Какви са обхватите на ензимите? Механизмът на действие на ензимите. Човешки ензими и наследствени заболявания

Човешкото тяло се състои от огромен брой живи клетки. Клетката се счита за единица на жив организъм, тя се състои от структурни тела, между които протичат биохимични реакции. Важен компонент, който контролира протичането на химичните процеси, са ензимите.

Ролята на ензимите в организма

Ензимът е протеин, който ускорява протичането на химичните реакции, главно служи като активатор на разграждането и образуването на нови вещества в тялото.

Ензимите служат като катализатори за биохимични реакции. Те значително ускоряват процеса на живот. Те контролират процесите на разделяне, синтез, метаболизъм, дишане, кръвообращение, без тях реакциите на мускулна контракция и нервните импулси не преминават. Всеки структурен елемент съдържа свой уникален набор от ензими и когато съдържанието на един ензим е изключено или намалено, в тялото настъпват значителни промени, водещи до появата на патологии.

Класификация на ензимите

В зависимост от структурата има две групи ензими.

• Простите ензими са от протеинова природа. Те се произвеждат от тялото.
• Комплексни ензими, състоящи се от протеинов компонент и непротеинова основа. Небелтъчните компоненти не се синтезират в човешкото тяло и идват при нас заедно с хранителни вещества, те се наричат ​​коензими. Непротеиновите вещества, които са част от ензимите, включват витамини от група В, витамин С и някои микроелементи.

Ензимите се класифицират според функциите, които изпълняват, и вида на реакциите, които катализират.

Според функциите си ензимите се делят на:

1. Храносмилателните, отговорни за разграждането на хранителните вещества, се намират главно в слюнката, лигавиците, панкреаса и стомаха. Известни ензими са:
   • амилаза, разгражда сложните захари (нишесте) до прости, захароза и малтоза, които след това могат да участват в жизнените процеси на тялото;
   • липазата участва в хидролизата на мастни киселини, разгражда мазнините на компоненти, които се абсорбират от тялото;
   • протеазите регулират разграждането на протеините до аминокиселини.
2. Метаболитните ензими контролират метаболитните процеси на клетъчно ниво, участват в окислително-възстановителните реакции, синтеза на протеини. Те включват: аденилат циклаза (регулират енергийния метаболизъм), протеин кинази и протеин дефосфатаза (участват в процеса на фосфорилиране и дефосфорилиране).
3. Защитните участват в съпротивителните реакции на организма вредни бактериии вируси. Важен ензим е лизозимът, той разгражда черупките на вредните бактерии и активира редица имунни реакции, които предпазват организма от възпалителни реакции.

Ензимите се разделят на 6 класа според вида на реакциите:

1. Оксидоредуктази. Многобройна група от ензими, които участват в окислително-възстановителните реакции.
2. Трансферази. Тези ензими са отговорни за преноса на атомни групи и участват в разграждането и синтеза на протеини.
3. Хидролазите разцепват връзките и насърчават водните молекули да бъдат включени в състава на телесните вещества.
4. Изомеразите катализират реакции, при които едно вещество влиза в реакцията и се образува едно вещество, което впоследствие участва в жизнения процес. Така изомеразите служат като преобразуватели на различни вещества.
5. Лиазите участват в реакции, при които се образуват метаболитни вещества и вода.
6. Лигази, осигурете образование сложни веществаот по-простите. Участват в синтеза на аминокиселини, въглехидрати, протеини.

Защо възниква ензимен дефицит и защо е опасен?

При липса на ензими започват неуспехи обща системаорганизми, които водят до сериозни заболявания. За да поддържате оптималния баланс на ензимите в тялото, е необходимо да балансирате диетата си, тъй като тези вещества се синтезират от елементите, които ядем. Ето защо е много важно да се осигури прием на микроелементи, витамини, полезни въглехидрати, протеини. Те се намират главно в пресни плодове, зеленчуци, постно месо, месо от органи и риба, независимо дали са приготвени на пара или печени.

Лошото хранене, пиенето на алкохол, бързо хранене, енергийни и синтетични напитки, както и храни, съдържащи голямо количество багрила и подобрители на вкуса, влияят неблагоприятно на работата на панкреаса. Тя е тази, която синтезира ензимите, отговорни за разграждането и трансформацията на хранителните вещества. Нарушенията на ензимната активност на панкреаса водят до затлъстяване, остри заболявания на стомаха и червата, впоследствие липсата на ензими засяга работата на сърдечната и дихателната система, както и общия външен вид. Има алергични реакции, лющене на кожата, появата на акне, фолиация на ноктите, косопад.

За активиране и поддържане на работата на панкреаса в диетата се въвеждат специални ензимни препарати, които допринасят за усвояването на храната. Известни средства като: панкреатин, креон, мезим, фестал, холензим. Използват се строго по препоръка на лекар. В същото време, за пълно възстановяване, е необходимо да се осигури правилно хранене.

Природа на протеини, които играят роля в тялото

Механизмът на действие на ензимите

Изясняването на механизмите, лежащи в основата на каталитичния процес, е една от основните задачи и неотложни проблеми не само на ензимологията, но и на съвременната молекулярна биохимия и биология.

Много преди чистите ензими да станат достъпни и тяхната природа да бъде изяснена, се смяташе, че свързването на ензима със субстрата е от решаващо значение за ензимния процес. Опитите да се намери сложно съединение на ензима със субстрата за дълго време не доведоха до успех, тъй като такъв комплекс е лабилен, той се разлага много бързо. Използването на метода на спектроскопия направи възможно идентифицирането на ензимно-субстратни комплекси за каталаза, пероксидаза, алкохолдехидрогеназа и флавин-зависими ензими.

Методът на рентгеновия дифракционен анализ позволи да се получи много важна информация за структурата и каталитичните механизми на действие на ензима. Този метод е използван за свързване на субстратни аналози с ензимите лизозим и химотрипсин.

Някои преки доказателства за съществуването на ензимно-субстратни комплекси са получени за случаите, когато в един от етапите на каталитичния цикъл ензимът е свързан със субстрата чрез ковалентна връзка. Пример е р-нитрофенилацетат, катализиран от химотрипсин. Когато ензимът се смеси с този естер, химотрипсинът се ацетилира в хидроксилната група на реактивния серинов остатък. Този етап протича бързо, но хидролизата на ацетилхимотрипсин с образуването на ацетат и свободен химотрипсин е много по-бавна. Следователно в присъствието на р-нитрофенилацетат се натрупва ацетилхимотрипсин, който лесно се открива.

Наличието на субстрат в състава на ензима може да бъде "уловено" чрез превръщане на нестабилния ЕК комплекс в неактивна форма, например чрез третиране на ензимно-субстратния комплекс с натриев борохидрид, който има силен редуциращ ефект. Подобен комплекс под формата на стабилно ковалентно производно е открит в ензима алдолаза. Оказа се, че е-аминогрупата на лизина взаимодейства с молекулата на субстрата.

Субстратът взаимодейства с ензима в определена част, която се нарича активно място или активна зона на ензима.

Под активен център или активна зона се разбира тази част от ензимната протеинова молекула, която се комбинира със субстрата (и кофакторите) и определя ензимните свойства на молекулата. Активният център определя специфичността и каталитичната активност на ензима и трябва да представлява структура с определена степен на сложност, приспособена за близко приближаване и взаимодействие със субстратната молекула или нейните части, пряко участващи в реакцията.

Сред функционалните групи има такива, които са част от "каталитично активното" място на ензима и образуват място, което осигурява специфичен афинитет (субстратно свързване с ензима) - така нареченият контакт, или "котва" (или адсорбция мястото на активния център на ензима).

Механизмът на действие на ензимите се обяснява с теорията на Михаелис-Ментен. Според тази теория процесът протича на четири етапа.

Механизъм на действие на ензимите: I етап

Между субстрата (С) и ензима (Е) възниква връзка - образува се ензимно-субстратен комплекс ЕС, в който компонентите са свързани помежду си чрез ковалентни, йонни, водни и други връзки.

Механизмът на действие на ензимите: етап II

Субстратът се активира под въздействието на прикрепения ензим и става достъпен за съответните катализни реакции на ЕС.

Механизмът на действие на ензимите: етап III

Осъществява се катализът на ЕК. Тази теория е потвърдена експериментални изследвания.

И накрая, етап IV се характеризира с освобождаването на ензимната молекула Е и реакционните продукти Р. Последователността на трансформациите може да бъде показана, както следва: Е + С - ЕС - ЕС * - Е + Р.

Спецификата на действието на ензимите

Всеки ензим действа върху специфичен субстрат или група вещества, които са сходни по структура. Специфичността на действието на ензимите се обяснява със сходството на конфигурацията на активния център и субстрата. В процеса на взаимодействие се образува ензимно-субстратен комплекс.

Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу

Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.

публикувано на http:// www. всичко най-добро. en/

Структура, свойства и механизъм на действие на ензимите

Съдържание

• Структура на ензимите
• Механизмът на действие на ензимите
• Ензимна номенклатура
• Класификация на ензимите
• Ензимни свойства
• Клинична ферментология
• Литература

Кратка история на ферментологията

Експерименталното изследване на ензимите през 19 век съвпада с изучаването на процесите на ферментация на дрожди, което се отразява в термините "ензими" и "ензими". Името на ензимите идва от латинската дума fermentatio - ферментация. Терминът ензими идва от понятието ензим – от дрожди. Първоначално тези имена са имали различни значения, но в момента те са синоними.

Първата ензимна реакция на озахаряване на нишесте с малц е изследвана от местния учен K.S. Кирхоф през 1814 г. Впоследствие са направени опити за изолиране на ензими от клетки на дрожди (E. Buechner, 1897). В началото на 20 век Л. Михаелис и М. Ментен развиват теорията за ензимната катализа. През 1926 г. D. Sumner е първият, който изолира пречистен препарат на ензима уреаза в кристално състояние. През 1966 г. Б. Мерифийлд успява изкуствено да синтезира ензима РНКаза.

Структура на ензимите

Ензимите са високоспециализирани протеини, способни да увеличат скоростта на реакцията в живите организми. Ензимите са биологични катализатори.

Всички ензими са протеини, обикновено глобуларни. Те могат да се отнасят както за прости, така и за сложни протеини. Протеиновата част на ензима може да се състои от една полипептидна верига - мономерни протеини - ензими (например пепсин). Редица ензими са олигомерни протеини, които включват няколко протомера или субединици. Протомерите, обединявайки се в олигомерна структура, се свързват спонтанно чрез слаби нековалентни връзки. В процеса на асоцииране (коопериране) настъпват структурни промени в отделните протомери, в резултат на което активността на ензима се повишава значително. Разделянето (дисоциацията) на протомерите и свързването им в олигомерен протеин е механизъм за регулиране на ензимната активност.

Субединиците (протомерите) в олигомерите могат да бъдат еднакви или различни по първична - третична структура (конформация). В случай на комбиниране на различни протомери в олигомерната структура на ензима, форми за множествено числосъщият ензим изоензими .

Изоензимите катализират същата реакция, но се различават в набора от субединици, физични и химични свойства, електрофоретична подвижност, афинитет към субстрати, активатори, инхибитори. Например, лактат дехидрогеназа (LDH) - ензимът, който окислява млечната киселина до пирогроздена киселина, е тетрамер. Състои се от четири протомера от два вида. Единият тип протомер е обозначен с Н (изолиран от сърдечния мускул), вторият протомер е обозначен с М (изолиран от скелетния мускул). Има 5 възможни комбинации от тези протомери в LDH: з 4 , з 3 М, з 2 М 2 , з 1 М 3 , М 4 .

Биологичната роля на изоензимите.

· Изоензимите осигуряват протичането на химичните реакции в съответствие с условията в различните органи. И така, изоензимът LDH 1 има висок афинитет към кислорода, така че е активен в тъканите с висока скорост. окислителни реакции(еритроцити, миокард). Изоензимът LDH 5 е активен в присъствието на висока концентрация на лактат, най-характерен за чернодробната тъкан

Изразената органна специфичност се използва за диагностициране на заболявания на различни органи.

Изоензимите променят своята активност с възрастта. И така, при плода с недостиг на кислород преобладава LDH 3 и с увеличаване на възрастта, увеличаване на доставката на кислород, делът на LDH 2 се увеличава.

ензимен активатор инхибитор енергия

Ако ензимът е сложен протеин, тогава той се състои от протеинова и непротеинова част. Белтъчната част е високомолекулната термолабилна част на ензима и се нарича апоензим . Има особена структура и определя специфичността на ензимите.

Небелтъчната част на ензима се нарича кофактор ( коензим ). Кофакторът най-често е метални йони, които могат да се свържат силно с апоензима (например Zn в ензима карбоанхидраза, Cu в ензима цитохромоксидаза). Коензимите най-често са органични вещества, които са по-слабо свързани с апоензима. Коензимите са нуклеотидите NAD, FAD. коензим - нискомолекулна, термостабилна част от ензима. Неговата роля е, че определя пространственото опаковане (конформация) на апоензима и определя неговата активност. Кофакторите могат да пренасят електрони, функционални групи, да участват в образуването на допълнителни връзки между ензима и субстрата.

Във функционално отношение е обичайно да се разграничават две важни места в ензимната молекула: активното място и алостеричното място.

Активен център - това е част от ензимната молекула, която взаимодейства със субстрата и участва в каталитичния процес. Активният център на ензима се образува от аминокиселинни радикали, които са отдалечени един от друг в първичната структура. Активният център има триизмерна опаковка, най-често съдържа

ОН групи серин

SH - цистеин

NH2 лизин

g-COOH глутаминова киселина

В активния център се разграничават две зони - зоната на свързване със субстрата и каталитичната зона.

Зона подвързванеобикновено има твърда структура, към която реакционният субстрат е допълнително прикрепен. Например, трипсинът разцепва протеини в места, богати на положително заредена аминокиселина лизин, тъй като неговата зона на свързване съдържа отрицателно заредени остатъци от аспарагинова киселина.

каталитичен зона - това е място на активния център, който директно действа върху субстрата и изпълнява каталитична функция. Тази зона е по-мобилна, възможно е да се промени относителното разположение на функционалните групи в нея.

В редица ензими (често олигомерни), освен активен център, има алостеричен парцел - област на ензимната молекула, отдалечена от активния център и взаимодействаща не със субстрата, а с допълнителни вещества (регулатори, ефектори). При алостеричните ензими едната субединица може да има активно място, докато другата има алостерично място. Алостеричните ензими променят своята активност по следния начин: ефекторът (активатор, инхибитор) действа върху алостеричната субединица и променя нейната структура. След това промяната в конформацията на алостеричната субединица, съгласно принципа на кооперативните промени, индиректно променя структурата на каталитичната субединица, което е придружено от промяна в активността на ензима.

Механизмът на действие на ензимите

Ензимите имат редица общи каталитични свойства:

не изместват каталитичното равновесие

не се изразходват по време на реакцията

катализират само термодинамично реални реакции. Такива реакции са тези, при които първоначалното енергоснабдяване на молекулите е по-голямо от крайното.

По време на реакцията се преодолява висока енергийна бариера. Разликата между енергията на този праг и първоначалната енергийно ниво- активираща енергия.

Скоростта на ензимните реакции се определя от енергията на активиране и редица други фактори.

Скоростната константа на химичната реакция се определя от уравнението:

Да се= П* З* д - ( Еа / RT )

K - константа на скоростта на реакцията

P - пространствен (стеричен) коефициент

Z е броят на взаимодействащите си молекули

E a - енергия на активиране

R - газова константа

T - универсална абсолютна температура

e е основата на естествените логаритми

В това уравнение Z, e, R, T - константи, а P и Ea са променливи. Освен това има пряка връзка между скоростта на реакцията и пространствения коефициент и обратна и степенна зависимост между скоростта и енергията на активиране (колкото по-ниска е Ea, толкова по-висока е скоростта на реакцията).

Механизмът на действие на ензимите се свежда до увеличаване на пространствения коефициент от ензими и намаляване на енергията на активиране.

Намаляване на енергията на активиране от ензими

Например, енергията на разделяне на H 2 O 2 без ензими и катализатори е 18 000 kcal на mol. Ако се използва платина и висока температура, тя пада до 12 000 kcal/mol. С помощта на ензим каталазаенергията на активиране е само 2000 kcal/mol.

Намаляването на Ea възниква в резултат на образуването на междинни ензим-субстратни комплекси по схемата: Е+ С <=> FS-комплекс > Е + продукти реакции. За първи път възможността за образуване на ензимно-субстратни комплекси е доказана от Михаелис и Ментен. Впоследствие са изолирани много ензим-субстратни комплекси. За да се обясни високата селективност на ензимите по време на взаимодействие със субстрата, беше предложено теория " ключ и замък" Фишър. Според него ензимът взаимодейства със субстрата само когато те абсолютно съответстват един на друг (комплементарност), като ключ и ключалка. Тази теория обяснява спецификата на ензимите, но не разкрива механизмите на тяхното действие върху субстрата. По-късно е разработена теорията за индуцираното съвпадение ензим-субстрат - теория Кошланд(теорията за "гумените ръкавици"). Същността му е следната: активният център на ензима се образува и съдържа всички функционални групи още преди взаимодействието със субстрата. Тези функционални групи обаче са в неактивно състояние. В момента на свързване на субстрата той предизвиква промени в позицията и структурата на радикалите в активния център на ензима. В резултат на това активният център на ензима става активен под действието на субстрата и от своя страна започва да действа върху субстрата, т.е. взаимодействие между активния център на ензима и субстрата. В резултат на това субстратът преминава в нестабилно, нестабилно състояние, което води до намаляване на енергията на активиране.

Взаимодействието на ензима и субстрата може да се състои в реакции на нуклеофилно заместване, електрофилно заместване и дехидратация на субстрата. Възможно е и краткотрайно ковалентно взаимодействие на функционалните групи на ензима със субстрата. По принцип има геометрична преориентация на функционалните групи на активния център.

Повишаване на пространствения коефициент чрез ензими

Стеричният коефициент се въвежда за реакции, в които участват големи молекули с пространствена структура. Стеричният коефициент показва дела на успешните сблъсъци на активни молекули. Например, той е равен на 0,4, ако 4 от 10 сблъсъци на активни молекули са довели до образуването на реакционен продукт.

Ензимите повишават пространствения коефициент, тъй като променят структурата на субстратната молекула в ензимно-субстратен комплекс, в резултат на което се увеличава комплементарността на ензима и субстрата. В допълнение, ензимите, поради своите активни центрове, подреждат подреждането на субстратните молекули в пространството (преди да взаимодействат с ензима, субстратните молекули се подреждат произволно) и улесняват реакцията.

Ензимна номенклатура

Ензимите имат няколко вида имена.

1) Тривиални имена (трипсин, пепсин)

2) Работна номенклатура. В това име на ензима има окончание - аза, което се добавя:

към името на субстрата (захароза, амилаза),

към вида на връзката, върху която действа ензимът (пептидаза, гликозидаза),

· към вида на реакцията, процеса (синтетаза, хидролаза).

3) Всеки ензим има класификационно наименование, което отразява вида на реакцията, вида на субстрата и коензима. Например: LDH - L лактат-NAD + - оксидоредуктаза.

Класификация на ензимите

Класификацията на ензимите е разработена през 1961 г. Според класификацията всеки ензим се намира в определен клас, подклас, подподклас и има пореден номер. В тази връзка всеки ензим има цифров шифър, в който първата цифра показва класа, втората - подкласа, третата - подкласа, четвъртата - серийния номер (LDG: 1,1,1,27). Всички ензими са класифицирани в 6 класа.

1. Оксидоредуктази

2. Трансферази

3. Хидролази

4. Лиази

5. Изомерази

6. Синтетази (лигази)

Оксидоредуктаза .

Ензими, които катализират редокс процесите. Обща формареакции: A ok + B vos \u003d A vost + B ok. Този клас ензими включва няколко подкласа:

1 . дехидрогенази,катализират реакциите чрез отстраняване на водорода от окисленото вещество. Те могат да бъдат аеробни (прехвърлят водород в кислород) и анаеробни (прехвърлят водород не в кислород, а в друго вещество).

2. Оксигенази - ензими, които катализират окислението чрез добавяне на кислород към окисленото вещество. Ако се присъедини един кислороден атом, участват монооксигенази, ако се добавят два кислородни атома, участват диоксигенази.

3. Пероксидази - ензими, които катализират окисляването на вещества с участието на пероксиди.

Трансферази .

Ензими, които извършват вътремолекулен и междумолекулен трансфер на функционални групи от едно вещество в друго по схемата: AB + C = A + BC. В зависимост от вида на прехвърлените групи се разграничават подкласове трансферази: аминотрансферази, метилтрансферази, сулфотрансферази, ацилтрансферази (пренасят остатъци от мастни киселини), фосфотрансферази (пренасят остатъци от фосфорна киселина).

Хидролази .

Ензимите от този клас катализират разкъсването на химична връзка с добавяне на вода на мястото на разкъсването, т.е. реакцията на хидролиза по схемата: AB + HOH = AH + BOH. Подкласове хидролази се разграничават в зависимост от вида на скъсаните връзки: пептидазите разцепват пептидни връзки (пепсин), гликозидази - гликозидни връзки (амилаза), естерази - естерни връзки (липаза).

Лиаза .

Лиазите катализират разкъсването на химична връзка без добавяне на вода на мястото на разкъсването. В този случай в субстратите се образуват двойни връзки по схемата: AB \u003d A + B. Подкласовете на лиазите зависят от това кои атоми се прекъсва връзката и кои вещества се образуват. Алдолазите разрушават връзката между два въглеродни атома (например фруктоза 1,6-дифосфат алдолазата "разрязва" фруктозата и две триози). Лиазите включват декарбоксилазни ензими (разцепват въглероден двуокис), дехидратаза - "изрязва" водните молекули.

Изомерази .

Изомеразите катализират взаимното превръщане на различни изомери. Например фосфохексоизозимеразата превръща фруктозата в глюкоза. Подкласовете на изомеразите включват мутази (фосфоглюкомутаза превръща глюкозо-1-фосфат в глюкозо-6-фосфат), епимерази (например превръща рибоза в ксилулоза), тавтомерази

Синтетази ( лигази ).

Ензимите от този клас катализират реакциите на синтез на нови вещества, дължащи се на енергията на АТФ по схемата: A + B + ATP \u003d AB. Например, глутамин синтетазата комбинира глутаминова киселина, NH 3 + с участието на АТФ, за да образува глутамин.

Ензимни свойства

Ензимите, в допълнение към свойствата, общи за неорганичните катализатори, имат някои разлики от неорганичните катализатори. Те включват:

по-висока активност

по-висока специфичност

по-меки условия за катализа

способност за регулиране на дейността

Високо каталитичен дейност ензими .

Ензимите се характеризират с висока каталитична активност. Например, една молекула карбоанхидраза за една минута катализира образуването (или разделянето) на 36 милиона молекули въглена киселина (H 2 CO 3). Високата активност на ензимите се обяснява с механизма на тяхното действие: те намаляват енергията на активиране и увеличават пространствената (стеричен коефициент). Високата активност на ензимите е от голямо биологично значение, състоящо се в това, че те осигуряват висока скоростхимични реакции в тялото.

Високо специфичност ензими .

Всички ензими имат специфичност, но степента на специфичност варира от ензим до ензим. Има няколко вида ензимна специфичност.

Абсолютна субстратна специфичност, при която ензимът действа само върху едно конкретно вещество. Например, ензимът уреаза разгражда само уреята.

Абсолютна групова специфичност, при която ензимът има еднакъв каталитичен ефект върху група съединения, които са сходни по структура. Например, ензимът алкохол дехидрогеназа окислява не само C 2 H 5 OH, но и неговите хомолози (метилов, бутилов и други алкохоли).

Относителна групова специфичност, при която ензимът катализира различни класове органична материя. Например, ензимът трипсин проявява пептидазна и естеразна активност.

Стереохимична специфичност (оптична специфичност), при която се разцепва само определена форма на изомери (D, L форми, b, c, цис - транс изомери). Например, LDH действа само върху L-лактат, L-аминокиселинните оксидази действат върху L-изомерите на аминокиселините.

Високата специфичност се дължи на уникалната структура на активния център за всеки ензим.

термолабилност ензими .

Термолабилност - зависимостта на ензимната активност от температурата. При повишаване на температурата от 0 до 40 градуса активността на ензимите се увеличава според правилото на van't Hoff (при повишаване на температурата с 10 градуса скоростта на реакцията се увеличава 2-4 пъти). С по-нататъшно повишаване на температурата активността на ензимите започва да намалява, което се обяснява с термичната денатурация на протеиновата молекула на ензима. Графично термозависимостта на ензимите има формата:

Инактивирането на ензима при 0 градуса е обратимо, а при високи температури инактивирането става необратимо. Това свойство на ензимите определя максималната скорост на реакцията при температура на човешкото тяло. Термолабилността на ензимите трябва да се вземе предвид в практическата медицинска дейност. Например, когато се провежда ензимна реакция в епруветка, е необходимо да се създаде оптимална температура. Това свойство на ензимите може да се използва в криохирургията, когато се извършва сложна дългосрочна операция с понижаване на телесната температура, което забавя скоростта на протичащите в тялото реакции и намалява консумацията на кислород от тъканите. Необходимо е ензимните препарати да се съхраняват при ниска температура. За неутрализация, дезинфекция на микроорганизми използвайте високи температури(автоклавиране, инструменти за варене).

Фотолабилност .

Фотолабилност - зависимостта на ензимната активност от действието на ултравиолетовите лъчи. UV радиацията предизвиква фотоденатурация на протеиновите молекули и намалява активността на ензимите. Това свойство на ензимите се използва при бактерицидния ефект на ултравиолетовите лампи.

Пристрастяване дейност от pH.

Всички ензими имат определен рН диапазон, в който активността на ензима е максимална – рН оптимума. За много ензими оптимумът е около 7. В същото време, за пепсин, оптималната среда е 1-2, за алкалната фосфатаза, около 9. Ако рН се отклонява от оптимума, активността на ензима намалява, както може се вижда от графиката. Това свойство на ензимите се обяснява с промяна в йонизацията на йоногенните групи в ензимните молекули, което води до промяна в йонните връзки в протеиновата молекула на ензима. Това е придружено от промяна в конформацията на ензимната молекула, а това от своя страна води до промяна в нейната активност. При условията на тялото рН - зависимостта определя максималната активност на ензимите. Този имот намира и практическа употреба. Ензимните реакции извън тялото се извършват при оптимално pH. При намалена киселинност на стомашния сок за терапевтични цели се предписва разтвор на HCl.

Пристрастяване скорост ензимен реакции от концентрация ензим и концентрация субстрат

Зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията на ензима и концентрацията на субстрата (кинетиката на ензимните реакции) е показана на графиките.

график 1 график 2

При ензимна реакция ( Е+ С 2 1 FS> 3 Е + П) разграничете скоростта на три компонента на етапите:

1 - образуване на ензимно-субстратния комплекс FS,

2 - обратно разпадане на комплекса ензим - субстрат,

3 - разграждане на ензим-субстратния комплекс с образуването на реакционни продукти. Скоростта на всяка от тези реакции се подчинява на закона за масовото действие:

V 1 \u003d K 1 [F] * [S]

V 2 \u003d K 2 *

V 3 \u003d K 3 *

В момента на равновесие скоростта на реакцията на образуване на FS е равна на сумата от нейните скорости на разпад: V 1 = V 2 + V 3 . от три етапаензимната реакция е най-важна и най-бавна е третата, тъй като е свързана с образуването на реакционни продукти. Съгласно горната формула е невъзможно да се намери скоростта V 3, тъй като комплексът ензим-субстрат е много нестабилен, измерването на неговата концентрация е трудно. В тази връзка Михаелис-Ментен въвежда Km - константата на Михаелис и трансформира уравнението за измерване на V 3 в ново уравнение, в което действително има измерими величини:

V 3 \u003d K 3 * * [S] / Km + [S] или V 3 \u003d V max * [S] / Km + [S]

- първоначалната концентрация на ензима

Km е константата на Михаелис.

Физическо значение на км: Да сем = (Да се 2 +К 3 ) /ДА СЕ 1 . Той показва съотношението на константите на скоростта на разпадане на ензим-субстратния комплекс и константата на скоростта на неговото образуване.

Уравнението на Михаелис-Ментен е универсално. Той илюстрира зависимостта на скоростта на реакцията от [S]

1. Зависимост на скоростта на реакцията от концентрацията на субстрата. Тази зависимост се проявява при ниски концентрации на субстрата [S]

V 3 = К 3* [ Е 0 ] * [ С] / км.

В това уравнение К 3 , Е 0 ], км - константи и може да се замени с нова константа K*. По този начин, при ниска концентрация на субстрат, скоростта на реакцията е право пропорционална на тази концентрация.

V 3 = К* * [ С].

Тази зависимост съответства на първия раздел на графика 2.

2. Зависимостта на скоростта от концентрацията на ензима се проявява при висока концентрация на субстрата.

S?Km.

В този случай Km може да се пренебрегне и уравнението става:

V 3 = К 3* (([ Е 0 ] * [ С]) / [ С]) = К 3* [ Е 0 ] = V макс.

Така при висока концентрация на субстрата скоростта на реакцията се определя от концентрацията на ензима и достига максималната си стойност

V 3 = К 3 [ Е 0 ] = V макс. (трети раздел на графика 2).

3. Позволява ви да определите числената стойност на Km при условие V 3 = V max /2. В този случай уравнението приема формата:

V max /2 = ((V max * [S]) / Km+ [S]), откъдето следва, че Km= [S]

По този начин Km е числено равно на концентрацията на субстрата при скорост на реакцията, равна на половината от максимума. Km е много важна характеристика на ензима, измерва се в молове (10 -2 - 10 -6 mol) и характеризира специфичността на ензима: колкото по-ниска е Km, толкова по-висока е специфичността на ензима.

Графичен определение константи Михаелис.

По-удобно е да използвате графика, представляваща права линия.

Такава графика е предложена от Lineweaver - Burke (графика на двойни реципрочни), която съответства на обратното уравнение на Михаелис - Ментен

Зависимост на скоростта на ензимните реакции от наличието на активатори и инхибитори

Активатори - вещества, които повишават скоростта на ензимните реакции. Има специфични активатори, които повишават активността на един ензим (HCl - пепсиногенен активатор) и неспецифични активатори, които повишават активността на редица ензими (Mg йони - активатори на хексокиназа, K, Na - АТФаза и други ензими). Като активатори могат да служат метални йони, метаболити, нуклеотиди.

Механизмът на действие на активаторите

1. Завършване на активния център на ензима, в резултат на което се улеснява взаимодействието на ензима със субстрата. Този механизъм се притежава главно от метални йони.

2. Алостеричният активатор взаимодейства с алостеричния участък (субединица) на ензима, чрез своите промени индиректно променя структурата на активния център и повишава активността на ензима. Метаболитите на ензимните реакции, АТФ, имат алостеричен ефект.

3. Алостеричният механизъм може да се комбинира с промяна в олигомерията на ензима. Под действието на активатора няколко субединици се комбинират в олигомерна форма, което драстично повишава активността на ензима. Например изоцитратът е активатор на ензима ацетил-КоА карбоксилаза.

4. Фосфолилиране - дефосфорилирането на ензимите се отнася до обратимата модификация на ензимите. Добавянето на H 3 RO 4 най-често рязко повишава активността на ензима. Например, два неактивни димера на ензима фосфорилаза се комбинират с четири ATP молекули, за да образуват активната тетрамерна фосфорилирана форма на ензима. Фосфорилирането на ензимите може да се комбинира с промяна в тяхната олигомерност. В някои случаи фосфорилирането на ензима, напротив, намалява неговата активност (например фосфорилирането на ензима гликоген синтетаза)

5. Частична протеолиза (необратима модификация). С този механизъм фрагмент от молекулата се отцепва от неактивната форма на ензима (проензим), блокирайки активния център на ензима. Например неактивният пепсиноген се превръща в активен пепсин от HCL.

инхибитори - вещества, които намаляват ензимната активност.

от специфичностразграничават специфични и неспецифични инхибитори

от обратимостефект прави разлика между обратими и необратими инхибитори.

от място действияима инхибитори, които действат върху активния център и извън активния център.

от механизъм действияправи разлика между конкурентни и неконкурентни инхибитори.

Конкурентни инхибиране .

Инхибиторите от този тип имат структура, близка до тази на субстрата. Поради това инхибиторите и субстратът се конкурират за свързване на активното място на ензима. Конкурентното инхибиране е обратимо инхибиране Ефектът на конкурентния инхибитор може да бъде намален чрез увеличаване на концентрацията на реакционния субстрат

Пример за конкурентно инхибиране е инхибирането на активността на сукцинат дехидрогеназата, която катализира окисляването на дикарбоксилна янтарна киселина, от дикарбоксилна малонова киселина, подобна по структура на янтарната киселина.

Принципът на конкурентното инхибиране се използва широко при разработването на лекарства. Например сулфаниламидните препарати имат структура, близка до структурата на пара-аминобензоената киселина, която е необходима за растежа на микроорганизмите. Сулфонамидите блокират ензимите на микроорганизмите, необходими за усвояването на пара-аминобензоената киселина. Някои противоракови лекарства са аналози на азотни основи и по този начин инхибират синтеза на нуклеинови киселини (флуороурацил).

Графично конкурентното инхибиране има формата:

Несъстезателен инхибиране .

Неконкурентните инхибитори не са структурно подобни на реакционните субстрати и следователно не могат да бъдат изместени при високи субстратни концентрации. Има няколко варианта за действие на неконкурентни инхибитори:

1. Блокиране на функционалната група на активния център на ензима и в резултат на това намаляване на активността. Например, активността на SH - групите може да свързва тиолови отрови обратимо (соли на метали, живак, олово) и необратимо (мониойодоацетат). Инхибиращият ефект на тиоловите инхибитори може да бъде намален чрез въвеждане на допълнителни вещества, богати на SH групи (например унитиол). Има и се използват серинови инхибитори, които блокират ОН - групите на активния център на ензимите. Този ефект имат органичните вещества, съдържащи фосфофлуор. Тези вещества могат по-специално да инхибират ОН групите в ензима ацетилхолинестераза, който разрушава невротрансмитера ацетилхолин.

2. Блокиране на метални йони, които са част от активния център на ензимите. Например цианидите блокират железни атоми, EDTA (етилендиаминтетраацетат) блокира Ca, Mg йони.

3. Алостеричният инхибитор взаимодейства с алостеричния сайт, индиректно чрез него съгласно принципа на кооперативността, променяйки структурата и активността на каталитичния сайт. Графично, неконкурентното инхибиране има формата:

Максималната скорост на реакция при неконкурентно инхибиране не може да бъде постигната чрез увеличаване на концентрацията на субстрата.

Регулиране на ензимната активност по време на метаболизма

Адаптирането на тялото към променящите се условия (диета, въздействие върху околната среда и др.) е възможно поради промяна в активността на ензимите. Има няколко възможности за регулиране на скоростта на ензимните реакции в тялото:

1. Промяна в скоростта на ензимен синтез (този механизъм изисква дълъг период от време).

2. Повишаване на достъпността на субстрата и ензима чрез промяна на пропускливостта на клетъчните мембрани.

3. Промяна в активността на ензимите, които вече присъстват в клетките и тъканите. Този механизъм се осъществява при висока скорост и е обратим.

В многоетапните ензимни процеси се изолират регулаторни, ключови ензими, които ограничават общата скорост на процеса. Най-често това са ензими от началния и крайния етап на процеса. Промените в активността на ключовите ензими възникват чрез различни механизми.

1. Алостеричен механизъм:

2. Промяна в ензимния олигомеризъм:

Мономерите са неактивни - олигомерите са активни

3. Фосфолилиране - дефосфорилиране:

Ензим (неактивен) + H 3 RO 4 - фосфорилиран активен ензим.

Авторегулаторният механизъм е широко разпространен в клетките. Механизмът на авторегулация е по-специално ретроинхибирането, при което продуктите на ензимния процес инхибират ензимите от началните етапи. Например, високите концентрации на пуринови и пиримидинови нуклеотиди инхибират първоначалните на етапа на техния синтез.

Понякога първоначалните субстрати активират крайните ензими, в схемата: субстрат А активира F 3 . Например, активната форма на глюкозата (глюкоза-6-фосфат) активира крайния ензим в синтеза на гликоген от глюкоза (гликоген синтетаза).

Структурна организация на ензимите в клетката

Кохерентността на метаболитните процеси в организма е възможна поради структурната дисоциация на ензимите в клетките. Индивидуалните ензими се намират в определени вътреклетъчни структури - компартментализация . Например ензимът калий, натриева АТФаза, е активен в плазмената мембрана. В митохондриите са активни ензимите на окислителните реакции (сукцинат дехидрогеназа, цитохромоксидаза). В ядрото действат ензими за синтеза на нуклеинови киселини (ДНК полимераза). В лизозомите са активни ензимите за разграждане на различни вещества (РНКаза, фосфатаза и др.).

Ензимите, които са най-активни в дадена клетъчна структура, се наричат индикатор или маркерни ензими. Тяхната дефиниция в клиничната практика отразява дълбочината на структурно тъканно увреждане. Някои ензими се комбинират в полиензимни комплекси, например комплексът пируват дехидрогеназа (PDC), който окислява пирогроздена киселина.

Принципиоткриванеиколичественопределенияензими:

Откриването на ензими се основава на тяхната висока специфичност. Ензимите се откриват по действието, което произвеждат, т.е. при протичане на реакцията, катализирана от ензима. Например амилазата се открива чрез разграждането на нишестето до глюкоза.

Критериите за възникване на ензимна реакция могат да бъдат:

изчезване на реакционния субстрат

появата на реакционни продукти

промяна в оптичните свойства на коензима.

Количествено определяне на ензими

Тъй като концентрацията на ензимите в клетките е много ниска, не се определя истинската им концентрация, а количеството на ензима се съди косвено, по активността на ензима.

Ензимната активност се оценява чрез скоростта на ензимната реакция, протичаща при оптимални условия (оптимална температура, рН, прекалено висока концентрация на субстрата). При тези условия скоростта на реакцията е право пропорционална на концентрацията на ензима (V= K 3 ).

Единици дейност ( количества ) ензим

В клиничната практика се използват няколко единици за ензимна активност.

1. Международна единица - количеството ензим, което катализира превръщането на 1 микромол субстрат на минута при температура 25 0 С.

2. Катал (в системата SI) - количеството ензим, което катализира трансформацията на 1 мол от субстрата за секунда.

3. Специфична активност - съотношението на ензимната активност към масата на ензимния протеин.

4. Молекулната активност на ензима показва колко молекули субстрат се превръщат под действието на 1 ензимна молекула.

Клинична ферментология

Използването на информация за ензимите в медицинската практика е клон на медицинската ензимология. Включва 3 раздела:

1. Ензимодиагностика

2. Ензимопатология

3. Ензимотерапия

Ензимодиагностика - раздел, който изучава възможностите за изследване на активността на ензимите за диагностициране на заболявания. За оценка на увреждането на отделните тъкани се използват органоспецифични ензими, изоензими.

В педиатричната практика при провеждане на ензимна диагностика е необходимо да се вземат предвид характеристиките на децата. При децата активността на някои ензими е по-висока, отколкото при възрастни.Например, високата LDH активност отразява преобладаването на анаеробните процеси в ранния постнатален период. Съдържанието на трансаминази в кръвната плазма на децата се повишава в резултат на повишена пропускливост на съдовата тъкан. Активността на глюкозо-6-фосфат дехидрогеназата се повишава в резултат на повишен разпад на еритроцитите. Активността на други ензими, напротив, е по-ниска, отколкото при възрастни. Например, активността на пепсина, панкреатичните ензими (липаза, амилаза) е намалена поради незрялостта на секреторните клетки.

С възрастта е възможно преразпределение на отделните изоензими. Така при децата преобладава LDH 3 (по-анаеробна форма), а при възрастни LDH 2 (по-аеробна форма).

Ензимопатология - клон на ферментологията, който изучава заболявания, чийто водещ механизъм на развитие е нарушение на активността на ензимите. Те включват метаболитни нарушения на въглехидрати (галактоземия, гликогеноза, мукополизахаридози), аминокиселини (фенилкетонурия, цистинурия), нуклеотиди (оротатацидурия), порфирини (порфирии).

ензимна терапия - клон на ферментологията, който изучава използването на ензими, коензими, активатори, инхибитори за терапевтични цели. Ензимите могат да се използват със заместваща цел (пепсин, панкреатични ензими), с литична цел за отстраняване на некротични маси, кръвни съсиреци, за разреждане на вискозни ексудати.

Литература

1. Авдеева, Л.В. Биохимия: Учебник / L.V. Авдеева, Т.Л. Алейникова, Л.Е. Андрианова; Под редакцията на E.S. Северин. - М .: GEOTAR-MED, 2013. - 768 с.

2. Ауерман, Т.Л. Основи на биохимията: Учебник / T.L. Ауерман, Т.Г. Генералова, Г.М. Суслянок. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 400 с.

3. Базарнова Ю.Г. Биохимични основи на преработка и съхранение на суровини от животински произход: Учебник / Ю.Г. Базарнова, Т.Е. Бурова, В.И. Марченко. - Санкт Петербург: Пр. Наука, 2011. - 192 с.

4. Баишев, И.М. Биохимия. Тестови въпроси: Учебник / Д.М. Зубайров, И.М. Баишев, Р.Ф. Байкеев; Под редакцията на D.M. Зубайров. - М .: GEOTAR-Media, 2008. - 960 с.

5. Бокут, С.Б. Биохимия на филогенезата и онтогенезата: Учебник / A.A. Чиркин, Е.О. Данченко, С.Б. Бокут; Под общо ред.А. А. Чиркин. - М.: НИЦ ИНФРА-М, ноем. знание, 2012. - 288 с.

6. Гидранович, В.И. Биохимия: Учебник / V.I. Гидранович, А.В. Гидранович. - Минск: TetraSystems, 2012. - 528 с.

