Ферменты (стр. 1 )

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

Е. В. ЛУКАШЕВА, Н. Н. ЧЕРНОВ, Е. А.РЫСКИНА

ФЕРМЕНТЫ

Учебно-методическое пособие

для студентов медицинского факультета

       

Москва, 2011

УДК                         Утверждено РИС Ученого совета

               Медицинского факультета РУДН

, , 

Ферменты

Учебно-методическое пособие – М.: ___________________________________

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов, клинических ординаторов и аспирантов медицинского факультета. Задача пособия  - оказать помощь в овладении весьма сложным материалом курса «Биохимия».

При подготовке пособия большое внимание было уделено строению и свойствам ферментов, кинетике ферментативных реакций и путям их регуляции. Использование пособия облегчит студентам  освоение основного курса биохимии.

Пособие включает краткий теоретический материал, а также тесты для контроля знаний студентов, которые позволят повысить внимание студентов, оттенить наиболее важные моменты изучаемой темы. В конце пособия имеется список использованной литературы, важной для более глубокого изучения заинтересовавших читателей вопросов. Хочется верить, что предлагаемое учебное пособие поможет студентам успешнее освоить материал и лучше сдать экзамены.

СОДЕРЖАНИЕ:

СОДЕРЖАНИЕ:        3

1. Понятие о ферментах        4

2. Строение ферментов        4

3. Измерение ферментативной активности        7

4. Свойства ферментов        8

4.1. Механизм действия        8

4.2. Специфичность действия        8

4.3. Термолабильность        11

4.4. Зависимость скорости реакции от температуры        11

4.5. Зависимость скорости реакции от  рН        11

5. Кинетика ферментативных реакций        13

6. Ингибирование ферментов        16

7. Классификация ферментов        20

8. Внутриклеточная регуляция ферментативной активности        23

9. Использование ферментов в медицине        28

10. Вопросы в тестах        32

Список литературы        40

1. Понятие о ферментах

       Ферментами (энзимами) называют растворимые или связанные с мембранами белки, наделенные каталитической активностью. (Кроме белков каталитическую активность в организме могут проявлять некоторые РНК (рибозимы) и антитела (абзимы), однако они  в тысячи раз менее эффективны, чем ферменты.) Эти названия произошли от латинского «fermentatio» - брожение и греческого «en zym» - внутри закваски. Они напоминают о первых источниках ферментов. Биохимии, которая изучает ферменты, называется энзимология. На схемах и в уравнениях реакций молекулы ферментов обозначают - Е. Вещества, превращения которых  катализируют ферменты, называют субстратами (S). Продукты энзиматической реакции  обозначают - Р. Так как ферменты являются белками, их получают в гомогенном виде теми же способами, что и другие белки. Для ферментов характерны физико-химические свойства, присущие белкам.

Отличие ферментов от неорганических катализаторов:

а) ускоряют реакции значительно эффективнее;

б) наделены высокой специфичностью действия;

в) подвергаются регуляции в физиологических условиях;

г) действуют в мягких условиях.

2. Строение ферментов

       

Ферментами могут являться как простые, так и сложные (конъюгированные) белки, в состав которых могут входить липиды, углеводы, ионы металлов, азотистые основания, производные витаминов. В организме ферменты могут функционировать как в растворимом состоянии, так и в виде нерастворимых комплексов или входить в состав  биологических мембран.        

Отличительной особенностью ферментов является наличие активного центра. Активный центр - это уникальная комбинация сближенных в пространстве аминокислотных остатков, которая обеспечивает:

а) узнавание молекулы субстрата,

б) связывание субстрата с ферментом,

в) осуществление каталитического превращения (в случае сложного фермента в акте катализа также принимает участие кофермент, входящий в состав активного центра).

Активный центр возникает в тот момент, когда белок сворачивается и принимает свою нативную (активную) конформацию. Структура активного центра может изменятся при взаимодействии с субстратом. По образному выражению Д. Кошланда субстрат подходит к активному центру как рука к перчатке.

        Одна молекула фермента, особенно если она состоит из нескольких субъединиц, может содержать более одного активного центра.

       В активном центре имеются два участка. Первый участок отвечает за узнавание и связывание субстрата. Он называется субстрат-связывающим участком или якорной площадкой. Второй участок называется каталитическим, в его состав входят аминокислотные остатки, принимающие участие в акте катализа.

Ферменты представляют белки, сильно различающиеся по молекулярной массе и сложности строения. Примером фермента с  небольшой молекулой является рибонуклеаза, состоящая из одной субъединицы с молекулярной массой 13700 Дa. (У рибонуклеазы определена аминокислотная последовательность. В 1969 г. рибонуклеаза была  синтезирована в лаборатории Б. Меррифилда в Нью-Йорке.) Многие ферменты состоят из нескольких субъединиц, например, лактатдегидрогеназа состоит из четырех субъединиц двух видов. К настоящему времени известно несколько мультиферментных комплексов, состоящих из десятков различных субъединиц и нескольких типов коферментов. Например, пируватдегидрогеназный комплекс состоит из 60 субъединиц трех типов и  пяти типов кофакторов. Молекулярная масса такого комплекса составляет 2,3*106 - 10*106 Дa в зависимости от источника фермента. Молекула фермента может быть меньше, чем молекула субстрата. Например: молекулы ферментов амилазы и рибонуклеазы меньше, чем  молекулы их субстратов – крахмала и РНК.

       Белковая часть сложных ферментов каталитически  неактивна и называется апоферментом. Связывание апофермента с небелковым компонентом приводит к образованию каталитически активного фермента (холофермента):

       

Многие ферменты содержат в своем составе ион металла, который может выполнять различные функции:

участвовать в связывании субстрата и процессе его каталитического превращения; способствовать присоединению кофермента к молекуле фермента; стабилизировать третичную структуру фермента (например Са2+ в амилазе); связываясь с субстратом, образовывать истинный субстрат, на который действует фермент.

       Многие коферменты являются производными витаминов, поэтому нарушение обмена веществ при витаминной недостаточности обусловлено снижением активности определенных ферментов.

       Некоторые ферменты наряду с активным центром содержат аллостерический (регуляторный) центр - участок белковой глобулы,  вне активного центра, где могут связываться вещества, регулирующие ферментативную активность. Эти вещества называют аллостерическими эффекторами (аллостерическими активаторами или ингибиторами). В результате связывания эффектора с аллостерическим центром происходит изменение структуры белка, приводящее к изменению пространственного расположения аминокислотных остатков в активном центре и, в итоге, к изменению ферментативной активности.

       Ферменты, встречающиеся в одном организме и катализирующие одну и ту же химическую реакцию, но с различной первичной структурой белка, называются изоферментами. Изоферменты отличаются друг от друга по таким физико-химическим свойствам, как молекулярная масса, термостабильность, субстратная специфичность, электрофоретическая подвижность. Природа появления изоферментов разнообразна, но чаще всего обусловлена различиями в структуре генов, кодирующих эти изоферменты или их субъединицы. Например, фермент лактатдегидрогеназа (ЛДГ), катализирующая обратимую реакцию  окисления лактата до пирувата, имеет четыре субъединицы двух типов М и Н, комбинация этих субъединиц лежит в основе формирования пяти изоферментов ЛДГ (рис.1). Для диагностики заболеваний сердца и печени необходимо исследование изоферментного спектра ЛДГ в сыворотке крови, поскольку ЛДГ1 и ЛДГ2 активны в сердечной мышце и почках, а ЛДГ4 и ЛДГ5  - а скелетных мышцах и печени.

       Рис.1 Строение различных изоферментов ЛДГ.

        3. Измерение ферментативной активности

       Определение активности ферментов осуществляется путем измерения скорости катализируемых реакций. Скорость ферментативных реакций измеряют по убыли концентрации субстрата или увеличению концентрации продукта за единицу времени:

v = - ДСS/Дф,  v = ДCP/Дф,

где ДСS – изменение молярной концентрации субстрата (моль/л),

ДCP - изменение молярной концентрации продукта реакции (моль/л),

Дф - изменение времени (мин, сек).

       Кинетические исследования желательно проводить при насыщающей концентрации субстрата, в противном случае фермент не будет иметь возможность проявить максимальную активность.

       Единицы активности ферментов:

       Международная единица фермента (U) - это такое количество фермента, которое катализирует превращение 1 мкмоль субстрата за 1 минуту при температуре 25оС и оптимальном рН среды.

       В системе СИ единицей фермента является катал (кат) –это такое количество фермента, которое катализирует превращение одного моль субстрата за 1 секунду. Нетрудно подсчитать, что: