залози (ліпаза, амілаза та ін.) тощо.

За хімічною природою розрізняють прості та складні ферменти

Прості ферменти (однокомпонентні), так само, як і прості білки, при гідролізі розщеплюються до амінокислот. Прикладом простих ферментів є естераза печінки (альбуміни), уреаза, трипсин (глобуліни) та ін. Більшість простих ферментів каталізує реакції гідролізу (пепсин, трипсин, рибонуклеаза).

Складні ферменти (двокомпонентні) - належать до групи складних білків. Такі ферменти, крім білкової частини (апоферменту), містять групу небілкової природи - кофактор. Весь активний комплекс називається холоф е рментом.

Холофермент Апофермент + Кофактор

! Якщо група небілкового походження (кофактор) сполучена з білковою частиною ферменту слабкими електростатичними або ван-дер-ваальсівськими силами, то вона має назву - кофермент. Основними коферментами є НАД*, ФАД, КоА та ін.

Будова ферментів

В молекулах ферментів розрізняють активні та алостеричні центри.

В активному центрі (АЦ) є субстратна та каталітична ділянки.

!! Субстратна (контактна, якірна) ділянка відповідає за приєднання ферментів до субстрату.

!! Каталітична ділянка відповідає за перетворення субстрату.

Роль АЦ у простих ферментах виконують просторово орієнтовані залишки амінокислот (Сер, Гіс, Тир, Тре, Цис, Глу, Асп).

У складних ферментах - роль АЦ виконують кофактори та безпосередньо сполучена з ними частина апоферменту

Будова молекули простого (а), складного (б) і алостернчного (в) ферментів:

А - активний центр; S - субстрат; R- алостеричний центр; 1 -каталітична ділянка; 2 - контактна ділянка; 3 - кофактор

!! Алостеричний центр - це регуляторна ділянка, приєднання до якої речовин, що не мають структурної спорідненості з субстратом призводить- до зміни конформації (просторової структури) ферменту і різкої зміни його активності.

Розрізняють негативні та позитивні модулятори або ефектори.

3. МЕХАНІЗМ ДІЇ ФЕРМЕНТІВ ТА ОСНОВИ КІНЕТИКИ КАТАЛІЗУ

► Кожний фермент має так званий активний центр, який забезпечує зв'язок між ферментом і субстратом, тобто речовиною,

на яку діє фермент.

► Для того, щоб відбулась ферментативна реакція, повинні бути певні умови. Це просторова відповідність між ферментом і

субстратом. Фермент, за гіпотезою Б.Фішера (1890р.), повинен підходити до субстрату, як ключ до замка, а за гіпотезою

Д.Кошланда (1959р.) про динамічну взаємодію - як рукавичка до руки. Тоді може утворитися субстрат – ферментний

комплекс, що є передумовою ферментативної реакції. Л.Міхаеліс і М.Ментен сформулювали загальну теорію кінетики

дії ферментів.

(Схему ферментативної реакції можна подати у такому вигляді:

де S — субстрат;

Е - фермент

[ЕS] - нестійкий субстрат - ферментний комплекс;

Р - продукти реакції;

К+1 - константа швидкості утворення комплексу;

К -1 - константа швидкості зворотного розпаду Е8 на Е і 8;

К+2 - константа розпаду Е8 з утворенням продукту Р.

Графік залежності швидкості реакції V від концентрації субстрату [S

Рівняння Міхаеліса - Ментен

V max - максимальна швидкість реакції;

Км - константа Міхаеліса для досліджуваної пари фермент субстрат.

! За основу теорії, що пояснює дію ферменту, взято той факт, що ферменти значно знижують енергію активації (ЕА) тієї чи іншої реакції

Значення енергії активації ЕА при ферментативному та неферментативному каталізі:

Основні та перехідні стани реагуючих речовин:

Е_о - енергія активації реакції в присутності неорганічного каталізатора;

Е_к - енергія активації в присутності фермента;

ΔG - різниця вільної енергії реакції.

4. АКТИВНІСТЬ ФЕРМЕНТІВ, ВПЛИВ НА НЕЇ РІЗНИХ ФАКТОРІВ. ВЛАСТИВОСТІ ФЕРМЕНТІВ

► Для ферментів характерна висока каталітична активність, її визначають за кількістю субстрату, що перетворюється за одиницю

часу. Так, одна молекула амілази за 1 хв здатна перетворити приблизно 1 100 000 молекул субстрату. Виражають

каталітичну активність у кахалах (кат), млкат, мккат, нкат.

! Катал - це каталітична активність ферменту, який здійснює хімічне перетворення 1 моль субстрату за 1 с.

Вплив факторів

► Вплив температури на активність ферментів. При підвищенні температури каталітична активність ферментів збільшується,

але до певної межі. Температура, при якій каталітична активність ферменту найбільша, називається оптимальною (Т_о). Графічно це

можна зобразити так:

! Для ферментів тваринного походження Т_о = 35 - 50°С, а для ферментів рослинного походження То = 40 - 60 °С.

► Вплив рН-середовшца на активність ферментів. Для кожного ферменту характерне своє значення рН, при якому

активність ферменту є максимальною. Так, пепсин найвищу каталітичну активність виявляє при рН = 2, амілаза - 7,

фосфатаза 10.

► Активатори та інгібітори ферментів. Активатори - речовини, які підвищують активність ферментів. До них належать

катіони металів і деякі аніони (Мg²⁺, Са²⁺, Сu²⁺, Мn²⁺, Мо²⁺, Fе²⁺, СІ^-та ін.), мінеральні кислоти (НСl), жовчні кислоти, деякі

сполуки з функціональними і рупами (цистеїн, глутатіон), ферменти (ентерокіназа, трипсин).

Фермент	Метал	Фермент	Метал
ДІІК-полімераза Глутатіонсингетаза Гексокіназа β-Галактозидаза	Mg	α-Амілаза Ліпаза	Са
Гомосериндегідратаза	К Li
Фосфатаза	Тирозиназа Фенолоксидаза	Сu
Оксидоредуктаза	Мn
Аргіназа	Аргіназа	Ni
Карбоангідраза Уриказа	Zn	Каталаза Ксантиноксидаза	Fе Мо

Інгібітори - речовини, які викликають гальмування ферментативних процесів (білкові осаджувачі — ССl3СООН, танін, концентровані кислоти, солі важких металів та ін.). Інгібітори розподіляють на зворотної та незворотної дії (за характером дії), причому зворотні інгібітори ділять на конкурентні та неконкурентні (за спорідненістю до субстрату).

5. НОМЕНКЛАТУРА ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ФЕРМЕНТІВ