7. Голощапов, А.П. Генетични и биохимични аспекти на адаптацията на човека към условията на град с развита химическа промишленост / A.P. Голощапов. - М.: КМК, 2012. - 103 с.

8. Гункова, П.И. Биохимия на млякото и млечните продукти / К.К. Горбатов, П.И. Гунков; Под общо ред.К. К. Горбатов. - Санкт Петербург: GIORD, 2010. - 336 с.

9. Димитриев, А.Д. Биохимия: Учебник / A.D. Димитриев, Е.Д. Амвросиев. - М.: Дашков и К, 2013. - 168 с.

10. Ершов, Ю.А. Обща биохимия и спорт: Учебник / Ю.А. Ершов. - М.: МГУ, 2010. - 368 с.

11. Ершов, Ю.А. Основи на биохимията за инженери: Учебник / Ю.А. Ершов, Н.И. Зайцев; Под редакцията на S.I. Шукин. - М.: MSTU im. Бауман, 2010. - 359 с.

12. Камишников, В.С. Наръчник по клинична и биохимична лабораторна диагностика: В 2 тома. В 2 тома Наръчник по клинична и биохимична лабораторна диагностика: В 2 тома / V.S. Камишников. - Минск: Беларус, 2012. - 958 с.

13. Клопов, М.И. Биологично активни вещества във физиологични и биохимични процеси в животинския организъм: Учебник / M.I. Клопов, В.И. Максимов. - Санкт Петербург: Lan, 2012. - 448 с.

14. Михайлов, С.С. Спортна биохимия: Учебник за университети и колежи по физическа култура / S.S. Михайлов. - М.: Сов. спорт, 2012. - 348 с.

15. Репников, B.T. Стокознание и биохимия на рибни продукти: Учебник / B.T. Репников. - М.: Дашков и К, 2013. - 220 с.

16. Рогожин, В.В. Биохимия на млякото и месото: Учебник / V.V. Рогожин. - Санкт Петербург: GIORD, 2012. - 456 с.

17. Рогожин, В.В. Биохимия на растенията: Учебник / V.V. Рогожин. - Санкт Петербург: GIORD, 2012. - 432 с.

18. Рогожин, В.В. Семинар по физиология и биохимия на растенията: Учебник / V.V. Рогожин, Т.В. Рогожин. - Санкт Петербург: GIORD, 2013. - 352 с.

19. Таганович, А.Д. Патологична биохимия: Монография / A.D. Таганович. - М.: БИНОМ, 2013. - 448 с.

20. Филипович, Ю.Б. Биохимични основи на човешкия живот: Учебник за студенти / Ю.Б. Филипович, А.С. Коничев, Г.А. Севастянова, Н.М. Кутузов. - М.: ВЛАДОС, 2005. - 407 с.

21. Щербаков, В.Г. Биохимия и стокознание на нефтените суровини / V.G. Щербаков, В.Г. Лобанов. - М.: КолосС, 2012. - 392 с.

Хоствано на Allbest.ru

...

Подобни документи

Класификация, механизъм на действие на ензимите, тяхното приложение в практическата човешка дейност. Функционирането на ензимите на устната кухина, стомаха, тънките черва. Определяне на основните причини за нарушаване на храносмилателните органи при юноши.

курсова работа, добавена на 05.10.2014 г


Методи за определяне на активността, изследване на кинетичните параметри на ензимните реакции. Методи за изолиране и пречистване на ензими. Изследване на субклетъчна локализация. Използването на ензими като аналитични реагенти. Определяне на активността на трипсин.

урок, добавен на 19.07.2009 г


История на изследването, функции и класификация на ензимите: тяхното медицинско значение и употреба в катализирани реакции. Връзка между ензимите и наследствените метаболитни заболявания. Разработване на методи за лечение, тяхното значение в профилактиката на заболяванията.

презентация, добавена на 16.04.2012 г


Историята на откриването на витамините; техните свойства. Химическа структура, механизъм на биологично действие и теоретична дневна доза на водоразтворимите витамини. Основни характеристики на групата мастноразтворими витамини. Хроматографски методи на изследване.

резюме, добавено на 07/05/2014


Класификация и видове ретровируси като носители и активатори на онкогени: високо онкогенни, ниско онкогенни, механизъм на действие. Структурата, елементите и цикълът на развитие на тези вируси. Човешки Т-лимфотропни вируси: епидемиология, описание, профилактика.

курсова работа, добавена на 27.06.2011 г


Концепцията и класификацията на ензимите (ензими). Техните общи и различни свойства от неорганичните катализатори, белтъчна природа. реакциите, които катализират. Видове изоензими и тяхната роля в метаболизма. Относителна активност на ензимите в човешките тъкани.

презентация, добавена на 11.11.2016 г


Концепции за индуцирането на ензими от подсемейството CYP 3A от ксенобиотици и други химични съединения. Характеристики на онтогенезата в този процес. Генетични аспекти, засягащи активността на ензимите от подсемейството CYP 3A. Семейства ядрени рецептори.

научна работа, добавена на 05/12/2009


Изследване на лекарства под общото наименование "антибиотици". Антибактериални химиотерапевтични средства. Историята на откриването на антибиотиците, техния механизъм на действие и класификация. Характеристики на употребата на антибиотици и техните странични ефекти.

курсова работа, добавена на 16.10.2014 г


Пеницилиновата група е разработка, базирана на отпадните продукти на микроорганизмите. Класификация на пеницилините на естествени и синтетични. Механизъм на действие: бактерициден ефект и ролята на ензимите. Характеристики на спектъра на активност, фармакокинетика.

резюме, добавено на 24.01.2012 г


Молекулярни и биохимични основи на терапевтичното действие на пептидните препарати. Механизъм на действие на невропротекторите. Молекулярен механизъм на действие на актовегин, нимодипин. Ензимни и неензимни антиоксиданти. Общи принципи на действие на ноотропите.

Механизмът на действие на простите и сложните ензими е еднакъв, тъй като активните центрове в техните молекули изпълняват сходни функции.

Действието на ензимите се основава на способността им да ускоряват реакциите чрез намаляване на енергията на активиране на субстрата. Ензимите деформират електронните обвивки на субстратите, като по този начин улесняват взаимодействието между тях. Енергията, необходима за привеждане на молекулите в активно състояние, се нарича енергия на активиране. Ролята на конвенционалния катализатор (и още повече на биологичния) е, че намалява енергията на активиране на субстрата.

Основите на механизма на действие на ензимите са проучени в началото на 20 век. През 1902 г. английският химик А. Браун предполага, че ензимът, действащ върху субстрат, трябва да образува с него междинен ензим - субстратен комплекс. По същото време и независимо от А. Браун, същото предположение прави френският учен В. Анри. През 1913 г. L. Michelis и M. Menten потвърждават и развиват идеи за механизма на действие на ензимите, които могат да бъдат представени като диаграма:

E + S  ""  [E-P]  E + P,

където E е ензимът, S е субстратът, P е продуктът.

На първия етап от ензимната катализа възниква образуването на ензимно-субстратен комплекс, където ензимът и субстратът могат да бъдат свързани чрез йонна, ковалентна или друга връзка. Образуването на E-S комплекса става почти мигновено.

На втория етап субстратът под въздействието на свързания с него ензим се модифицира и става по-достъпен за съответната химическа реакция. Този етап определя скоростта на целия процес. На тези етапи на ензимната катализа настъпват повтарящи се промени в третичната структура на ензимния протеин, което води до последователно приближаване към субстрата и ориентация в пространството на тези активни групи, които взаимодействат помежду си на различни етапи на трансформация на субстрата.

На третия етап възниква химическа реакция, в резултат на която се образува комплекс от реакционния продукт с ензима.

Крайният процес е освобождаването на реакционния продукт от комплекса.

В организма трансформацията на веществата до крайни продукти протича на няколко етапа, всеки от които се катализира от отделен ензим. Сумата от енергиите на активиране на междинните реакции е под енергията на активиране, необходима за едновременното разцепване на субстрата.

4.3. Ензимни свойства

Ензимите имат всички свойства на протеините. Въпреки това, в сравнение с протеините, които изпълняват други функции в клетката, ензимите имат редица специфични свойства, които са уникални за тях.

Зависимост на ензимната активност от температурата. Температурата може да повлияе на ензимната активност по различни начини. При високи температури може да настъпи денатурация на протеиновата част на ензима, което се отразява негативно на неговата активност. При определени (оптимални) стойности температурата може да повлияе на скоростта на образуване на ензимно-субстратния комплекс, което води до увеличаване на скоростта на реакцията. Температурата, при която каталитичната активност на ензима е максимална, се нарича температурен оптимум на ензима. Различните клетъчни ензими имат свои температурни оптимуми, които се определят експериментално. За ензими от животински произход температурният оптимум е в границите 40-50°C.

Зависимост на ензимната активност от pH на средата. Повечето ензими показват максимална активност при стойности на pH, близки до неутрални. Само няколко ензима работят в силно кисела или силно алкална среда. Например, активността на пепсин, ензим, който хидролизира протеините в стомаха, е максимална при pH 1,5-2,5. В алкална среда ензимите, локализирани в червата, „работят“. Промяната в оптималната стойност на pH за даден ензим може да доведе до промяна в третичната структура на ензима, което ще повлияе на неговата активност. От друга страна, промяната на pH може да промени йонизацията на субстрата, което ще повлияе на образуването на комплекса ензим-субстрат.

Спецификата на действието на ензимите --едно от основните им свойства. Специфичност - е селективността на ензима по отношение на субстрата (или субстратите). Специфичността на действието на ензимите се обяснява с факта, че субстратът трябва да се приближи към активния център като „ключ към ключалката“. Това образно сравнение е направено от Е. Фишер през 1894 г. Той разглежда ензима като твърда структура, чийто активен център е "отливка" от субстрата. Въпреки това, тази хипотеза е трудна за обяснение на груповата специфичност на ензимите, тъй като конфигурацията на "ключовете" (субстратите), подходящи за една "ключалка", е твърде разнообразна. Това несъответствие е обяснено през 50-те години. 20-ти век в хипотезата на Д. Кошланд. Нарича се хипотеза за „принудително напасване“.

Според хипотезата на Д. Кошланд, ензимната молекула не е твърда, а гъвкава, еластична, така че информацията на ензима и неговия активен център може да се промени, когато се прикрепят субстрат или други лиганди. В момента на закрепване субстратът "принуждава" активното място на ензима да приеме подходящата форма. Може да се сравни с "ръкавица" и "ръка".

Хипотезата за „насилствената кореспонденция“ е получила експериментално потвърждение. Тази хипотеза също така дава възможност да се обясни причината за трансформацията на близки аналози на субстрати.

Има няколко вида специфичност.

Стереохимична субстратна специфичност – ензим

катализира превръщането само на един стереоизомер на субстрата. Например, фумарат хидратазата катализира добавянето на водна молекула към множествената връзка на фумаровата киселина, но не и към нейния стереоизомер, малеиновата киселина.

Абсолютна субстратна специфичност – ензимът катализира превръщането само на един субстрат. Например уреазата катализира хидролизата само на урея.

Групова субстратна специфичност - ензимът катализира трансформацията на група субстрати със сходна химична структура. Например алкохол дехидрогеназата катализира превръщането на етанол и други алифатни алкохоли, но с различна скорост.

Влияние върху активността на ензимите на активаторите и инхибиторите. Сред факторите, които повишават активността на ензимите, са металните катиони и някои аниони. Най-често ензимните активатори са Mg 2+, Mn 2+, Zn 2+, K + и Co 2+ катиони, а Cl - от аниони. Катионите действат върху ензимите по различни начини. В някои случаи те улесняват образуването на ензим-субстратен комплекс, в други допринасят за прикрепването на коензима към апоензима или се прикрепят към алостеричния център на ензима и променят неговата третична структура в резултат на при което субстратът и каталитичните центрове придобиват най-благоприятната конфигурация за катализа.

Инхибиторите потискат действието на ензимите. Инхибиторите могат да бъдат както ендогенни, така и екзогенни вещества. Механизмите на инхибиторното действие на различни химични съединения са разнообразни.

Номенклатура и класификация на ензимите

Номенклатура на ензимите В първите етапи от развитието на ензимологията имената на ензимите се дават от техните откриватели според произволни знаци (тривиална номенклатура). Например имената на ензимите са тривиални: пепсин, трипсин, химотрипсин. Първият опит за въвеждане на правило за наименованията на ензимите е направен от Е. Дюкло през 1898 г. (рационална номенклатура). Според рационалната номенклатура прост ензим е кръстен на името на субстрата, с добавянето на края -аза(ДНаза, РНКаза, амилаза, уреаза). За наименованието на холоензима според рационалната номенклатура е използвано наименованието на коензима (пиридоксалов ензим, хеминензим). По-късно името на ензима започва да използва името на субстрата и вида на катализираната реакция (алкохолна дехидрогеназа).

През 1961 г. V Международен биохимичен конгрес, проведен в Москва, одобри научната номенклатура на ензимите. Според тази номенклатура името на ензима се състои от химичното наименование на субстрата(ите), върху който ензимът действа, вида на катализираната реакция и края -аза.Например, ензим, който хидролизира уреята (рационалното наименование е уреаза) се нарича урея амидохидролаза според научната номенклатура.

Ако донор на която и да е група атоми и акцептор участват в химическа реакция, тогава ензимът се нарича, както следва: химическото име на донора, химическото име на акцептора, вида на катализираната реакция. Например, ензимът, който катализира процеса на трансаминиране на глутаминова и хистерооцетна киселина, се нарича глутамат: пируват аминотрансфераза.

Все пак трябва да се отбележи, че наред с наименованията според научната номенклатура е разрешено използването на тривиални имена на ензими.

Класификация на ензимите.Понастоящем са известни повече от 2000 ензима. Всички ензими са разделени на шест класа, всеки от които има строго определен брой.

1.Оксидоредуктазакатализират редокс процесите.

2. Трансферазикатализират прехвърлянето на функционални групи и молекулни остатъци от една молекула към друга.

3. Хидролази катализират реакциите на хидролиза.

4. Лиази катализират реакции на елиминиране (с изключение на водородни атоми) с образуване на двойна връзка или добавяне при двойна връзка, както и нехидролитично разлагане на органични съединения или синтез без участието на макроергични вещества.

5.Изомеразикатализират процесите на промяна на геометричната или пространствената конфигурация на молекулите.

6. Лигазикатализират реакции на синтез, придружени от хидролиза на богата енергия на връзката (обикновено АТФ).

Класовете ензими се разделят на подкласове, а подкласовете от своя страна на подподкласове. Подклас изяснява действието на ензима, тъй като посочва в общи линии естеството на химичната група на субстрата. Подподклас уточнява още повече действието на ензима, уточнявайки естеството на атакуваната връзка на субстрата или естеството на акцептора, който участва в реакцията.

Класификационната система предоставя за всеки ензим специален шифър, състоящ се от четири кодови числа, разделени с точки. Първата цифра в шифъра показва номера на класа, втората - номера на подкласа, третата - под-подкласа и четвъртата - поредния номер в този под-подклас. И така, лактат дехидрогеназата има CF код 1.1.1.27, т.е. принадлежи към първия клас, първия подклас, първия подклас и заема 27-мо място в списъка на ензимите от споменатия подподклас.

Нека дадем конкретни примери за биохимични процеси, катализирани от ензими, принадлежащи към определен клас и подклас.

1. Оксидоредуктази , Общата схема на процесите, катализирани от оксидоредуктази, може да се изрази, както следва:

Най-често ще срещнем оксидоредуктази от подкласа на оксидазите и дехидрогеназите, така че ще ги разгледаме по-подробно.

оксидази - Това са оксидоредуктази, които пренасят водородни атоми или електрони директно към кислородни атоми или въвеждат кислороден атом в молекулата на субстрата.

Дехидрогенази - Това са оксидоредуктази, които катализират процеса на отделяне на водородни атоми.

Всички дехидрогенази са холоензими, чиито коензими са следните съединения: никотинамид аденин динуклеотид (NAD), никотинамид аденин динуклеотид (NADP), флавин мононуклеотид (FMN), флавин аденин динуклеотид (FAD), хинони.

Най-често срещаните в природата са дехидрогеназите, съдържащи NAD като коензим.

Коензимите FMN и FAD съдържат фосфорилиран витамин B2 (рибофлавин фосфат), който е в състояние да отстрани два водородни атома от субстрата.

2. Трансферази. Това е един от най-многобройните класове ензими. В зависимост от характера на прехвърлените групи се разграничават фосфотрансферази, аминотрансферази, гликозилтрансферази, ацилтрансферази и др.

Фосфотрансферази - това са ензими, които катализират преноса на остатък от фосфорна киселина. В резултат на действието на фосфотрансферазите се образуват фосфорни естери на различни органични съединения, много от които имат повишена реактивност и по-лесно влизат в последващи реакции. Следователно фосфорилирането на органични съединения може да се счита за процес на тяхното активиране. Най-честият донор на фосфатни групи е молекулата на аденозинтрифосфата (АТФ). Фосфотрансферазите, които използват ATP молекула като донор на фосфатна група, се наричат ​​кинази. . Киназите включват, например, глицерол киназа, която ускорява трансфера на остатък от фосфорна киселина от ATP молекула към глицеролова молекула.

Аминотрансферазите ускоряват трансфера на аминогрупата. Аминотрансферазите са двукомпонентни ензими, чийто коензим е пиридоксал фосфат (фосфорилиран витамин В6).

Гликозилтрансферазите ускоряват реакциите на прехвърляне на гликозилни остатъци, осигурявайки главно реакциите на синтез и разлагане на олиго- и полизахариди. Ако гликозилов остатък се прехвърли към молекула на фосфорна киселина, тогава процесът се нарича фосфоролиза,и ензимите, участващи в този процес, се наричат ​​фосфорилази.

Донорът на гликозилови остатъци при синтеза на олиго- и полизахариди е нуклеозид дифосфатна захар (NDP-захар), един от представителите на която е уридин дифосфат глюкоза (UDP-глюкоза).

Ацилтрансферазите катализират прехвърлянето на апили (радикали на карбоксилни киселини) към алкохоли, амини, аминокиселини и други съединения. Източникът на ацили е ацил-КоА, който може да се разглежда като кофактор в реакциите на пренос на ацилни групи. Пример за реакция на трансацилиране е реакцията на синтез на фосфатидна киселина, в която участват фосфоглицерол и две молекули ацил-КоА.

3. Хидролази. Тези ензими ускоряват реакциите на хидролиза на органични съединения; Водата е съществена част от тези процеси. В зависимост от характера на хидролизируемата връзка хидролазите се разделят на няколко подкласа: естерази, гликозидази, пептидни хидролази и др. Отличителна черта на всички хидролази е, че те са еднокомпонентни ензими.

естерази катализират реакциите на хидролиза на ко-етерните връзки.

Липазата ускорява хидролизата на външните естерни връзки в молекулата на триглицеридите. Особено широко разпространени са естеразите, които катализират хидролизата на естерите на фосфорната киселина и въглехидратите. Тези ензими се наричат ​​фосфатази. .

Гликозидази ускоряват реакциите на хидролиза на гликозидни връзки. Пример за гликозидаза е малтазата (-глюкозидаза).

От гликозидазите, които действат върху полизахаридите, най-разпространени са амилазите. .

Пептидни хидролази . Ензимите от този подклас катализират хидролизата на пептидните връзки в пептидните и протеиновите молекули. Пептидните хидролази не хидролизират всички пептидни връзки в протеиновите и пептидните молекули, а само определени. Амидази ускоряват хидролизата на амидите на дикарбоксилните аминокиселини - аспарагин и глутамин.

4. Лиази Ензимите от този клас катализират различни реакции на разлагане и синтез. В зависимост от това коя връзка се разцепва или, обратно, се образува, се изолират лиази въглерод-въглерод, въглерод-кислород, въглерод-азот. Нека дадем примери за процеси, катализирани от ензими от тези подкласове.

Въглерод-въглеродна лиаза . Ензимите, които ускоряват декарбоксилирането на кето- и аминокиселини, са широко представени в природата. Декарбоксилазите или карбоксилазите са двукомпонентни ензими, чийто коензим е фосфорният естер на витамин B 1, в случай на декарбоксилиране на кето киселини и витамин B 6, в случай на декарбоксилиране на аминокиселини.

Въглеродно-кислородни лиази (хидролизи). Ензимите от този подклас ускоряват реакциите на хидратация и дехидратация на органични съединения.

Тези реакции непрекъснато протичат по време на разграждането и синтеза на въглехидрати и мастни киселини, така че хидратазите играят важна роля в живота на организмите. Пример е фумарат хидратаза, която прикрепя водна молекула към множествена връзка на фумарова киселина.

въглероден азот лиази катализират реакции на директно дезаминиране на някои аминокиселини.

5. Изомерази.Изомеразите ускоряват превръщането на едни изомери на органични съединения в други.

6. Лигази (синтетази). Ензимите от този клас осигуряват синтеза на различни органични съединения. Характерна особеност на този клас ензими е използването на съединения, способни да доставят енергия за биосинтеза. Едно от тези съединения е аденозинтрифосфорната киселина - АТФ. Пример за действието на лигаза е синтезът на оксалооцетна киселина от пирогроздена киселина чрез нейното карбоксилиране.

Трябва да се обърне внимание на факта, че молекулата на АТФ не участва в образуването на реакционни продукти, а просто се разлага до ADP и

H3PO4; в този случай се освобождава енергията, необходима за осъществяване на биосинтеза.

Важна реакция е образуването на ацил-коензим А (ацил-КоА), който също се ускорява от ензим от този клас.

Въведение

1.Видове ензими

2. Структура на ензимите

Механизмът на действие на ензимите

Библиографски списък

Въведение

Ензимите са най-важният клас протеинови вещества, универсални по своята биологична функция. Ензимите са специфични и високоефективни катализатори за химични реакции, протичащи в живата клетка. Изучаването на ензимите, тяхната структура, свойства и механизъм на биологично действие е един от основните клонове на биохимията и биоорганичната химия. Към днешна дата са характеризирани няколко хиляди ензими, повече от хиляда от тях са получени в отделно състояние. За много стотици ензимни протеини аминокиселинната последователност е изяснена и най-известните от тях са дешифрирани с помощта на рентгенов дифракционен анализ до нивото на пълна пространствена структура. Изследването на всеки проблем в областта на познанието за механизмите на жизнената дейност е задължително свързано с изучаването на съответните ензимни системи. В допълнение, ензимите се използват широко като мощни инструменти за изясняване на структурата на биополимерите и в генното инженерство. Намират широко практическо приложение в медицината и хранително-вкусовата промишленост.

Ензимните процеси са познати на човека от древни времена. По-специално, ферментацията е била широко използвана от гърците за производство на вино (откриването на този метод се приписва на бог Бакхус). Народите на много страни отдавна са усвоили изкуството да правят хляб, сирене, оцет въз основа на обработката на растителни и животински суровини. Сегашният етап в развитието на ензимологията обаче датира от началото на миналия век. През 1814 г. членът на Петербургската академия на науките К. Кирхоф установи, че нишестето се превръща в захар под действието на някои вещества, които се намират в покълналите ечемични зърна. По-нататъшна стъпка напред в тази насока направиха френските химици А. Пайен и Ж. Пирсо, които през 1833 г. показаха, че термолабилният фактор, получен от малцов екстракт чрез утаяване с алкохол, има способността да хидролизира нишестето; наричаха го диастаза.

Скоро избухна спор за природата на ферментацията, в който участваха най-големите представители на естествените науки от онова време. По-специално, Л. Пастьор е на мнение, че ферментацията се причинява от живи микроорганизми и следователно е свързана изключително с тяхната жизнена дейност. От друга страна, Ю. Либих и К. Бернард защитават химическата природа на ферментацията, вярвайки, че тя е свързана със специални вещества като диастаза (амилаза). J. Berzelius през 1837 г. показва, че ензимите са катализатори, доставяни от живи клетки. Тогава се появяват термините "ензим" (от латински fermentatio - ферментация) и "ензим" (от гръцки - в мая). Спорът е окончателно разрешен едва през 1897 г., когато немските учени братя Ханс и Едуард Бюхнер показват, че безклетъчният сок от дрожди (получен чрез триене на дрожди с диатомит) е в състояние да ферментира захар с образуването на алкохол и CO 2. Стана ясно, че сокът от дрожди съдържа сложна смес от ензими (наречени зимаза) и тези ензими са в състояние да функционират. да бродят както вътре, така и извън клетките. Според един от историците появата на мехурчета въглероден диоксид в експеримента на Бюхнер означава раждането на съвременната биохимия и ензимология.

Опитите за изолиране на ензими в индивидуално състояние са направени от много изследователи, сред които трябва да се споменат А. Я. Данилевски, Р. Уилстетер и др.. Белтъчната природа на ензимите е недвусмислено доказана през 1926 г. от американския биохимик Дж. Съмнер, който изолира ензима уреаза от семена в канавки от кристална форма. През 1930 г. J. Northrop получава кристален пепсин, а след това трипсин и химотрипсин. От този период е станало общоприето, че всички ензими са протеини.

В края на XIXв. въз основа на напредъка в областта на изучаването на структурата на органичните съединения от биологичен произход стана възможно да се изследва спецификата на ензимите. По това време Е. Фишер изложи известната позиция за необходимостта от пространствено съответствие между ензима и субстрата; в неговия фигуративен израз "субстратът пасва на ензима като ключ към ключалка". В началото на 20-ти век се поставят основите за изучаване на кинетиката на ензимното действие.

Ензимите имат различно молекулно тегло - от 10 000 до 1 000 000 и повече. Те могат да бъдат изградени от една полипептидна верига, няколко полипептидни вериги или сложни (понякога полиензимни) комплекси. Ензимът включва и небелтъчни компоненти, наречени кофактори – метални йони, малки органични молекули като витамини и др.

Ензимите са високоефективни катализатори: те са в състояние да увеличат скоростта на реакцията милиони и милиарди пъти. Например уреаза (при pH 8,0, 20 0В) ускорява хидролизата на уреята с около 1014 веднъж.

Ензимите са много специфични катализатори. Те показват специфичност по отношение на вида на катализираната химическа реакция и не се образуват странични продукти. В допълнение, те имат изразена субстратна специфичност и, като правило, висока стереоспецифичност.

1. Видове ензими

Класификация на ензимите. Преди това, когато се именуват ензими, името на субстрата се взема като основа с добавянето на наставката "аза"; така се появяват по-специално протеиназите, липазите и карбохидразите. Според първоначалния принцип са определени ензими, които катализират окислителните реакции (дехидрогенази). Някои ензими са получили специални имена - трипсин, пепсин и др. Понастоящем е приета класификация, в която ензимите са групирани в 6 класа според вида на катализираните реакции:

Оксидоредуктази (редокс реакции).

Трансферази (реакции на трансфер на функционална група).

Хидролази (реакции на хидролиза).

Лиази (реакции на разцепване на групи чрез нехидролитични средства).

Изомерази (реакции на изомеризация).

Лигази (реакции на синтез, дължащи се на АТФ енергия).

В рамките на класовете ензимите са групирани в подкласове и подкласове според характеристиките на реакциите, които катализират; на тази основа са съставени кодовата номерация (шифри) на ензимите и техните систематични имена. Кодът на ензима се състои от четири числа, разделени с точки: първото число показва класа на ензима, второто и третото число показват съответно подкласа и подкласа, а четвъртото число е поредният номер на ензима в неговия подподклас. Например киселинната фосфатаза има код 3.1.3.2; това означава, че той принадлежи към класа на хидролазите (3.1.3.2), подкласа на тези ензими, които действат върху естерни връзки (3.1.3.2), подкласа на ензимите, които хидролизират моноестери на фосфорната киселина (3.1.3.2), и серийния номер на ензима в този подподклас - 2 (3.1.3.2).

Ензимите, които катализират една и съща реакция, но изолирани от различни видове живи организми, се различават един от друг. В номенклатурата те имат общо наименование и един кодов номер. В един и същи биологичен вид често се срещат различни форми на един или друг ензим. За да се назове група от ензими, които катализират една и съща реакция и се намират в организми от един и същи вид, се препоръчва терминът множество ензимни форми. За тези ензими от същата група, които имат генетично определени различия в първичната структура, се използва терминът "изоензими".

Оксидоредукт ?zy - отделен клас ензими, които катализират реакциите, лежащи в основата на биологичното окисление, придружени от прехвърляне на електрони от една молекула (редуциращ агент - протонен акцептор или донор на електрони) към друга (окислител - протонен донор или акцептор на електрони).

Реакциите, катализирани от оксидоредуктази, обикновено изглеждат така:

b? A+B ?

Където А е редуциращ агент (донор на електрони), а В е окислител (акцептор на електрони)

При биохимичните трансформации редокс реакциите понякога изглеждат по-сложни. Ето, например, една от реакциите на гликолизата:

н + глицералдехид-3-фосфат + NAD +? НАД H + H ++ 1,3-дифосфоглицерат

Тук NAD действа като окислител. +, а глицералдехид-3-фосфатът е редуциращият агент.

Систематичните наименования на ензимите от класа се формират по схемата "донор: акцептор + оксидоредуктаза". Въпреки това, други схеми за именуване също са широко използвани. Когато е възможно, ензимите се назовават под формата "донор + дехидрогеназа", напр. глицералдехид-3-фосфат дехидрогеназа, за втората реакция по-горе. Понякога името се изписва като "акцептор + редуктаза", например NAD +-редуктаза. В конкретния случай, когато окислителят е кислород, името може да бъде под формата "донор + оксидаза".

Според международната класификация и номенклатура на ензимите оксидоредуктазите принадлежат към клас 1, в рамките на който се разграничават двадесет и два подкласа:

EC 1.1 включва ензими, които взаимодействат с CH-OH групата на донорите;

EC 1.2 включва ензими, които взаимодействат с алдехидната или оксо групата на донорите;

EC 1.3 включва ензими, които взаимодействат с CH-CH групата донори;

EC 1.4 включва ензими, взаимодействащи с CH-NH 2група донори;

EC 1.5 включва ензими, които взаимодействат с CH-NH групата на донорите;

EC 1.6 включва ензими, които взаимодействат с NAD H или NADP H;

EC 1.7 включва ензими, които взаимодействат с други азотсъдържащи съединения като донори;

EC 1.8 включва ензими, които взаимодействат със съдържащата сяра група донори;

EC 1.9 включва ензими, които взаимодействат с хем групата на донорите;

EC 1.10 включва ензими, които взаимодействат с дифеноли и сродни съединения като донори;

EC 1.11 включва ензими, които взаимодействат с пероксида като акцептор (пероксидаза);

EC 1.12 включва ензими, които взаимодействат с водород като донор;

EC 1.13 включва ензими, взаимодействащи с единични донори с включване на молекулярен кислород (оксигенази);

EC 1.14 включва ензими, взаимодействащи със сдвоени донори с включване на молекулярен кислород;

EC 1.15 включва ензими, които взаимодействат със супероксидни радикали като акцептори;

EC 1.16 включва ензими, които окисляват метални йони;

EC 1.17 включва ензими, които взаимодействат с CH или CH2 групи;

EC 1.18 включва ензими, които взаимодействат с желязо-сярни протеини като донори;

EC 1.19 включва ензими, които взаимодействат с редуциран флаводоксин като донор;

EC 1.20 включва ензими, които взаимодействат с фосфор или арсен като донор;

EC 1.21 включва ензими, които взаимодействат с молекули тип X-H и Y-H, за да образуват X-Y връзка;

EC 1.97 включва други оксидоредуктази.

Трансфер ?zy - отделен клас ензими, които катализират прехвърлянето на функционални групи и молекулни остатъци от една молекула към друга. Широко разпространени в растителни и животински организми, те участват в трансформацията на въглехидрати, липиди, нуклеинови и аминокиселини.

Реакциите, катализирани от трансферази, обикновено изглеждат така:

X+B? A+B-X.

Молекула А тук действа като донор на група атоми (X), а молекула В е акцептор на група. Често един от коензимите действа като донор в такива реакции на прехвърляне. Много от реакциите, катализирани от трансферази, са обратими.

Систематичните наименования на класовите ензими се формират по схемата:

"донор: акцептор + група + трансфераза".

Или се използват малко по-общи имена, когато името на донора или групата акцептор е включено в името на ензима:

"донор + група + трансфераза" или "акцептор + група + трансфераза".

Например, аспартат аминотрансферазата катализира прехвърлянето на аминогрупа от молекула на аспарагинова киселина, катехол-О-метилтрансферазата пренася метиловата група на S-аденозилметионин към бензеновия пръстен на различни катехоламини, а хистон ацетилтрансферазата пренася ацетилна група от ацетил коензим А към хистон по време на активиране на транскрипция.

В допълнение, ензимите от 7-ма подгрупа трансферази, които пренасят остатък от фосфорна киселина, използвайки АТФ фосфатна група като донор, често се наричат ​​също кинази; аминотрансферазите (подгрупа 6) често се наричат ​​трансаминази.

Според международната класификация и номенклатура на ензимите трансферазите принадлежат към клас 2, в който се разграничават девет подкласа:

EC 2.1 включва ензими, които пренасят едновъглеродни групи;

EC 2.2 - ензими, които носят алдехидни и кетонни групи;

EC 2.3 - носещи ацилни остатъци (ацилтрансферази);

EC 2.4 - пренасящи захарни остатъци (гликозилтрансферази);

KF 2.5 - пренасящи алкилови и арилови групи с изключение на метиловия остатък;

KF 2.6 - носещи групи от атоми, съдържащи азот;

EC 2.7 - пренасяне на фосфорсъдържащи остатъци;

EC 2.8 - носещи групи, съдържащи сяра;

EC 2.9 - носещи групи, съдържащи селен.

Хидролазите са клас ензими, които катализират хидролизата на ковалентна връзка. Общата форма на реакцията, катализирана от хидролаза, е следната:

B+H2 О? A-OH + B-H

Систематичното наименование на хидролазите включва името на субстрата, който трябва да се разцепи, последвано от добавянето на хидролазата. Въпреки това, като правило, в тривиално име думата хидролаза се пропуска и остава само наставката "-aza".

EC 3.1 естерна връзка естераза: нуклеаза, фосфодиестераза, липаза, фосфатаза

CF 3.2 захарни гликозидази: амилаза, хиалуронидаза, лизозим и др.

CF 3.3 проста етерна връзка

EC 3.4 протеаза с пептидна връзка: трипсин, химотрипсин, еластаза, тромбин, ренин и др.

EC 3.5 непептидна връзка въглерод-азот

CF 3.6 киселинен анхидрид анхидрид хидролаза (хеликаза, GTPase)

CF 3.7 въглерод-въглеродна връзка (C-C)

CF 3.8 халогенна връзка

EC 3.9 азотно-фосфорна връзка (P-N)

CF 3.10 връзка азот-сяра (S-N)

EC 3.11 въглерод-фосфорна връзка (C-P)

EC 3.12 дисулфидна връзка (S-S)

CF 3.13 връзка сяра-въглерод (C-S)

Лия ?zy (синтази) - отделен клас ензими, които катализират реакциите на нехидролитично и неокислително разкъсване на различни химични връзки (C-C, CO, C-N, C-S и други) на субстрата, обратими реакции на образуване и разкъсване на двойни връзки, придружени от елиминирането или добавянето на групи от атоми на негово място, както и образуването на циклични структури.

Най-общо имената на ензимите се образуват по схемата „субстрат + лиаза“. Въпреки това, по-често името взема предвид подкласа на ензима. Лиазите се различават от другите ензими по това, че два субстрата участват в катализирани реакции в една посока и само един участва в обратна реакция. Името на ензима съдържа думите "декарбоксилаза" и "алдолаза" или "лиаза" (пируват декарбоксилаза, оксалат декарбоксилаза, оксалоацетат декарбоксилаза, треонин алдолаза, фенилсерин алдолаза, изоцитрат лиаза, аланин лиаза, АТФ цитрат лиаза и други) и за ензими, които катализират реакциите на отцепване на водата от субстрата - "дехидратаза" (карбонат дехидратаза, цитрат дехидратаза, серин дехидратаза и др.). В случаите, когато се установява само обратната реакция или тази посока в реакциите е по-значима, името на ензимите съдържа думата "синтаза" (малат синтаза, 2-изопропилмалат синтаза, цитрат синтаза, хидроксиметилглутарил-КоА синтаза и др. ) .

Примери: хистидин декарбоксилаза, фумарат хидратаза.

Според международната класификация и номенклатура на ензимите, лиазите принадлежат към клас 4, в рамките на който се разграничават седем подкласа:

EC 4.1 включва ензими, които разцепват въглерод-въглеродни връзки, например декарбоксилази (карбокси-лиази);

EC 4.2 - ензими, които разцепват връзките въглерод-кислород, например дехидратаза;

EC 4.3 - ензими, които разцепват въглеродно-азотните връзки (амидин лиази);

EC 4.4 - ензими, които разцепват връзките въглерод-сяра;

EC 4.5 - включва ензими, които разцепват въглерод-халогенни връзки, например DDT-дехидрохлориназа;

EC 4.6 - ензими, които разцепват фосфорно-кислородните връзки, например аденилатциклаза;

EC 4.99 - включва други лиази

Изомеразите са ензими, които катализират структурни трансформации на изомери (рацемизация или епимеризация). Изомеразите катализират реакции като следните:? B, където B е изомер на A.

Името на ензима съдържа думата "рацемаза" (аланин-рацемаза, метионин-рацемаза, хидроксипролин-рацемаза, лактат-рацемаза и др.), "епимераза" (алдозо-1-епимераза, рибулоза фосфат-4-епимераза, UDP -глюкуронат-4-епимераза и др.), "изомераза" (рибоза фосфат изомераза, ксилоза изомераза, глюкозамин фосфат изомераза, еноил-КоА изомераза и др.), "мутаза" (фосфоглицерат мутаза, метиласпартат мутаза, фосфоглюкомутаза и др.) .

Изомеразите имат своя собствена класификация, EC 5 и имат следните подкласове:

EC 5.1 включва ензими, които катализират рацемизация (рацемази) и епимеризация (епимерази)

EC 5.2 включва ензими, които катализират геометрична изомеризация (цис-транс изомераза)

EC 5.3 включва вътрешномолекулни оксидоредуктази

EC 5.4 включва трансферази (мутази)

EC 5.5 включва вътрешномолекулни лиази

EC 5.99 включва други изомерази, включително топоизомерази

Лигази (синтетази). Класът на лигазите включва ензими, които катализират синтеза на органични вещества от две първоначални молекули, използвайки енергията на разпадането на АТФ (или друг нуклеозид трифосфат). Тяхното систематично наименование е под формата "X: Y лигаза", където X и Y означават изходните вещества. Пример е L-глутамат: амонячна лигаза (препоръчително съкращение "глутамин синтетаза"), с участието на която глутаминът се синтезира от глутаминова киселина и амоняк в присъствието на АТФ.

Лигазите се класифицират според вида на връзката, която катализират: O-лигазаS-лигазаN-лигазаC-лигаза

Структура на ензимите

В природата има както прости, така и сложни ензими. Първите са изцяло представени от полипептидни вериги и при хидролиза се разлагат изключително на аминокиселини. Такива ензими (прости протеини) са хидролитични ензими, по-специално пепсин, трипсин, папаин, уреаза, лизозим, рибонуклеаза, фосфатаза и др. Повечето естествени ензими принадлежат към класа на сложните протеини, съдържащи, в допълнение към полипептидните вериги, някои непротеинови компонент (кофактор), чието присъствие е абсолютно необходимо за каталитичната активност. Кофакторите могат да имат различна химична природа и да се различават по силата на връзката с полипептидната верига. Ако константата на дисоциация на сложен ензим е толкова малка, че в разтвора всички полипептидни вериги са свързани с техните кофактори и не се разделят по време на изолиране и пречистване, тогава такъв ензим се нарича холоензим (холоензим), а кофакторът се нарича простетичен група, разглеждана като неразделна част от ензимната молекула. Полипептидната част на ензима се нарича апоензим.

В литературата все още се използват други имена за компонентите на комплексните ензими, по-специално „ензим-протеин“, „протеинов компонент“ (апоензим), „коензим“ (коензим) и „простетична група“. Коензимът често се разбира като допълнителна група, която лесно се отделя от апоензима по време на дисоциация. Предполага се, че простетичната група може да бъде свързана с протеина чрез ковалентни и нековалентни връзки. По този начин, в молекулата на ацетилкоензим-А-карбоксилазата, биотин кофакторът е ковалентно свързан с апоензима чрез амидна връзка. От друга страна, химичните връзки между кофакторите и пептидните вериги могат да бъдат относително слаби (напр. водородни връзки, електростатични взаимодействия и др.). В такива случаи по време на изолирането на ензимите се наблюдава пълна дисоциация на двете части и изолираният протеинов компонент е лишен от ензимна активност, докато липсващият кофактор се добави отвън. Именно за такива изолирани нискомолекулни органични вещества е приложим терминът „коензим“, типични представители на който са витамините В1, В2, В6, РР, съдържащи коензими. Известно е също, че както простетичните групи, така и коензимите участват активно в химични реакции, действайки като междинни носители на електрони, водородни атоми или различни функционални групи (например амин, ацетил, карбоксил). В такива случаи коензимът се разглежда като втори субстрат или косубстрат.

Ролята на коензима (Co) като носител на, например, водородни атоми може да бъде представена като схема, където SH е субстрат, KoE е холоензим, A е акцептор на протони:

Субстратът претърпява окисление, отдавайки електрони и протони, а CoE претърпява редукция, приемайки електрони и протони. В следващата полуреакция редуцираният CoEN може да отдаде електрони и протони на някой друг междинен носител на електрони и протони или на крайния акцептор.

Коензим, кофактор, простетична група - двусмислен биохимичен жаргон. Терминологичният спор все още продължава, тъй като дефинициите на "коензим", "кофактор" и "простетична група" често се разглеждат през призмата на тяхната роля в реакциите на ензимна (ензимна) катализа. Трябва обаче да се вземе предвид неоспоримият факт, че в много случаи небелтъчните органични молекули, като металните йони, са абсолютно необходими на протеиновия компонент, когато изпълняват определена биологична функция, която не е свързана с биокатализа. Несъмнено видът и характерът на връзката между небелтъчната съставка и белтъчната молекула също имат значение. Следователно е очевидно, че всеки фактор, който е абсолютно необходим на протеина, за да изпълни своята каталитична или друга биологична роля, може да служи като кофактор. От друга страна, коензимът може да бъде всеки непротеинов фактор, който участва пряко в реакцията на ензимна катализа. Кофактор, който не участва пряко в акта на катализа, не е коензим. В същото време простетична група (ковалентно свързан непротеинов компонент, необходим за специфична функция) може да се нарече коензим, ако участва пряко в ензимната реакция. Простетична група, която не участва в акта на катализа, но е функционално важна както за ензима, така и за некаталитичния протеин, може да се нарече кофактор. И накрая, кофактор и коензим, които са хлабаво (или хлабаво свързани) с ензим или протеин, обаче не се класифицират като простетични групи.

Много двувалентни метали (Mg 2+, Мн 2+, Sa 2+) също действат като кофактори, въпреки че не са нито коензими, нито простетични групи. Известни са примери, когато металните йони са силно свързани с протеинова молекула, изпълнявайки функциите на простетична група. По-специално, пречистеният ензим, който катализира окисляването на аскорбиновата киселина (витамин С) до дезоксиаскорбинова киселина, съдържа 8 медни атома на молекула; всички те са толкова здраво свързани с протеиновата молекула, че дори не се обменят с йонообменни смоли и не се разделят чрез диализа. Освен това, използвайки метода на електронния парамагнитен резонанс, беше показано участието на медни йони в междинния пренос на електрони. Интересно е да се отбележи, че свободните медни йони също са надарени с каталитична активност по време на окисляването на аскорбиновата киселина, но тази активност се увеличава много хиляди пъти, ако медните йони се комбинират с апоензима в един комплекс - холоензима.

Получени са доказателства за кофакторната функция в ензимните реакции и редица други биологично активни съединения, които не са свързани с витамините: HS-глутатион, АТФ, липоева киселина, нуклеозидни производни (уридин фосфат, цитидин фосфат, фосфоаденозин фосфосулфат), порфирин- съдържащи вещества и т.н. Това може да включва и тРНК, която като част от ензимите аминоацил-тРНК синтетази участва активно в транспорта на аминокиселини в рибозомата, където се извършва протеиновият синтез.

Трябва да се отбележи една отличителна черта на двукомпонентните ензими: нито кофакторът поотделно (включително повечето коензими), нито самият апоензим са надарени с каталитична активност, а само тяхната комбинация в едно цяло, което не протича произволно, а в съответствие с програма на тяхната структурна организация, осигурява бързо протичане на химична реакция.

Активно място на ензими.

При изучаване на механизма на химическа реакция, катализирана от ензими, изследователят винаги се интересува не само от определянето на междинните и крайните продукти и изясняването на отделните етапи на реакцията, но и от природата на онези функционални групи в молекулата на ензима, които осигуряват специфичността на действието на ензима върху даден субстрат (субстрати) и висока каталитична активност. Следователно говорим за точното познаване на геометрията и третичната структура на ензима, както и на химическата природа на онзи участък(ове) от ензимната молекула, който осигурява висока скорост на каталитичната реакция. Субстратните молекули, участващи в ензимни реакции, често са малки в сравнение с ензимните молекули; следователно се предполага, че по време на образуването на ензимно-субстратни комплекси ограничена част от аминокиселините на пептидната верига очевидно влиза в пряк контакт със субстратната молекула. Оттук възниква идеята за активния център на ензима. Активният център е уникална комбинация от аминокиселинни остатъци в ензимна молекула, която осигурява директното му свързване към субстратна молекула и пряко участие в акта на катализа. Установено е, че при сложните ензими в състава на активния център влизат и простетични групи.

В активния център, така нареченият каталитичен център, който директно влиза в химично взаимодействие със субстрата, и свързващият център или контактното („котвящо“) място, което осигурява специфичен афинитет към субстрата и образуването на неговия комплекс с ензима, се разграничават условно. На свой ред, субстратната молекула също съдържа функционално различни места: например субстрати на естерази или протеинази - една специфична връзка (или група от атоми), която се атакува от ензима, и едно или повече места, които са селективно свързани от ензима.

Получени са експериментални доказателства за наличието на два хистидинови остатъка и един серинов остатък в активното място на химотрипсин, които са представени схематично в триизмерен структурен модел на прекурсора на този ензим. Разкриването на химическата природа и вероятната топография на групите активни места е проблем от първостепенно значение. Свежда се до определяне на природата на аминокиселините, тяхната последователност и позиция в активния център. За идентифициране на така наречените незаменими аминокиселинни остатъци се използват специфични ензимни инхибитори (често това са субстратоподобни вещества или аналози на коензими), методи на "мека" (ограничена) хидролиза в комбинация с химична модификация, включително селективно окисление, свързване , заместване на аминокиселинни остатъци и др.

С помощта на методите за инхибиторен анализ са направени опити да се установят закономерности в състава и структурата на активните центрове в ензими от различни групи. По-специално, когато се използва диизопропилфлуорофосфат (DFF), който принадлежи към така наречените нервни отрови, има пълно спиране на активния център на холинестеразата, ензим, който катализира хидролизата на ацетилхолин в холин и оцетна киселина. Оказа се, че този инхибитор има близко структурно сходство с ацетилхолина и по подобен начин взаимодейства с ОН групата на сериновия остатък в активния център. Предизвиквайки фосфорилиране на серин в активния център на редица други ензими, DPP инактивира и тяхното действие:

Беше показано, че DPP селективно фосфорилира само един серинов остатък, надарен с функционална активност във всеки ензим, чувствителен към него. Като се има предвид този механизъм на действие на DPP, са направени опити да се определи природата на аминокиселините в средата на "каталитичния" серинов остатък в редица ензими.

Освен активния център, в ензимната молекула може да присъства и алостеричен център (или центрове) (от гръцки allos - друг, различен и steros - пространствен, структурен), който е участък от ензимната молекула, свързващ определени , обикновено с ниско молекулно тегло, вещества (ефектори или модификатори), чиито молекули се различават по структура от субстратите. Прикрепването на ефектор към алостеричен център променя третичната и често също кватернерната структура на ензимната молекула и, съответно, конфигурацията на активния център, причинявайки намаляване или увеличаване на ензимната активност. Ензимите, чиято активност на каталитичния център претърпява промяна под въздействието на алостерични ефектори, които се свързват с алостеричния център, се наричат ​​алостерични ензими.

Отличителна черта на редица алостерични ензими е наличието в олигомерната ензимна молекула на няколко активни центъра и няколко алостерични регулаторни центъра, които са пространствено отдалечени един от друг. В алостеричния ензим всеки от двата симетрично изградени протомера съдържа едно активно място, което свързва S субстрата, и едно алостерично място, което свързва М2 ефектора, т.е. 2 центъра в една ензимна молекула. Получени са доказателства, че за субстрата алостеричните ензими освен активния център съдържат и т. нар. ефекторни центрове; при свързване с ефекторното място, субстратът не претърпява каталитично превръщане, но влияе върху каталитичната ефективност на активното място. Такива взаимодействия между центрове, които свързват лиганди от същия тип, се наричат ​​хомотропни взаимодействия, а взаимодействията между центрове, които свързват лиганди от различен тип, се наричат ​​хетеротропни взаимодействия.

По този начин при ензимната катализа, както при реакцията на свързване на субстрата, участва не ограничена и малка част от ензима, както се предполагаше по-рано, а много по-голяма част от молекулата протеин-ензим. Тези обстоятелства най-вероятно могат да обяснят големия размер и обем на триизмерната структура на ензимната молекула; същите обстоятелства трябва да се вземат предвид в програмите за създаване на изкуствени нискомолекулни аналози на ензими (синзими), които имат свойствата на естествените ензими.

Механизмът на действие на ензимите

ензимна биологична катализа трансаминиране

Откриването на пространствената структура на редица ензими чрез рентгенов дифракционен анализ даде надеждна основа за изграждане на рационални схеми на техния механизъм на действие.

Установяването на механизма на действие на ензима е от ключово значение за разкриване на структурни и функционални връзки в различни биологично активни системи.

Лизозимът се намира в различни тъкани на животни и растения, намира се по-специално в слъзната течност и яйчния белтък. Лизозимът действа като антибактериален агент, като катализира хидролизата на клетъчните стени на редица бактерии. Този полизахарид се образува от редуващи се остатъци на N-ацетилмурановата киселина (NAM), свързани ?-1,4-гликозидна връзка (полизахаридните вериги са омрежени от къси пептидни фрагменти).

Бактериалният полизахарид е много сложно неразтворимо съединение; следователно, добре хидролизируеми олигозахариди, образувани от NAG остатъци, често се използват като лизозимни субстрати.

Лизозимът на протеина от пилешко яйце се образува от единична полипептидна верига, съдържаща 129 аминокиселинни остатъка; молекулното му тегло е 14 600. Високата стабилност на ензима се осигурява от наличието на четири дисулфидни моста.

Информация за активния център и вида на каталитичния процес е получена от Д. Филипс през 1965 г. въз основа на рентгенови дифракционни изследвания на лизозим и неговите комплекси с инхибитори. Молекулата на лизозима има формата на елипсоид с оси 4,5*3*3 nm; между двете половини на молекулата има "пролука", в която се осъществява свързването на олигозахаридите. Стените на празнината се образуват главно от страничните вериги на неполярни аминокиселини, които осигуряват свързването на неполярни молекули на субстрата, а също така включват страничните вериги на полярни аминокиселини, които са способни да образуват водородни връзки с ациламино и хидроксилните групи на субстрата. Размерът на празнината позволява да се побере олигозахаридна молекула, съдържаща 6 монозахаридни остатъка. Използвайки рентгенов дифракционен анализ, установете естеството на свързването на субстрата, например NAG хексазахарид 6, не успява. В същото време комплексите на ензима с тризахаридния инхибитор NAG 3стабилен и добре проучен. NAG 3свързва се в празнина на повърхността на ензима, образувайки водородни връзки и ван дер ваалсови контакти; в същото време запълва само половината празнина, в която могат да се свържат още три монозахаридни остатъка. Нередуциращият край (захар А) е в началото на празнината, а редуциращият край (захар С) е в централната му част; захарните остатъци A, B и C имат конформация на стол. Конструирането на модел на ензимно-субстратния комплекс се основава на предположението, че при свързване на NAG субстрата 6същите взаимодействия се реализират както при свързването на NAG 3. В ензимния модел три захарни остатъка (наричани остатъци D, E и F) бяха поставени вътре в празнината; всяка следваща захар беше прикрепена по такъв начин, че нейната конформация беше същата (доколкото е възможно) като тази на първите три захари. Като част от моделния комплекс, всички захарни остатъци осъществяват ефективни нековалентни взаимодействия със странични и пептидни групи от аминокиселинни остатъци, които образуват празнина.

Когато се идентифицират каталитичните групи, беше естествено да се съсредоточим върху тези, които са в комплекса ензим-субстрат близо до разцепващата се гликозидна връзка и могат да служат като протонни донори или акцептори. Оказа се, че от едната страна на разделената връзка, на разстояние? 0,3 nm (от кислорода на гликозидната връзка) се намира карбоксилната група на Glu-35, а от другата (на същото разстояние) карбоксилната група на Asp-52, тяхната среда е много различна. Glu-35 е заобиколен от хидрофобни остатъци; може да се приеме, че при оптимално рН на ензима тази група е в нейонизирано състояние. Средата на Asp-52 е подчертано полярна; неговата карбоксилна група участва като акцептор на водород в сложна мрежа от водородни връзки и вероятно функционира в йонизирано състояние.

Предложена е следната схема на каталитичния процес по време на хидролизата на олигозахарида. Нейонизираната карбоксилна група на Glu-35 действа като протонен донор, доставяйки го на гликозидния кислороден атом между С атома (1)захар D и атом C ( 4)захар Е (етап на обща киселинна катализа); това води до разкъсване на гликозидната връзка. В резултат на това захарният остатък D преминава в състояние на карбокатион с положително зареден въглероден атом C (1)и приема конформация на половин стол. Отрицателният заряд на Asp-52 карбоксилатната група стабилизира карбокатиона. Оставащ NAG 2(захар E+F) дифундира от областта на активното място. Тогава в реакцията влиза водна молекула; неговият протон отива към Glu-35 и OH --група към C атом (1)остатък D (етап на основен катализ). Оставащ NAG 4(захар A + B + C + D) напуска областта на активния център и ензимът се връща в първоначалното си състояние.

Рибонуклеазата (РНКаза) на говеждия панкреас хидролизира междунуклеотидните връзки в РНК близо до пиримилиновите единици, които остават естерифицирани при 3 - позиция. Ензимът, заедно с други нуклеази, се използва широко в анализа на структурата на РНК.

РНКазата се образува от една полипептидна верига, съдържаща 124 аминокиселинни остатъка, и нейното молекулно тегло е 13 680; В молекулата има четири дисулфидни връзки. РНКазата е първият ензим, за който е установена първична структура.

Въз основа на резултатите от изследването на рибонуклеазната ренатурация К. Афинсен за първи път ясно формулира идеята, че пространствената структура на протеина се определя от неговата първична структура.

През 1958 г. Ф. Ричардс показа, че при определени условия субтилизинът разцепва пептидната връзка Ala-20 - Ser-21 в РНКаза. Получените фрагменти се наричат ​​S-пептид (остатъци 1-20) и S-протеин (остатъци 21-124); поради нековалентни взаимодействия, фрагментите образуват комплекс, наречен РНКаза S. Този комплекс има почти пълната каталитична активност на естествения ензим; в изолирана форма S-пептидът и S-протеинът са неактивни. Освен това беше установено, че синтетичен пептид, идентичен по последователност на S-пептидния фрагмент, съдържащ остатъци от 1 до 13, възстановява активността на S-протеина, но по-къс пептид, съдържащ остатъци от 1 до 11, няма тази способност. Получените данни ни позволиха да заключим, че съответните His-12 или Met-13 остатъци (или и двата от тези остатъци) са включени в активния център на ензима.

При изследване на ефекта на рН върху активността на РНКазата е изяснена важната роля на протеиновите функционални групи с рК 5.2 и 6.8; това предполага участието на хистидинови остатъци в каталитичния процес.

При карбоксилиране на РНКаза с йодоацетат при рН 5,5, т.е. при условия, при които се извършва предимно модификация на хистидиновите остатъци, се наблюдава пълна загуба на активност; модифицираният ензим съдържа 1 mol карбоксиметилови групи на 1 mol протеин. В резултат на това се образуват две монокарбоксиметиленови форми на ензима. В едната форма His-12 е карбоксиметилиран, а в другата His-119. His-119 беше предимно модифициран.

Тези данни предполагат, че His-12 и His-119 са в активното място и че модификацията на единия от тях предотвратява модификацията на другия.

В резултат на рентгенови дифракционни изследвания е изяснена пространствената структура на РНКаза S и комплекса на РНКаза S с инхибитори. Молекулата има формата на бъбрек, активният център е локализиран във вдлъбнатината, където се намират остатъците от His-12, His-119 и Lys-41.

Хидролизата възниква в резултат на конюгираното действие на His-12 и His-119 остатъци, които извършват киселинно-алкална катализа. Диаграмата по-долу показва етапите на каталитичния процес:

1.Субстратът е в активния център; His-12, His-119 и Lys-41 са разположени близо до отрицателно заредения фосфат.

2.В резултат на действието на His-12 като протон-акцепторна база от 2 -OH групи на рибоза и His-119 като киселина, която отдава протон на кислородния атом на фосфата, първо се образува междинен комплекс и след това 2 ,3- цикличен фосфат.

.На мястото на изчезналия продукт влиза вода, дарявайки протона His-119 и OH -- фосфат, в същото време протонът от His-12 преминава към кислородния атом на рибозата, образува се вторият продукт и ензимът се връща в първоначалното си състояние.

Химотрипсинът се секретира под формата на проензим - химотрипсиноген от панкреаса на гръбначните животни; проензимното активиране се случва в дванадесетопръстника под действието на трипсин. Физиологичната функция на химотрипсина е хидролизата на протеини и полипептиди. Химотрипсинът атакува главно пептидни връзки, образувани от карбоксилни остатъци на тирозин, триптофан, ценилаланин и метионанин. Той също така ефективно хидролизира естерите на съответните аминокиселини. Молекулното тегло на химотрипсина е 25 000, молекулата съдържа 241 аминокиселинни остатъка. Химотрипсинът се образува от три полипептидни вериги, свързани с дисулфидни мостове.

Функционалните групи на активния център на химотрипсин са идентифицирани с помощта на необратими инхибитори. Остатъкът Ser-195 беше модифициран с диизопропил флуорофосфат и фенилметилсулфофлуорид, а остатъкът His-122 беше модифициран с N-тозил-L-фенилаланин-хлорометил кетон. Двуетапният процес на хидролиза на химотрипсин е открит при изследване на кинетиката на хидролиза на р-нитрофенилацетат.

Характерна особеност на разглеждания процес е образуването на ковалентен междинен продукт, ацилен ензим. Ацилираната каталитична група беше идентифицирана като остатък Ser-195. Механизмът на катализа, осъществяван от ензима, е предложен още преди установяването на пространствената структура на протеина, но по-късно е усъвършенстван. По-специално, изследвания с 18з 2O направи възможно да се докаже образуването на ацил ензим по време на хидролизата на пептиди.

Триизмерна структура с разделителна способност 0,2 nm е установена чрез рентгенов дифракционен анализ на D. Blow. през 1976 г Молекулата има формата на елипсоид с оси 5,4*4*4 nm. Резултатите от кристалографските изследвания потвърдиха предположението, че остатъците Ser-195 и His-57 са близки. Хидроксилната група на Ser-195 е разположена на разстояние ~0,3 nm на север от азотния атом на His-57 имидазоловия пръстен. Най-интересният факт беше, че азотният атом в позиция 1 на пръстена е разположен на разстояние ~0,28 nm от кислородния атом на карбоксилната група на страничната верига на Asp-102 и заема позиция, благоприятна за образуването на водород връзка.

Трябва да се отбележи, че химичните изследвания не могат да разкрият участието на Asp-102 във функционирането на активния център, тъй като този остатък е вграден дълбоко в молекулата.

Понастоящем се смята, че трите остатъка Asp-102, His-57 и Ser-195 образуват система за пренос на заряд, която играе критична роля в процеса на катализа. Функционирането на системата осигурява ефективното участие на His-57 в катализа като киселинно-алкален катализатор и повишава реактивността на Ser-195 към карбоксилния въглерод на атакуваната връзка.

Ключовият елемент на катализата е прехвърлянето на протони от Ser-195 към His-57. В същото време кислородният атом на серина атакува карбонилния въглероден атом на субстрата с образуването първо на междинно тетраедрично съединение (1) и след това на ацилов ензим (2). Следващата стъпка е деацилиране. Молекулата на водата влиза в системата за пренос на заряд, а ОН йонът -едновременно атакува карбонилния въглероден атом на ацилната група на ацилния ензим. Както в етапа на ацилиране, се образува междинно тетраедрично съединение (4). След това His-57 дарява протон на кислородния атом на Ser-195, освобождавайки ацилния продукт; той дифундира в разтвора и ензимът се връща в първоначалното си състояние.

Карбоксипептидаза А се секретира като проензим от панкреаса на гръбначните животни. Образуването на активния ензим се извършва в тънките черва с участието на химотрипсин. Ензимът последователно отцепва С-терминалните аминокиселинни остатъци от пептидната верига, т.е. е екзопептидаза.

Карбоксипептидаза А се образува от единична полипептидна верига, съдържаща 307 аминокиселинни остатъка; молекулното тегло е 34 470. Аминокиселинната последователност на протеина е установена през 1969 г. от R. Bredshaw.

Изясняването на механизма на действие на ензима е възможно само след рентгенови дифракционни изследвания. Пространствената структура на ензима и неговия комплекс с дипептида Gly-Tyr (субстратен модел) е установена от W. Lipscomb. Молекулата на ензима има формата на елипсоид с оси 5,0*4,2*3,8 nm; активният център се намира в депресия, която преминава в дълбок неполярен джоб. В зоната на активния център е локализиран цинков йон (негови лиганди са страничните вериги на Glu-72, His196, His-69 остатъци и водна молекула), както и функционални групи, участващи в субстратното свързване и катализа - Arg-145, Glu-270 и Tyr-248.

Сравнителен анализ на структурите на ензима и неговия комплекс с Gly-Tyr даде важна информация за структурата на ензим-субстратния комплекс. По-специално беше установено, че по време на образуването на комплекса хидроксилната група на Tyr-248 се премества на 1,2 nm спрямо нейната позиция в свободния ензим (т.е. приблизително 1/3 от диаметъра на молекулата).

Според схемата на каталитичния процес карбоксилатната група на Glu-270 активира водна молекула, разположена в реакционната сфера, издърпвайки протон от нея; полученият OH- йон извършва нуклеофилна атака върху карбонилния въглерод на разцепващата се връзка. В същото време хидроксилната група на Tyr-248, разположена близо до азотния атом на разцепващата се пептидна връзка, му отдава протон. В резултат на това атакуваната пептидна връзка се разцепва и получените продукти напускат зоната на активното място. Диаграмата по-долу илюстрира общата основна катализа.

Аспартат аминотрансферазата катализира реакцията на обратимо трансаминиране.

Ензимната реакция на трансаминиране е открита от A.E. Braunstein и M.G. Крицман през 1937 г при изследване на ензимен препарат от мускул на гълъб. В последващи проучвания беше показано, че реакциите на трансаминиране са широко разпространени в дивата природа и играят важна роля в конюгирането на азотния и енергийния метаболизъм.

През 1945 г. е установено, че пиридоксал-5 -фосфат (PLF) е коензим на аминотрансферазите. Молекулата AAT е димер, образуван от идентични субединици. В сърдечния мускул на изследваните гръбначни животни има два изоензима - цитоплазмена (cAAT0) и митохондриална (mAAT) аминотрансферази.

Първичната структура на cAAT от сърдечния мускул е установена през 1972 г. Ю.А. Овчинников и A.E. Брейнщайн. Полипептидната верига на протеина съдържа 412 аминокиселинни остатъка; молекулното тегло е 46 000.

Общата теория на пиридоксаловата катализа е разработена от A.E. Braunstein и M.M. Шемякин през 1952-1953 г., а малко по-късно - D.E. Metzler и E.E. Снел. Според тази теория каталитичното действие на пиридоксаловите ензими се дължи на способността на алдехидната група на пиридоксал фосфата да образува алдимини (бази на Шиф) при взаимодействие с амини, включително аминокиселини.

В получената фосфопиридоксилденаминокиселина има система от спрегнати двойни връзки, по протежение на които има изместване на електрони от ?-въглеродният атом улеснява разкъсването на връзките, образувани от този атом.

Съвременните идеи за механизма на ензимното трансаминиране, разработени от A.E. Браунщайн и неговите сътрудници са развитие на горната теория. В първоначалното състояние алдехидната група на пиридоксал фосфата образува алдиминова връзка с ?-аминогрупата на остатъка Lys-258 на активния център (I). При свързване на аминокиселината се образува комплекс на Михаелис (II), последван от алдимин между пиридоксал фосфат и субстрат (III). В резултат на последващи трансформации през междинни етапи (IV) и (V) се образува оксо киселина (VI). Това завършва първата полуреакция на трансаминиране. Повтарянето на същите тези стъпки в "обратната" посока с новата хидрокси киселина съставлява втората полуреакция, която завършва цикъла на каталитично трансаминиране.

Миоглобин и хемоглобин

Тези два протеина често се наричат ​​респираторни ензими. Тяхното взаимодействие със субстрата, кислорода, е изяснено в детайли, основно на базата на рентгенов дифракционен анализ с висока разделителна способност. Тримерната структура на миоглобина е определена от J. Kendrew през 1961 г., а тримерната структура на хемоглобина - от M. Perutz през 1960 г.

Молекулата на миоглобина е с компактна форма - 4,5 * 3,5 * 2,5 nm, полипептидната верига образува 8 спираловидни участъка, обозначени с букви от А до Н. Тя е подредена по специален начин около голям плосък желязосъдържащ хемов пръстен. Хемът е комплекс от порфирин с двувалентно желязо.

Веригите на полярната хем пропионова киселина са разположени на повърхността на молекулата, останалата част от хема е вградена в глобулата. Връзката на хема с протеина се осъществява благодарение на координационната връзка между атома на желязото и атома на хистидина, локализирана в спиралата F; това е така нареченият проксимален хистидин. Друг важен хистидинов остатък, дисталният хистидин, е локализиран в джоба на хема в E спиралата; той се намира от противоположната страна на железния атом на по-голямо разстояние от проксималния хистидин. Регионът между гена на желязото и дисталния хистидин в деоксимиоглобина е свободен и липофилната O молекула 2може да се свърже с хем желязо, заемайки шестата координационна позиция. Уникална характеристика на миоглобина, както и на хемоглобина, е способността им обратимо да свързват O 2без хем Fe окисление 2+във Fe 3+. Това е възможно, тъй като в хидрофобния хемов джоб се създава среда с ниска диелектрична проницаемост, от която се измества водата.

При свързване на О 2с железния атом, последният се премества с около 0,06 nm и завършва в равнината на порфириновия пръстен, т.е. в енергийно по-изгодна позиция. Предполага се, че това движение се дължи на факта, че йонът Fe 2+в дезоксимиоглобин е в състояние с висок спин и неговият радиус е твърде голям, за да се побере в равнината на хемпорфириновия пръстен. При свързване на О 2Fe йон 2+ преминава в състояние с нисък щифт и радиусът му намалява; сега Fe йон 2+може да се премести в равнината на порфириновия пръстен.

Хемоглобинът е основният компонент на червените кръвни клетки, който доставя кислород от белите дробове до тъканите и въглероден диоксид от тъканите до белите дробове. Хемоглобините от различни видове се различават по формата на кристали, разтворимост, афинитет към кислорода. Това се дължи на разликите в аминокиселинната последователност на протеините; компонентът на хема е еднакъв в хемоглобините на всички видове гръбначни и някои безгръбначни.

Човешкият хемоглобин е тетрамер, съставен от четири субединици, две ?-подединици и две ?-субединици, съдържащи съответно 141 и 146 аминокиселинни остатъка. между първичните структури ?- и ?-субединици има значителна хомология и конформацията на техните полипептидни вериги също е сходна.

Молекулата на хемоглобина има сферична форма с диаметър 5,5 nm. Четирите субединици са опаковани в тетраедрична форма.

Данните от рентгеновата дифракция показват, че оксигенацията на хемоглобина е придружена от редица промени. При ниска разделителна способност беше установено, че в този случай структурата става по-компактна (Fe атоми ?-веригите се приближават една към друга с около 0,6-0,7 nm), субединиците се въртят една спрямо друга и оста от втори ред с 10-15 относно . Резултатите от изследването с висока разделителна способност показват, че особено значителни промени настъпват в района на ?? Контакти.

Към днешна дата, въз основа на рентгенови дифракционни изследвания и редица други методологични подходи, е постигнат значителен напредък в изясняването на механизма на действие на ензими с желани свойства въз основа на постиженията в областта на генното инженерство. Това открива широки възможности за проверка на валидността на съвременните представи за механизма на действие на ензима и създаване на фундаментална теория за ензимния катал.

Библиографски списък

1. A. Lehninger Основи на биохимията. - Московски свят, 1985 г.

Ю.А. Овчинников. Биоорганична химия. - Москва Просвещение, 1987.

Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин. Биологична химия. - Московска медицина, 1990 г.

Обучение

Нуждаете се от помощ при изучаването на тема?

Нашите експерти ще съветват или предоставят услуги за обучение по теми, които ви интересуват.
Подайте заявлениепосочване на темата точно сега, за да разберете за възможността за получаване на консултация.