Ферменты

гликозилтрансферазы и другие. ТрансферазыТрансферазы благодоряблагодаря

разнообразию переносимых ими остатков принимают участие в промежуточном

обмене веществ.

ГИДРОЛАЗЫ – ферменты, катализирующие гидролитическое расщепление различных

субстратов (при участии молекул воды). В зависимости от этого среди них

различают эстеразы, расщипляющие сложноэфирную связь между карбоновыми

кислотами (липаза) тиоловыхтиоловых эфиров, фосфоэфирную связь и так

далиедалее; гликозидазы, расщепляющие гликозидные связи, пептид -

гидролазы, действует на пептидную связь и другие.

ЛИАЗЫ. К этой группе относятся ферменты, способные отщеплять различные

группы от субстрата негидролитическимне гидролитическим путём с

образованием двойных связей или, напротив, присоединять группы к двойной

связи. При расщеплении образуется Н2О или СО2 или большие остатки- например

ацетил- СоА. Лиазы играют весьма важную роль в процессе обмена веществ.

ИЗОМЕРАЗЫ – ферменты, катализирующие превращение изомерных форм друг в

друга, то - есть осущевствляющиеосуществляющие внутримолекулярное

превращение различных групп. К ним относятся не только ферменты,

стимулирующие реакции взаимных переходов оптических и геометрических

изомеров, но и такие, которые могут способствовать превращению альдоз в

кетозы или перемещению эфирной связи и другие.

ЛИГАЗЫ. Раньше эти ферменты не отделяли от лиаз, так как реакция последних

часто идёт в двух направлениях, однако недавно было выяснено, что синтез и

распад в большинстве случаев происходит под влиянием различных ферментов, и

на этом основании ввыделенвыделен отдельный класс лигаз (синтетаз).

Ферменты, обладающие двойным действием, получили название бифункциональных.

Лигазы принимают участие в реакции соединения двух молекул, то-естьто есть

синтетических процессах, сопровождающихся расщеплением макроэнергитических

связей АТФ или других макроэргов.

«Первое подразделение ферментов на самые крупные группы (6 классов)

основано не на названии субстрата, а на природе химической реакции, которую

фермент катализирует. Далее, внутри классов ферменты делят на подклассы,

руководствуясь строением субстрата. В подклассы объединяют ферменты данного

класса, действующие на сходно построенные субстраты. На этом деление не

заканчивается. Ферменты Робота естьмама и прапажа каждого подкласса

разбивают на подклассы, в которых ещё строже уточняют структуру химических

групп, отличающих субстраты друг от друга. Подкласс это последняя низшая

ступень классификации. Внутри подклассов перечисляют уже отдельные,

индивидуальные ферменты. Таким образом, вся система проста и достаточно

стройна:

КЛАСС- ПОДКЛАСС- ПОДПОДКЛАСС- ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ФЕРМЕНТ.

В соответствии с этим принципом классификации предложена очень удобная

система нумерации (индексации) ферментов. Каждый индекс состоит из четырёх

цифр, разделённых точками:

1. Номер класса.

2. Номер подкласса в данном классе

3. Номер подподкласса

4. Номер, присвоенный данному индивидуальному ферменту этого подподкласса»

(В. И. Розенгарт Ферменты- двигатели жизни)

Например, амилаза-фермент, гидролизующий крахмал с которой мы уже

встречались неоднократно, имеет индекс 3.2.1.1. Классификация ферментов

построена так, что в ней оставлены свободные места для ещё не открытых

ферментов.

НОМЕНКЛАТУРА.

Ферментология очень долго не располагала, строг научной номенклатурой

ферментов. Наименования ферментам давали по случайным признакам

(тривиальная номенклатура), по названию субстрата (рациональная), по

химическому составу фермента, наконец, по типу катализируемой реакции и

характеру субстрата. Примерами тривиальной номенклатуры могут служить

названия таких ферментов, как пепсин (от греч. пепсин - пищеварение),

трипсин (от греч. трипсис - разжижаю) и папаин (от названия дынного дерева

Carica papaja, из сока которого он выделен). По действию все эти ферменты

являются протеолитическими, т. е. ускоряют гидролиз протеинов (белков).

Характерное название была дано группе окрашенных внутриклеточных ферментов,

ускоряющих окислительно-восстановительные реакции в клетке, - цитохромы (от

лат. citos - клетка и chroma - цвет).

Наибольшее распространение получила рациональная номенклатура, согласно

которой название фермента составляется из названия субстрата характерного

окончания -аза. Она была предложена более столетия тому назад, в 1883 г. Э.

Дюкло - учеником Л. Пастера. Так, фермент, ускоряющий реакцию гидролиза

крахмала, получил название амилаза (от греч. амилон - крахмал), гидролиза

жиров - липаза (от греч. липос - жир), белков (протеинов) - протеаза,

мочевины - уреаза (от греч. уреа - мочевина) и т. п. Когда методами

аналитической химии были достигнуты известные успехи в расшифровке

химической природы простетических групп, возникла новая номенклатура

ферментов. Их стали именовать по названию простетической группы, например,

геминфермент (простетическая группа - гем), пиридоксаль- фермент

(простетическая группа - пиридоксаль) и т.п. Затем в названии фермента

стали указывать как на характер субстрата, так и на тип катализируемой

реакции. К примеру, фермент, отнимающий водород от молекулы янтарной

кислоты, называют сукцинатдегидрогеназой, подчеркивая этим одновременно и

химическую природу субстрата, и отнятие атомов водорода в процессе

ферментативного действия:

- 2Н

НООС - СH2 - СН2 – CООН НООС - СН = СН – СООН

Янтарная кислота Дегидрирование Малеиновая

кислота

В 1961 г. Международная комиссия по номенклатуре ферментов представила V

Международному биологическому конгрессу проект номенклатуры, построенный на

строго научных принципах. Проект был утвержден конгрессом, и новая

номенклатура прочно вошла в ферментологию. Согласно этой (Московской)

номенклатуре название ферментов составляют из химического названия

субстрата и названия той реакции, которая осуществляется ферментом . Если

химическая реакция, ускоряемая ферментом, сопровождается переносом

группировки атомов от субстрата к акцептору, название фермента включает

также химическое наименование акцептора. Например, пиридоксальфермент,

катализирующий реакцию переаминирования между L-аланином и ?-кетоглутаровой

кислотой, называется L-аланин: 2-оксоглутарат аминотрансфераза. В этом

названии отмечены сразу три особенности: 1) субстратом является L-аланин;

2) акцептором служит 2-окcоглутаровая кислота; З) от субстрата к акцептору

передается аминогруппа.Названия ферментов по научной номенклатуре

неизмеримо выигрывают в точности, но становятся в ряде случаев гораздо

сложнее старых, тривиальных. Так, уреаза (тривиальное название), ускоряющая

реакцию гидролиза - мочевины на оксид углерода (IV) и аммиак, по научной

номенклатуре именуется карбамид - амидогидролазой:

Н2N - СО - NН2 + Н2О 2NН3 + СО2

В этом названии дано точное химическое наименование субстрата и указано,

что фермент катализирует реакцию гидролиза аминогруппы. Трегалаза,

ускоряющая реакцию гидролиза трегалозы, называется трегалоза-1-глюко-

гидролазой.. В связи со значительным усложнением научных названий в новой

номенклатуре допускается сохранение наряду с новыми старых тривиальных,

рабочих названий ферментов. Международной комиссией был составлен детальный

список всех известных в то время ферментов, существенно дополненный в 1972

г. при пересмотре, как классификации, так и номенклатуры некоторых

ферментов, где рядом с новым научным названием каждого фермента приведено

старое, а также указан химизм катализируемой ферментом реакции и в

некоторых случаях природа фермента. Таким образом, исключается возможность

путаницы в наименовании ферментов. В 1964 г. список включал 874 фермента; в

последующее время он был существенно дополнен и возрос до 1770 ферментов в

1972 г. и до 2003 ферментов в 1979 г.

АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ.

Для исследования или практического работника, занимающегося ферментами,

определение активности ферментов - это постоянная, повседневная работа,

потому что любое изучение свойств ферментов, любое применение их в

практической деятельности- в медицине и в народном хозяйстве- всегда

связано с необходимостью знать, с какой скоростью протекает ферментативная

реакция. Что бы понять и правильно оценить результаты определения

ферментативной активности, нужно совершенно отчётливо представить себе, от

каких факторов зависит скорость реакции, какие условия оказывают на неё

влияние. Таких условий много. Прежде всего это соотношение концентрации

самих реагирующих веществ: фермента и субстрата. Далее, это всевозможные

особенности той среды, в которой протекает реакция: температура,

кислотность, наличие солей или других примесей, способных как ускорять, так

и замедлять ферментативный процесс, и так далее. Попытаемся рассмотреть

поближе эти условия.

ВЛИЯНИЕ РЕАКЦИЙ СРЕДЫ.

Для большинства известных в настоящее время ферментов определён оптимум РН,

при котором они обладают максимальной активностью. Эта величина- важный

критерий, служащий для характеристик фермента. Иногда это свойство

ферментов используют для их препаративного разделения. Наличие оптимума РН

можно объяснить тем. Что ферменты представляют собой полиэлектролиты и их

заряд зависит от значения РН (Смотри приложение 2). Иногда сопутствующие

вещества могут изменить оптимум РН, например буферные растворы. В некоторых

случаях в зависимости от субстратов ферменты с неярко выраженной

специфичностью имеют несколько оптимумов. Например, пепсин расщепляет белки

яйца при РН 1,5- 2,0, синтетические субстраты- при РН 4,0. Отсюда следует,

что величина (РН оптимум)- весьма чувствительный признак для данного

фермента. Она зависит от природы субстрата, состава буферного раствора и

поэтому не является истинной константой. Нужно иметь в виду также свойства

ферментов как белковых тел, способных к кислотно-щелочной денатурации.

Поэтому при определении оптимума РН, в котором сохраняется физико-

химическая стабильность фермента. Кислотно-щелочная денатурация может

привести к необратимым изменениям структуры фермента с утратой его

каталитических свойств.

ВЛИЯНИЕ ДРУГИХ ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ.

Присутствие в реакционной среде некоторых ионов может активировать

образование активного субстрат ферментного комплекса, и в этом случае

скорость ферментативной реакции будет увеличивается. Такие вещества

получили название активаторов. При этом вещества, катализирующие

ферментативные реакции, непосредственного участия в них не принимают. На

активность одних ферментов существенно влияет концентрация солей в системе,

другие ферменты не чувствительны к присутствию ионов. Однако некоторые ионы

абсолютно необходимы для нормального функционирования некоторых ферментов.

Известны ионы, которые тормозят активность одних ферментов и являются

активаторами для других. К числу специфических активаторов относятся

катионы металлов: Na+, K+,Rb+,Cs+,Mg2+, Ca2+,Zn2+,Cd2+,Cr2+,Cu2+,

Mn2+,Co2+,Ni2+,Al3+. Известно также, что катионы

Fe2+,Rb+,Cs+ только в присутствии Mg действуют как активаторы, в других

случаях эти катионы не являются активаторами. В большинстве случаев один

или два иона могут активировать тот или иной фермент. « Например, Mg2+-

обычный активатор для многих ферментов, действующий на фосфоримированные

субстраты, почти во всех случаях может быть заменён Mn2+, хотя другие

металлы его заменить не могут. Следует заметить, что щелочноземельные

металлы вообще конкурируют друг с другом, в частности, Са2+ подавляет

активность многих ферментов, активируемых Mg2+ и Zn2+. Причина этого до

настоящего времени не ясна» (Г. А. Смирнова Основы биологии). Механизм

влияния ионов металлов- активаторов может быть различным. Прежде всего,

металл может быть компонентом активного центра фермента. Но может

действовать как связующий мостик между ферментом и субстратом удерживая

субстрат у активного центра фермента. Имеются данные о том, что ионы

металлов способны связывать органическое соединение с белками и, наконец,

один из возможных механизмов действия металлов как активаторов- это

изменение константы равновесия ферментативной реакции. Доказано, что анионы

также влияют на активность ряда ферментов. Например, очень велико влияние

СI- на активность А - амилазы животного происхождения. Наряду с

существованием активаторов ферментов известен ряд веществ, присутствие

которых тормозит каталитическое действие ферментов или полностью

инактивирует его. Такие вещества принято называть ингибиторами. Ингибиторы

– это вещества, действующие определённым химическим путём на ферменты и по

характеру своего действия, могут быть подразделены на обратимые и

необратимые ингибиторы. Для обратимого торможения Характерно равновесие

между ферментом и ингибитором с определённой константой равновесия. Система

такого типа характеризуется определённой степенью торможения, зависящей от

концентрации ингибитора, при этом торможение достигается быстро и после

этого не зависит от времени. При удалении ингибитора с помощью диализа

активность фермента восстанавливается. Необратимое торможение, прежде

всего, выражается в том, что диализ не способствует восстановлению

активности фермента. И в отличии от обратимого торможения усиливается со

временем, так что может наступить полное торможение каталитической

активности фермента при очень низкой концентрации ингибитора. В этом случае

эффективность действия ингибитора зависит не от константы равновесия, а от

константы скорости, определяющей долю фермента, подвергшегося торможению в

данном случае.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ.

Температура – один из важнейших факторов внешней среды, который независимо

от состояния равновесия реакции меняет её скорость. Поэтому при

ферментативных реакциях при повышении температуры на 10 С процесс

ускоряется в 1,5 – 2 раза. При дальнейшем повышении температуры

присоединяются денатурационные процессы, характерные для всех белков и в то

м числе для ферментов, поэтому наблюдается затухание скорости реакции

(Смотри приложение 3). Температурным оптимумом реакции называют

температуру, при которой одно её действие вызывает ускорение реакции,

катализируемой данным ферментом. Для большинства ферментов животного

происхождения он равен 40 – 50 С, для растительного происхождения он равен

50 – 60 С. Почти все ферменты разрушаются при температуре 80 С. Но для

некоторых ферментов в настоящее время доказана возможность восстановления

их каталитической активности в случае обратимого процесса денатурации

белка. Известны и такие ферменты, максимальная активность которых

проявляется при более низких температурах. «Например, каталаза,

температурный оптимум которой лежит в пределах между 0-10С» (Г. А. Смирнова

Основы биохимии). Понижение температуры снижает скорость ферментативных

реакций. Большинство ферментов при 0 С ещё не утрачивают своих

каталитических свойств, но при замораживании химические реакции

прекращаются. При последующем оттаивании, если соблюдается определённые

условия, ферментативная активность клеток может быть восстановлена.

ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ.

При изучении действия давления на скорость ферментативных реакций

необходимо, прежде всего, учитывать, как и при изучении других факторов,

возможность денатурации ферментов при высоком давлении. Если константа

скорости ферментативной реакции растёт с повышением давления, то

образование активного комплекса происходит с уменьшением объёма и наоборот,

если при увеличении давления образование активного комплекса сопровождается

увеличением объёма, то константа скорости реакции снижается.

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ФЕРМЕНТА И ЕГО СУБСТРАТА.

Скорость любого ферментативного процесса в значительной степени зависит от

концентрации, как субстрата, так и фермента. Обычно скорость реакции прямо

пропорциональна количеству фермента, при условии если содержание субстрата

в в пределах оптимума или немного выше. При постоянном количестве фермента

скорость возрастает с увеличением концентрации субстрата. Эта реакция

подчинена закону действующих масс и рассматривается в свете теории

Михаэлиса – Ментона, то есть

V=K(F) V- скорость реакции

K- константа скорости

F- концентрация фермента

(Смотри приложение 4).

На графике показано соотношение скорости реакции и концентрации субстрата.

В восходящей части гиперболы при низких концентрациях субстрата скорость

реакции пропорциональна концентрации субстрата. В верхней части, когда

концентрация субстрата высока, скорость реакции приближается к

максимальному значению и почти не зависит от концентрации. Первое

объяснение этой кривой было дано Генри (1901 год). Он высказал

предположение, что а основе этой реакции лежит образование субстрат -

ферментного комплекса. В дальнейшем эта теория была экспериментально

обоснована Михаэлисом – Ментеном и не утратила своего значения до

настоящего времени.

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ.

Предполагалось, что ферменты адсорбируют на своей поверхности реагирующие

молекулы, в результате чего на участках сорбции концентрация молекул

субстрата увеличивается, и это повышает вероятность протекания реакции

между ними. Постепенно сложилось мнение, что фермент не сорбирует субстрат

на своей поверхности, а вступает с ним во взаимодействие, причём это

взаимодействие на первом этапе состоит в образовании непрочного соединения-

комплекса между ферментом и субстратом. С каждой молекулой фермента ( а

точнее, с каждым его каталитическим центром) реагирует одна молекула

субстрата, причём реакция носит необратимый характер. Если фермент

обозначить буквой Е, а субстрат буквой S, то реакцию можно написать в виде

уравнения:

E+S ES

Совершенно очевидно, что ферментативный процесс в целом не может

закончиться образованием фермент- субстратного комплекса. Этот комплекс

представляет собой лишь промежуточное соединение, которое подвергается

дальнейшим преобразованиям. В простейшем случае- это химическое превращение

Страницы: 1, 2, 3