История развития энзимологии реферат

Обновлено: 02.07.2024

• В 1783 г. итальянский ученый
Спаланцани, изучая
переваривание мяса у хищных
птиц, показал, что в организме
есть катализаторы,
расщепляющие мясо. Сделал
вывод, что процессы в живой
природе происходят при помощи
специфических веществ.

• В 1814 г. русский ученый,
К. Кирхгоф впервые установил,
что крахмал превращается в
сахар под действием некоторых
веществ, находящихся в
вытяжке проросших зерен
ячменя.

• В 1833 г. французские химики
А. Пайен и Ж. Пирсо выделили
вещество, расщепляющее
крахмал, которое они назвали
диастаза (фермент амилаза)

Луи Пастер высказал
предположение, что
процессы брожения
могут вызывать
микроорганизмы и,
следовательно, связаны лишь с
их жизнедеятельностью.

• Ю. Либих и К. Бернар отстаивали
химическую природу брожения,
считая, что брожение вызывают
особые вещества, подобные
диастазе (амилазе).

Э. Бухнер
В 1897 г. немецкие
ученые Ганс и
Эдвард Бухнеры
показали, что
дрожжевой
бесклеточный
сок способен
сбраживать сахар
с образованием
спирта и СО2

В 1926 г. американский
биохимик Д. Самнер
выделил из бобов
канавалии
фермент уреазу,
катализирующий
реакцию расщепления
мочевины до NH3 и CO2

14. Большинство ферментов белки

Но есть ферменты небелковой
природы.
Н-р, рибозимы, состоящие из
РНК.
Есть ферменты, которые в
первую очередь выполняют
другие функции.
Н-р, абзимы, являющиеся
антителами.

• В 1961 г. в Москве на 5-ом
биохимическом конгрессе
Международная комиссия по
ферментам предложила
рекомендации по номенклатуре
и классификации ферментов

16. Номенклатура ферментов

• Каждый фермент имеет два
названия:
1 – рабочее (короткое),
2 – систематическое (более
полное), применяемое для
однозначной идентификации
ферментов

• 2 тип включает в себя название
субстрата + название реакции,
катализируемой данным
ферментом
Например, лактатдегидрогеназа

20. Классификация ферментов

• Все ферменты разделены на
6 классов, каждый из которых
имеет строго определенный
номер.
Классы делятся на подклассы,
а те на подподклассы

• Для каждого фермента
существует специальный шифр,
состоящий из 4-х цифр:
1 – номер класса,
2 – номер подкласса,
3 – номер подподкласса,
4 – порядковый номер фермента

24. Классы ферментов:

25. I. Оксидоредуктазы

Катализируют окислительновосстановительные реакции
с участием двух субстратов
(перенос электронов или
атомов водорода с одного
субстрата на другой)

26. В классе 17 подклассов. Например:

• 1. Дегидрогеназы
Сюда входят ферменты,
катализирующие реакции
дегидрирования
(отщепления водорода).
В качестве акцепторов водорода
используются коферменты:
НАД+, НАДФ+, ФАД, ФМН

27. Пример реакции:

• 2. Оксидазы
Акцептором ē служит
молекулярный кислород.
Пример реакции:
О2 + 4 Н+ + 4 е → 2 Н2О
цитохромоксидаза

30. Пример реакции:

31. II. Трансферазы

Катализируют перенос
функциональных групп от
одного соединения к другому.
В зависимости от переносимой
группы:
аминотрансферазы,
ацилтрансферазы,
метилтрансферазы,
гликозилтрансферазы,
киназы (фосфотрансферазы)

32. Пример реакции:

33. III. Гидролазы

Катализилируют реакции
гидролиза (расщепление
ковалентных связей с
присоединением молекулы
воды по месту разрыва).
Например: протеаза, липаза,
фосфолипаза, рибонуклеаза

34. Например:

35. IV. Лиазы

Катализируют отщепление от
субстратов определенные
группы (СО2, Н2О, NH2, SH2 и
др.) без участия воды или
присоединение по двойной
связи молекулы воды

36. Примеры реакций:

38. V. Изомеразы

39. VI. Лигазы (синтетазы)

40. Например:

41. Структура ферментов

• Простые ферменты состоят
только из белка (пепсин,
трипсин, папаин, рибонуклеаза,
фосфатаза, уреаза и др.)
• Сложные ферменты из белковой части
(апофермента) и небелковой
(кофактора): низкомолекулярной
органической части и/или иона
металла

43. Другие термины небелковой части:

• Кофермент (коэнзим) - часть
некоторых ферментов, которая
легко отделяется от белковой
части фермента и удаляется
через полупроницаемую
мембрану при диализе.
• Кофермент должен быть
непосредственно вовлечен в
реакцию катализа.

44. Коферменты:

• производные витаминов;
• гемы, входящие в состав
цитохромов, каталазы,
пероксидазы, гуанилатциклазы,
NO-синтазы;
• нуклеотиды – доноры и
акцепторы остатка фосфорной
кислоты;

• Убихинон (кофермент Q),
участвующий в переносе ē и Н+ в
дыхательной цепи;
• Фосфоаденозилфосфосульфат
(ФАФС), участвующий в
переносе сульфата;
• S-аденозилметионин (SAM) –
донор метильной группы;
• глутатион, участвующий в ОВР

46. Активный центр фермента (А)

• А – участок ответственный за
присоединение субстрата (S) и
его химическое превращение.
В нем выделяют 2 центра

• 1. Каталитический центр –
участок, непосредственно
вступающий в химическое
взаимодействие с субстратом (S)
• 2. Связывающий центр
(якорная или контактная
площадка) – участок
обеспечивающий связывание
EсS

48. Простой фермент: 1-каталитический участок, 2 - контактный

49. Сложный фермент: 1-каталитический участок, 2 – контактный, 3 - кофермент

50. Аллостерический (регуляторный) фермент: R - аллостерический (регуляторный) центр

• В активном центре обычно
12-16 аминокислотных остатков
• АМК А находятся в различных
местах полипептидной цепи,
нередко на противоположных
концах
• При пространственной укладке
они сближаются и образуют А

• У сложных ферментов главную
роль контактных и
каталитических центров
активного центра играет
кофермент

А может содержать различные
функциональные группы:
NH2 (лизина, гуанидиновых
групп аргинина, концевых
аминокислот),
COOH (дикарбоновых и
концевых аминокислот),
OH (серина и треонина),
SH (цистеина),

имидазольные гистидина,
тиоэфирные метионина,
фенольные группы тирозина,
гидрофобные цепи
алифатических аминокислот,
• ароматическое кольцо
фенилаланина

58. Взаимодействие субстрата с активным центром фермента

60. Сходство с неорганическими катализаторами :

• Повышают скорость химической
реакции, но не являются их
инициаторами и не участвуют в
образовании конечных продуктов
(Р)
• Не сдвигают равновесие
химической реакции, ускоряют
момент наступления равновесия
• Снижают энергию активации

61. Отличия:

• Ферменты обладают намного
большей активностью
• Неорганические катализаторы
активны в очень жестких
условиях (высокие t, давление,
присутствие кислот, щелочей), а
ферменты - в мягких условиях
(t тела, атмосферное давление,
нейтральное значение pH)

• Ферменты обладают
специфичностью, т.е.
способностью катализировать
строго определенные реакции, в
которые вовлечены только
субстраты, взаимодействующие
с активным центром данного
фермента

63. Виды специфичности

• Групповая (относительная) –
когда фермент действует на
группу субстратов или на один
вид связи.
Например, пепсин действует
только на пептидную связь в
различных белках.

66. Выделяют:

67. Например:

• Стереоспецифичность
к одному из геометрических
стереоизомеров:
- к цис-транс-изомерам
- к α- и β-гликозидным связям
(например, фермент амилаза
действует только на α-гликозидные
связи).

69. Пример стереоспецифичности к транс-изомеру

70. Различают две основные теории специфичности ферментов:

71. 1-ая теория предложена Э. Фишером

73. 2-ую теорию предложил Кошленд

Энзимология – раздел биохимии, изучающий строение, функционирование и регуляцию активности ферментов.

Энзимология (энзим + греч. logos учение, наука) – одна из основных областей современной биохимии. Предметом изучения энзимологии являются ферменты. Эта наука занимается описанием их свойств и структуры, а также анализом механизма катализа. Кроме того, предметом энзимологии является изучение механизмов регуляции активности ферментов, которые играют ключевую роль в жизнедеятельности клеток всех типов.

Содержание

↑Задачи и основные направления энзимологии

Основной задачей энзимологии является описание ферментов и связанных с ними процессов. Ферменты – очень обширная группа белков и нуклеиновых кислот (РНК), катализирующих самые различные биохимические реакции.

Можно выделить следующие направления энзимологии:

определение структуры ферментов и в частности структуры активного центра;
описание механизмов катализа;
изучение механизмов регуляции активности ферментов, взаимодействия их с низко- и высокомолекулярными регуляторами (активаторами и ингибиторами);
использование ферментов в различных сферах человеческой деятельности.

На сегодняшний день открыто более 2000 различных ферментов, которые разделяются на 6 классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы. Классы в свою очередь делятся на подклассы и подподклассы. Многие ферменты выделены в изолированном виде, и для них определена первичная структура (аминокислотная последовательность) и взаимное расположение аминокислотных остатков в пространстве (трехмерная/третичная структура).

Ферменты широко используются в научных исследованиях (например, в генной инженерии), биотехнологии, фармакологии, пищевой, текстильной промышленности и других областях.

↑История энзимологии

Начало изучение структуры ферментов связано с работой Джеймса Самнера, который в 1926 году закристаллизовал фермент уреазу. Это однозначно доказало, что ферментативной активностью обладают именно белки. Долгое время считалось, что ферментами могут быть исключительно белки. Однако в 1980-е годы Томас Чек обнаружил ферментативную активность у молекул рибонуклеиновых кислот (РНК).

Значительный шаг в изучении структуры ферментов был сделан с разработкой методов рентгеноструктурного анализа. К настоящему времени с помощью этого метода, а также метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР) определены трехмерные структуры множества ферментов, как в свободном виде, так и в комплексе с субстратами. Это позволило не только однозначно определить аминокислотные остатки, участвующие в катализе, и механизм действия ферментов, но и проводить направленный мутагенез (с помощью генно-инженерных методов) с целью повышения эффективности работы ферментов.

↑Методы энзимологии

Методы, используемые в энзимологии можно подразделить на три группы: первые относятся к выделению ферментов в чистом виде, вторые связаны с изучением механизмов катализа и кинетики ферментативных реакций, а третьи – с изучением структуры ферментов.

В первой группе стоит отметить такие широко распространенные методы, как фракционирование солями или органическими растворителями и хроматография. Современные методы позволяют достигать практически 100% степени очистки белков.

В настоящее время многие ферменты получают в большом количестве, синтезируя их с помощью методов генетической инженерии (рекомбинантные белки) в специальных штаммах бактерий или эукариотических клеточных культурах, однако в отдельных случаях данные подходы оказываются неприемлемыми.

Изучение кинетики ферментативных реакций позволяет предложить математические модели, позволяющие описать механизм катализа, анализировать влияние активаторов или ингибиторов фермента, искать новые вещества, влияющие на активность ферментов. Исследование кинетики реакции (и активности ферментов) можно проводить двумя способами: либо следить за убылью субстрата/прибылью продукта, останавливая реакцию через определенные промежутки времени, либо непрерывно наблюдать за одним из этих параметров. Для проведения подобных измерений используются манометрический, вискозиметрический, поляриметрический методы, методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), методы с применением радиоактивных изотопов. Однако, несомненно, наиболее широко распространенными являются спектроскопические методы исследования (спектрофотометрия, спектрофлорометрия и др.).

Основным методом изучения структуры ферментов является рентгеноструктурный анализ, позволяющий определить трехмерное расположение аминокислотных остатков в молекуле белка (третичную структуру). На основе кристаллографических структур ферментов в изолированном виде, в виде фермент-субстратного комплекса, и в комплексе с конечным продуктом реакции исследователи могут с большой степенью вероятности описать все процессы, которые происходят в процессе ферментативного катализа. Кроме того, совмещая рентгеноструктурный анализ с методом точечного мутагенеза (замены одних аминокислотных остатков на другие) можно направленно изменять свойства ферментов, например, увеличивать их активность или изменять специфичность. Кроме рентгеноструктурного анализа при исследовании структуры ферментов используются методы кругового дихроизма, ЯМР, ЭПР, масс-спектроскопии и другие.

Содержание

Введение
История изучения
Заключение
Список литературы

Вложенные файлы: 1 файл

Ферменты.doc

Министерство здравоохранения Республики Беларусь

УО “Витебский государственный ордена Дружбы народов

Реферат на тему:

Подготовила: студентка 5 группы 2 курса

Проверил: Яцкевич В.В.

Изучение ферментов представляет особый интерес, так как эта область знания находится на стыке биологических и физических наук. С одной стороны, ферменты имеют исключительное значение в биологии. Жизнь зависит от сложной совокупности химических реакций, осуществляемых специфическими ферментами, и любое изменение действия ферментов может повлечь за собой серьезные последствия для живого организма. С другой стороны, ферменты как катализаторы все больше и больше привлекают внимание физикохимиков. Изучение механизма действия ферментов представляет собой одну из самых увлекательных областей современного научного исследования.

В настоящее время наука о ферментах — энзимология — превратилась в обширную бурно развивающуюся отрасль знания с многочисленными ответвлениями, тесно связанную со многими науками, особенно с биохимией и молекулярной биологией, физической химией, бактериологией и микробиологией, генетикой, ботаникой и сельским хозяйством, фармакологией и токсикологией, физиологией, медициной и химической технологией. Кроме того, она имеет важное практическое значение. Многие исследователи в различных странах сосредоточивают свои усилия на решении проблем энзимологии; созданы специальные институты для изучения ферментов. Все большее число журналов печатает статьи по энзимологии, и литература по различным разделам этой ветви науки в настоящее время очень обширна.

Науку составляет не только достигнутый результат, но и путь ведущий к результату,-результату путь от незнания к знанию, медленный, извилистый, скачкообразный, в каждой области зависящий от достижений смежных наук и общего развития мировоззрения. Ещё в незапамятные времена, на заре возникновения цивилизации, люди в своей практической деятельности сталкивались с различными ферментативными процессами и использовали их для своих целей. Это спиртовое и молочнокислое брожение, применение сычуга для приготовления сыров, солода и плесневых грибов, для осахаривания продуктов.

Вероятно, первым, кто попытался создать общее представление о химических процессах в живом организме, был врач и ученый Парацельс, родившийся в Швейцарии в конце XV века. Несмотря на наивность (с совершенной точки зрения), взгляды Парацельса во многом были прогрессивными, так как для понимания жизненных явлений он пытался привлечь реальные силы природы. Именно с этих позиций Парацельс и его последователи подошли к рассмотрению сущности ферментации, давно известного понятия обозначавшего разного рода брожения, главным образом спиртовое и молочнокислое.

В XVI и начале XVII века уже делались попытки рассматривать ферментации как химические процессы. И Василий Валентин (первая половина XVI века), и Андрей Либавий (1550-1616 годы) считали ферменты или дрожжи) особым веществом, хотя и подчиняли его действия неким не материальным силам. Другим последователем Парацельса был знаменитый голландский химик Иоганн Баптиста Ван Гельмонт (577-1644 годы). Именно он охарактеризовал фермент как агент, вызывающий химические процессы в организме и управляющий ими. Качественный скачок в развитии учения о произошёл в связи с исследованиями великого французского химика Антуана Лавуазье, совершившего переворот в химии и впервые внедрившего в химические исследования строгие количественные методы.

К концу XVIII века уже было известно, что встречаются химические процессы, протекающие с участием какого-то агента, без которого процесс практически не идёт. Уже был известен феномен химического катализа, означающий, что многие реакции in vitro протекают быстро и энергично в присутствии ничтожных количеств примесей, как будто не участвующих в реакции.(В 1837 г. Берцелиус сравнил ферменты с неорганическими катализаторами). В начале XIX века было открыто немало химических реакций, среди них были и некоторые ферментативные реакции Наибольшее внимание исследователей привлекали процессы окисления в организме. Работы Реомюра и Спалланцани о растворяющем влиянии желудочного сока хищных птиц на мясо показали, что растворение мяса есть химический, а не механический процесс. Первые успехи были достигнуты при изучении превращения крахмала в сахар. Решающая роль в этих исследованиях принадлежит работам петербургского академика К. С. Кирхгофа, которые открыли новую страницу в истории и химия ферментов Кирхгофом показал, что не только проросшие зерна ячменя, но и экстракты из солода способны осахаривать крахмал с превращением его в мальтозу. Вещество, извлекаемое из проросшего ячменя и обладающее способностью превращать крахмал в мальтозу, получило название амилазы. Позднее, в 1837г., Паен и Персо выделили это активное начало из экстракта солода в виде порошка и доказали его термолабильность, дали ему название дистаза за его способность отделять растворимый декстрин от нерастворимой оболочки крахмальных зерен. Название “дистаза” впоследствии было распространено на все ферменты как общее наименование (во французкой технической литературе оно сохранилось в указанном смысле до настоящего времени). В 1898 Дюкло предложил последние три буквы видового названия “дистаза” (суффикс “аза”) прибавлять к корню названия того вещества, на которое данный фермент действует. Этот принцип был положен в основу применяемой ныне номенклатуры, однако название пищеварительных ферментов, заканчивающиеся на “ин” сохранились. Поскольку число ферментов продолжает увеличиваться, в названии стали указывать тип катализируемой им реакции.

Сразу же после открытия ферментов многие исследователи обратили внимание на сходство между их действием и действием дрожжей при брожении. Так появился термин “фермент”. Во второй половине XIX в. разгорелся большой спор между Либихом, придерживавшегося того взгляда, что брожение и сходные процессы обусловлены действием химических веществ, и Пастером, утверждавшим, что брожение неотделимо от жизнедеятельности клеток. Отсюда возникло разделение ферментов на “организованные” и “неорганизованные”, т.е. на экстрагируемые ферменты и ферменты, функционирующие в живой клетке. Для того, чтобы избежать этих неудобных наименований, Кюне в 1878г. ввел в употребление термин “энзим”.

К концу XIXв. благодаря успехам в изучении структуры органических веществ, представляющих биологический интерес, стало возможным изучение пределов действия стало возможным изучение пределов действия ферментов, или их так называемой специфичности. Развитием представления о специфичности ферментов и близком стерическом соответствии между ферментом и субстратом мы обязаны Эмилю Фишеру. На основании своих наблюдений над субстратами известной структуры в 1894г Фишер выдвинул свое знаменитое положение о том, что субстрат подходит к ферменту так, как ключ подходит к замку. получившее название гипотезы “ключа и замка”(в 1958г. Дениел Кошланд предложил модификацию данной гипотезы). Изучение специфичности составляет в настоящее время очень важный раздел учения о ферментах, т.к. вследствие определенного соответствия между ферментом и субстратом фермент может действовать только на очень ограниченный ряд субстратов, и это является причиной существования множества различных ферментов. Надежное изучение специфичности ферментов, разумеется, невозможно без выделения индивидуальных ферментов в чистом виде.

Продолжали открывать новые ферменты. Юстус Либих (был одним из наиболее крупных авторитетов среди химиков XIX века) и Ф. Велер открыли агент, расщепляющий амигдалин, содержащийся в эфирном масле горького миндаля. Этот агент был назван эмульсином. В 1836 году Т.Шванн впервые обнаружил в желудочном соке фермент животного происхождения, названный им пепсином. Несколько позже, в 1857 году, А.Корвизар описал другой фермент, переваривающий белки - трипсин. В XIX веке (1897 год) Э.Бухнер убедительно доказал химическую природу ферментов. В 1907 году - Э.Бухнер был удостоен Нобелевской премии по химии.

В начале XXв. выдающийся русский физиолог И.П.Павлов, работая с ферментами пищеварения, впервые доказал, что ферменты могут существовать в живом организме в неактивной форме – в виде проферментов. Он показал превращение профермента трипсиногена в активный фермент трипсин с помощью энтерокиназы. Павлов предложил новые методы определения активности ферментов. Михаэлис и Ментен в 1913г. разработали теорию механизма действия ферментов и кинетику ферментативных реакций. В 1926г. Самнер впервые получил фермент в кристаллическом виде и установил его белковую природу. Виланд и Пфлейдерер в 1957г. доказали существование ферментов в виде молекулярных форм – изоферментов. Филлипс в 1960г. впервые расшифровал трехмерную структуру фермента лизоцима с помощью рентгеноструктурного анализа.

До 1920 г. сколько-нибудь серьезных работ по получению ферментов в чистом виде не было. Большинство ранних экспериментов такого рода проведены Вильштеттером и его сотрудниками между 1922 и 1928 гг. Несколько работ были выполнены в течение того же периода и другими исследователями (в качестве примера можно привести опыты Диксона и Кодама по очистке ксантиноксидазы, но ни в одном из этих случаев не удалось достичь полной очистки. Следующим важным шагом было получение ферментов в кристаллическом виде. Первым ферментом, полученным в кристаллическом виде, оказалась уреаза, кристаллы которой получил Самнер в 1926 г. Однако эти первые кристаллы были далеко не чистыми. За этой работой вскоре последовала серия классических работ Нортропа и его сотрудников по выделению в кристаллическом виде протеолитических ферментов. И хотя еще 35 лет назад число полученных в чистом виде ферментов было очень мало, в наше время число ферментов, полученных в чистом и кристаллическом виде, уже превышает 200, а число ферментов, очищенных до той или иной степени, превышает 1500.

Основное внимание в ранний период развития энзимологии было сосредоточено на изучении ферментов пищеварения и брожения; лишь значительно позднее была осознана важная роль внутриклеточных ферментов. Фактически серьезных работ по очистке внутриклеточных ферментов не было до 1937 г., несмотря на то, что в естественных условиях вне живых клеток встречается сравнительно мало ферментов. Однако с 1937 г. положение кардинально изменилось, и то громадное число ферментов, которые известны в настоящее время, обусловлено главным образом открытием новых внутриклеточных ферментов. Огромная информация, полученная при изучении этих ферментов, привела в свою очередь к значительно более глубокому пониманию механизма многих фундаментальных жизненных процессов, особенно лежащих в основе жизни процессов метаболизма, связанных с накоплением и использованием энергии. Наши знания о таких процессах, как фотосинтез, дыхание, биологическое окисление, брожение, синтез множества необходимых для роста органических веществ, выполнение механической или осмотической работы, значительно пополнились благодаря выделению и изучению ферментов, ответственных за эти процессы.

Наиболее фундаментальной проблемой энзимологии является установление механизма действия ферментов, выяснение вопроса о том, каким образом химическое строение ферментов обеспечивает их исключительно высокую и специфическую каталитическую активность. До сравнительно недавнего времени детальные данные о химическом строении ферментов отсутствовали и изучать указанную проблему можно было только непрямыми методами. Так, например, в результате исследования кинетики действия ферментов (это направление получило значительное развитие после классических исследований Брауна, Анри и Михаэлиса, опубликованных в начале века) оказалось возможным во многих случаях выявить последовательные стадии ферментативных реакций и высказать предположения относительно механизма действия ферментов. Другие методы (в первую очередь изотопные) внесли значительный вклад в наши представления о механизме действия ферментов.

Важная информация о природе участвующих в катализе химических групп молекулы фермента была получена как при исследовании уникальной специфичности ферментов, которая не свойственна другим катализаторам так и при изучении действия ингибиторов и реагентов, атакующих определенные химические группы.

Именно возможность получения ферментов в чистом виде привела к успешному развитию структурной энзимологии в последнее время. Исследование чистых ферментов с помощью специальных химических методов (в которых сами чистые ферменты используются в качестве инструментов) позволило определить полные последовательности аминокислот в полипептидных цепях молекул многих ферментов. Далее, с помощью метода рентгеноструктурного анализа была установлена детальная трехмерная структура молекул некоторых ферментов, полученных в кристаллическом состоянии. Была определена конформация пептидных цепей, расположение различных групп, образующих субстратсвязывающий участок, и характер взаимодействия последнего с молекулой субстрата. Естественно, что эти новые данные явились значительным вкладом в понимание механизма катализа. Располагая данными о полной структуре относительно простого фермента, оказалось даже возможным чисто химическими методами синтезировать в лаборатории каталитически активный фермент. Эти структурные исследования, которые из-за технических трудностей возможны пока только с немногими ферментами.

Ферме́нты или энзи́мы (от лат. fermentum , греч. ζύμη , ἔνζυμον — дрожжи, закваска) — обычно белковые молекулы или молекулы РНК или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах. Реагенты в реакции, катализируемой ферментами называются субстратами, а получающиеся вещества - продуктами. Ферменты специфичны к субстратам (АТФаза катализирует расщепление только АТФ, а киназа фосфорилазы фосфорилирует только фосфорилазу) Ферментативная активность может регулироваться активаторами и ингибиторами (активаторы - повышают, ингибиторы - понижают) Белковые ферменты синтезируются на рибосомах, а РНК - в ядре.

Содержание

История изучения

Термин фермент предложен в XVII веке химиком ван Гельмонтом при обсуждении механизмов пищеварения.

В кон. ХVIII — нач. XIX вв. уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком, а крахмал превращается в сахар под действием слюны. Однако механизм этих явлений был неизвестен [1]

В XIX в. Луи Пастер, изучая превращение углеводов в этиловый спирт под действием дрожжей, пришел к выводу, что этот процесс (брожение) катализируется некой жизненной силой, находящейся в дрожжевых клетках.

Функции ферментов

Ферменты — белки, являющиеся биологическими катализаторами. Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ (субстратов) в другие (продукты). Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех биохимических реакциях, протекающих в живых организмах — ими катализируется около 4000 биореакций [2] . Ферменты играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ организма.

Подобно всем катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону. Отличительной особенностью ферментов по сравнению с небелковыми катализаторами является их высокая специфичность — константа связывания некоторых субстратов с белком может достигать 10 −10 моль/л и менее. См. также Каталитически совершенный фермент

Ферменты широко используются в народном хозяйстве — пищевой, текстильной промышленности, в фармакологии.

Классификация ферментов

По типу катализируемых реакций ферменты подразделяются на 6 классов согласно иерархической классификации ферментов (КФ, EC — Enzyme Comission code). Классификация была предложена Международным союзом биохимии и молекулярной биологии (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Каждый класс содержит подклассы, так что фермент описывается совокупностью четырёх чисел, разделённых точками. Например, пепсин имеет название ЕС 3.4.23.1. Первое число грубо описывает механизм реакции, катализируемой ферментом:

КФ 1: Оксидоредуктазы, катализирующие окисление или восстановление. Пример: каталаза, алкогольдегидрогеназа
КФ 2: Трансферазы, катализирующие перенос химических групп с одной молекулы субстрата на другую. Среди трансфераз особо выделяют киназы, переносящие фосфатную группу, как правило, с молекулы АТФ.
КФ 3: Гидролазы, катализирующие гидролиз химических связей. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипаза
КФ 4: Лиазы, катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов.
КФ 5: Изомеразы, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата.
КФ 6: Лигазы, катализирующие образование химических связей между субстратами за счет гидролиза АТФ. Пример: ДНК-полимераза

Будучи катализаторами, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакции, поэтому, например, лиазы способны катализировать и обратную реакцию — присоединение по двойным связям.

Соглашения о наименовании ферментов

Обычно ферменты именуют по типу катализируемой реакции, добавляя суффикс -аза к названию субстрата (например, лактаза — фермент, участвующий в превращении лактозы). Таким образом, у различных ферментов, выполняющих одну функцию, будет одинаковое название. Такие ферменты различают по другим свойствам, например, по оптимальному pH (щелочная фосфатаза) или локализации в клетке (мембранная АТФаза).

Кинетические исследования

Кривая насыщения химической реакции, иллюстрирующая соотношение между концентрацией субстрата [S] и скоростью реакции v

Структура и механизм действия ферментов

Активность ферментов определяется их трёхмерной структурой [3] .

Как и все белки, ферменты синтезируются в виде линейной цепочки аминокислот, которая сворачивается определённым образом. Каждая последовательность аминокислот сворачивается особым образом, и получающаяся молекула (белковая глобула) обладает уникальными свойствами. Несколько белковых цепей могут объединяться в белковый комплекс. Третичная структура белков разрушается при нагревании или воздействии некоторых химических веществ.

Чтобы катализировать реакцию, фермент должен связаться с одним или несколькими субстратами. Белковая цепь фермента сворачивается таким образом, что на поверхности глобулы образуется щель, или впадина, где связываются субстраты. Эта область называется сайтом связывания субстрата. Обычно он совпадает с активным центром фермента или находится вблизи него. Некоторые ферменты содержат также сайты связывания кофакторов или ионов металлов.

У некоторых ферментов есть сайты связывания малых молекул, они могут быть субстратами или продуктами метаболического пути, в который входит фермент. Они уменьшают или увеличивают активность фермента, что создает возможность для обратной связи.

Для активных центров некоторых ферментов характерно явление кооперативности.

Специфичность

Ферменты обычно проявляют высокую специфичность по отношению к своим субстратам. Это достигается частичной комплементарностью формы, распределения зарядов и гидрофобных областей на молекуле субстрата и в центре связывания субстрата на ферменте. Ферменты демонстрируют высокий уровень стереоспецифичности, региоселективности и хемоселективности.

Более реалистичная ситуация в случае индуцированного соответствия. Неправильные субстраты — слишком большие или слишком маленькие — не подходят к активному центру

Модель индуцированного соответствия

Модификации

Многие ферменты после синтеза белковой цепи претерпевают модификации, без которых фермент не проявляет свою активность в полной мере. Такие модификации называются посттрансляционными модификациями (процессингом). Один из самых распространенных типов модификации — присоединение химических групп к боковым остаткам полипептидной цепи. Например, присоединение остатка фосфорной кислоты называется фосфорилированием, оно катализируется ферментом киназой. Многие ферменты эукариот гликозилированы, то есть модифицированы олигомерами углеводной природы.

Кофакторы ферментов

Некоторые ферменты выполняют каталитическую функцию сами по себе, безо всяких дополнительных компонентов. Однако есть ферменты, которым для осуществления катализа необходимы компоненты небелковой природы. Кофакторы могут быть как неорганическими молекулами (ионы металлов, железо-серные кластеры и др.), так и органическими (например, флавин или гем). Органические кофакторы, прочно связанные с ферментом, называют также простетическими группами. Кофакторы органической природы, способные отделяться от фермента, называют коферментами.

Фермент, который требует наличия кофактора для проявления каталитической активности, но не связан с ним, называется апо-фермент. Апо-фермент в комплексе с кофактором носит название холо-фермента. Большинство кофакторов связано с ферментом нековалентными, но довольно прочными взаимодействиями. Есть и такие простетические группы, которые связаны с ферментом ковалентно, например, тиаминпирофосфат в пируватдегидрогеназе.

Читайте также: