Ферменты: строение, механизм действия, классификация и номенклатура
Как самостоятельная наука биохимия сформировалась примерно 100 лет назад, чему способствовало бурное развитие органической химии. Однако биохимические процессы люди использовали ещё в глубокой древности, не подозревая, разумеется, об их истинной сущности. В самые отдалённые времена уже была известна технология таких основанных на биохимических процессах производств, как хлебопечение, сыроварение, виноделие, выделка кож. Необходимость борьбы с болезнями заставляла задумываться о превращениях веществ в организме, искать объяснения целебным свойствам лекарственных растений. Использование растений в пищу, для изготовления красок и тканей также приводило к попыткам понять свойства веществ растительного происхождения. Древние мыслители рассуждали о том какую роль играют воздух и пища в жизнеобеспечении живых существ, о том что вызывает процесс брожения.
Изучение химии жизни уже в 1827 г. привело к принятому до сих пор разделению биологических молекул на белки, жиры и углеводы. Автором этой классификации был английский химик и врач Уильям Праут.
Новый толчок развитию биологической химии дали работы по изучению брожения, инициированные Луи Пастером. В 1897 г. Эдуард Бухнер доказал, что ферментация сахара может происходить в присутствии бесклеточного дрожжевого экстракта, и это процесс не столько биологический, сколько химический. На рубеже XIX и XX веков работал немецкий биохимик Э. Фишер. Он сформулировал основные положения пептидной теории строения белков, установил структуру и свойства почти всех входящих в их состав аминокислот. Но лишь в 1926 г. Джеймсу Самнеру удалось получить первый чистый фермент, уреазу, и доказать, что фермент — это белок.
Целью данной работы является описать структуру и свойства ферментов как биологических полимеров, обозначить основные направления использования ферментов.
Задачи данной работы:
-Показать структуру ферментов.
-Определить механизм действия, классификацию и номенклатуру ферментов.
Ферменты имеют белковую природу
Давно выяснено, что все ферменты являются белками и обладают всеми свойствами белков. Поэтому, подобно белкам, ферменты делятся на простые и сложные.
Простые ферменты состоят только из аминокислот – например, пепсин , трипсин, лизоцим.
Сложные ферменты (холоферменты) имеют в своем составе белковую часть, состоящую из аминокислот – апофермент, и небелковую часть – кофактор. Примером сложных ферментов являются сукцинатдегидрогеназа (содержит ФАД), аминотрансферазы (содержат пиридоксальфосфат), различные пероксидазы (содержат гем), лактатдегидрогеназа (содержит Zn2+), амилаза (содержит Ca2+).
Кофактор, в свою очередь, может называться коферментом (НАД+, НАДФ+, ФМН, ФАД, биотин) или простетической группой (гем, олигосахариды, ионы металлов Fe2+, Mg2+, Ca2+, Zn2+).
Деление на коферменты и простетические группы не всегда однозначно:
• если связь кофактора с белком прочная, то в этом случае говорят о наличии простетической группы,
• но если в качестве кофактора выступает производное витамина – то его называют коферментом, независимо от прочности связи.
Для осуществления катализа необходим полноценный комплекс апобелка и кофактора, по отдельности катализ они осуществить не могут. Кофактор входит в состав активного центра, участвует в связывании субстрата или в его превращении.
Как многие белки, ферменты могут быть мономерами, т.е. состоять из одной субъединицы, и полимерами, состоящими из нескольких субъединиц.
Структурно-функциональная организация ферментов
В составе фермента выделяют области, выполняющие различную функцию:
1. Активный центр – комбинация аминокислотных остатков (обычно 12-16), обеспечивающая непосредственное связывание с молекулой субстрата и осуществляющая катализ. Аминокислотные радикалы в активном центре могут находиться в любом сочетании, при этом рядом располагаются аминокислоты, значительно удаленные друг от друга в линейной цепи. В активном центре выделяют два участка:
якорный (контактный, связывающий) – отвечает за связывание и ориентацию субстрата в активном центре,
каталитический – непосредственно отвечает за осуществление реакции.
Рисунок 1 Схема строения ферментов
У ферментов, имеющих в своем составе несколько мономеров, может быть несколько активных центров по числу субъединиц. Также две и более субъединицы могут формировать один активный центр.
У сложных ферментов в активном центре обязательно расположены функциональные группы кофактора. Например, в реакции превращения пировиноградной кислоты (пируват) в молочную кислоту (лактат) сначала к апоферменту лактатдегидрогеназы присоединяется НАД, формируется активный центр, и только потом входит пируват.
Рисунок 2. Схема формирования сложного фермента
2. Аллостерический центр (allos – чужой) – центр регуляции активности фермента, который пространственно отделен от активного центра и имеется не у всех ферментов. Связывание с аллостерическим центром какой-либо молекулы, называемой активатором или ингибитором (или эффектором, модулятором, регулятором), вызывает изменение конфигурации белка-фермента и, как следствие, скорости ферментативной реакции.
Аллостерические ферменты являются полимерными белками, активный и регуляторный центры находятся в разных субъединицах.
Рисунок 3. Схема строения аллостерического фермента
В качестве такого регулятора может выступать продукт данной или одной из последующих реакций, субстрат реакции или иное вещество (см "Регуляция активности ферментов").
Изоферменты
Изоферменты – это молекулярные формы одного и того же фермента, возникшие в результате небольших генетических различий в первичной структуре фермента, но катализирующие одну и ту же реакцию. Изоферменты отличаются сродством к субстрату, максимальной скоростью катализируемой реакции, чувствительностью к ингибиторам и активаторам, условиями работы (оптимум pH и температуры).
Как правило, изоферменты имеют четвертичную структуру, т.е. состоят из двух или более субъединиц. Например, димерный фермент креатинкиназа (роль КК) представлен тремя изоферментными формами, составленными из двух типов субъединиц: M (англ. muscle – мышца) и B (англ. brain – мозг). Креатинкиназа-1 (КК-1) состоит из субъединиц типа B и локализуется в головном мозге, креатинкиназа-2 (КК-2) – по одной М- и В-субъединице, наиболее активна в миокарде, креатинкиназа-3 (КК-3) содержит две М-субъединицы, специфична для скелетной мышцы. Определение активности разных изоферментов КК в сыворотке крови имеет клинико-диагностическое значение.
Необходимо понимать, что хотя в головном мозге активность креатинкиназы ВВ составляет все 100%, ее высокая активность обнаружена также в стенке желудка и почках. В скелетных мышцах имеется только креатинкиназа ММ (100%), но довольно высока ее активность также в печени и в сердце. Креатинкиназа МВ в сердце составляет лишь 22% от общей креатинкиназной активности, в большем количестве здесь имеется КК ММ, но зато в других тканях креатинкиназы МВ практически нет.
| Рисунок 4. Изоферменты креатинкиназы |
|
Рисунок 5. Изоферменты лактатдегидрогеназы |
Также существует пять изоферментов лактатдегидрогеназы (роль ЛДГ) – фермента, участвующего в обмене глюкозы. Отличия между ними заключаются в разном соотношении субъединиц Н (англ. heart – сердце) и М (англ. muscle – мышца). Лактатдегидрогеназы типов 1 (Н4) и 2 (H3M1) присутствуют в тканях с аэробным обменом (миокард, мозг, корковый слой почек), обладают высоким сродством к молочной кислоте (лактату) и превращают его в пируват. Изоферменты ЛДГ-4 (H1M3) и ЛДГ-5 (М4) находятся в тканях, склонных к анаэробному обмену (печень, скелетные мышцы, кожа, мозговой слой почек), обладают низким сродством к лактату и катализируют превращение пирувата в лактат. В тканях с промежуточным типом обмена (селезенка, поджелудочная железа, надпочечники, лимфатические узлы) преобладает ЛДГ-3 (H2M2). Определение активности разных изоферментов ЛДГ в сыворотке крови имеет клинико-диагностическое значение.
Еще одним примером изоферментов является группа гексокиназ, которые присоединяют фосфатную группу к моносахаридам гексозам и вовлекают их в реакции клеточного метаболизма. Из четырех изоферментов выделяется гексокиназа IV (глюкокиназа), которая отличается от остальных изоферментов высокой специфичностью к глюкозе, низким сродством к ней и нечувствительностью к ингибированию продуктом реакции.
Мультиферментные комплексы
В мультиферментном комплексе несколько ферментов прочно связаны между собой в единый комплекс и осуществляют ряд последовательных реакций, в которых продукт реакции непосредственно передается на следующий фермент и является только его субстратом. Возникает туннельный эффект, т.е. субстрат попадает в созданный ферментами "туннель". В результате промежуточные метаболиты избегают контакта с окружающей средой, снижается время их перехода к следующему активному центру и значительно ускоряется скорость реакции.
Рисунок 5. Строение мульферментного комплекса
Например,
пируватдегидрогеназный комплекс (пируватдегидрогеназа), превращающий пируват в ацетил-SКоА,
α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс (в цикле трикарбоновых кислот) превращающий α-кетоглутарат в сукцинил-SКоА,
комплекс под названием "синтаза жирных кислот" (или пальмитатсинтаза), синтезирующий пальмитиновую кислоту
карбамоилфосфатсинтетаза, первый фермент синтеза мочевины в печени и синтеза пиримидиновых оснований
Абзимы
Абзимами называются антитела, имеющие каталитическую функцию (англ. abzymes, antibodies as enzymes) и катализирующие конкретные реакции. Такая способность возникает в результате формирования промежуточного продукта при связывании антитела с антигеном (имитация переходного комплекса E-X ферментативной реакции).
При взаимодействии фермента с субстратом можно выделить три стадии:
• присоединение субстрата к макромолекуле фермента;
• непосредственно ферментативная реакция;
• отделение продуктов превращения субстрата от фермента.
Первая стадия — самая быстрая — является лимитирующей стадией каталитического процесса в целом. Скорость ее протекания зависит от структур фермента и субстрата, природы среды, в которой осуществляется ферментативная реакция, pH и температуры. Ферменты характеризуются специфичностью по отношению к субстратам и высокой энергией связывания с ними. Эта энергия частично используется для деформации субстрата и снижения энергии активации последующей химической реакции.
Взаимодействию фермента с субстратом предшествует сближение и ориентация субстрата по отношению к активному центру фермента. Затем образуются фермент-субстратные комплексы, реальное существование которых может быть зафиксировано различными способами. Наиболее наглядным и эффективным является метод рентгеноструктурного анализа. В качестве примера можно привести идентификацию фермент-субстратного комплекса карбокси- пептидазы А и ее субстрата глицил-Ь-тирозина. Метод дает возможность не только установить сам факт образования комплекса, но и определить типы связей. Более простым, нодостагочно эффективным методом является спектральный анализ фермента и соответствующего фермент-субстратного комплекса. Таким образом, были, в частности, идентифицированы фермент-субстратные комплексы для ряда флавиновых ферментов. В последние годы широкое распространение получило применение синтетических субстратов, благодаря которым можно моделировать ряд стадий ферментативного процесса, в том числе и связанных с образованием фермент-субстратного комплекса.
Взаимодействие фермента с субстратом вызывает локальное конформа- ционное изменение некоторых сайтов белковой макромолекулы фермента, в результате чего комплементарность его активного центра к субстрату резко повышается и обеспечивает возможность осуществления каталитического процесса. Изменение конформации фермента под действием субстрата было впервые показано Д. Кошландом и носит название индуцированное соответствие.
Каждый фермент имеет 2 названия. Первое - короткое, так называемое рабочее, удобное для повседневного использования. Второе (более полное) - систематическое, применяемое для однозначной идентификации фермента.
А. Рабочее название
В названии большинства ферментов содержится суффикс "аза", присоединённый к названию субстрата реакции, например уреаза, сахараза, липаза, нуклеаза или к названию химического превращения определённого субстрата, например лактатдегидрогеназа, аденилатциклаза, фосфо-глюкомутаза, пируваткарбоксилаза. Согласно российской классификации ферментов (КФ), названия ферментов пишутся слитно. Однако в употреблении сохранился ряд тривиальных, исторически закреплённых названий ферментов, которые не дают представления ни о субстрате, ни о типе химического превращения, например трипсин, пепсин, ренин, тромбин.
Б. Классы ферментов
1. Оксидоредукпшзы
Катализируют различные окислительно-восстановительные реакции с участием 2 субстратов (перенос е- или атомов водорода с одного субстрата на другой).
Систематическое наименование ферментов составляют по формуле "донор: акцептороксидоредуктаза", рабочее - субстрат-подкласс оксидоредуктаз.
Дегидрогеназы. В этот подкласс входят ферменты, катализирующие реакции дегидрирования (отщепления водорода). В качестве акцепторов электронов используются коферменты NAD+, NADP+, FAD, FMN (см. ниже). Все ферменты этой группы обладают высокой субстратной специфичностью. Пример реакции:
Оксидазы. Акцептором электрона служит молекулярный кислород. Пример реакции, катализируемой цитохромоксидазой:
Оксигеназы (гидроксилазы) - атом кислорода из молекулы кислорода присоединяется к субстрату. Пример реакции:
2.Трансферты
Катализируют перенос функциональных групп от одного соединения к другому. Подразделяют в зависимости от переносимой группы.
Название этих ферментов составляют по формуле "донор: ацетрофэкспортируемая группатрансфераза". К классу трансфераз относят аминотрансферазы, ацилтрансферазы, метилтранс-феразы, гликозилтрансферазы, киназы (фосфо-трансферазы). Примеры реакций
3.Гидролазы
Катализируют реакции гидролиза (расщепления ковалентной связи с присоединением молекулы воды по месту разрыва). Подразделяют в зависимости от расщепляемой связи.
Наименование ферментов составляют по формуле "субстрат-гидролаза" или прямым присоединением к названию субстрата суффикса "аза", например протеаза, липаза, фосфолипаза, рибо-нуклеаза. Пример реакции (см. схему Б).
Для отдельных классов гидролаз применимы специальные термины, характеризующие гидролиз определённой химической связи: эстеразы, фосфатазы и др.
4. Лиазы
К лиазам относят ферменты, отщепляющие от субстратов негидролитическим путём определённую группу (при этом могут отщепляться СО2, Н2О, NH2,SН2и др.) или присоединяющие чаще всего молекулу воды по двойной связи.
Наименование ферментов составляют по формуле "субстрат-отщепляемая или присоединяемая группировка". Примеры реакций.
5. Изомеразы
Катализируют различные внутримолекулярные превращения. Подразделяют в зависимости от типа реакции изомеризации.
Как общее название ферментов этого класса применяют термин "изомеразы"
Изомеразы могут катализировать внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции, осуществляя взаимопревращения альдоз и кетоз, кетонных и енольных групп, перемещения двойных связей внутри молекулы .
Когда изомеризация состоит во внутримолекулярном переносе группы, фермент называют "мутазой»
6. Лигазы (синтетазы)
Катализируют реакции присоединения друг к другу двух молекул с образованием ковалент-ной связи. Этот процесс сопряжён с разрывом фосфоэфирной связи в молекуле АТФ (или других нуклеозидтрифосфатов) или с разрывом макроэргических связей других соединений. В первом случае (при использовании энергии гидролиза АТФ) такие ферменты называют ли-газами, или синтетазами (см. схему Г).
В случае, когда источником энергии служит любое другое макроэргическое соединение (не АТФ), ферменты называют синтазами.
В. Систематическое название
В соответствии с классификацией каждый фермент получил систематическое название, однозначно характеризующее катализируемую им химическую реакцию. Например, D-глицеральдегид-3-фосфат: NAD-оксидоредуктаза (рабочее название - глицеральдегидфосфат дегидрогеназа). Из названия фермента следует, что субстратом этого фермента служит D-глицеральдегид-3-фосфат, тип катализируемой реакции - окислительно-восстановительная в присутствии кофермента NAD+.
В 1972 г. комиссией по номенклатуре биохимических соединений Международного союза теоретической и прикладной химии были предложены "Правила номенклатуры ферментов", имеющие кодовое четырёхзначное цифровое обозначение, где первая цифра обозначает класс фермента, вторая цифра (подкласс) уточняет преобразуемую группировку, третья (подподкласс) - уточняет дополнительных участников реакции (например, донора и акцептора) и четвёртая - порядковый номер фермента в данной подгруппе. Так, фермент малатдегидрогеназа имеет систематическое название L-малат: NAD-оксидоредуктаза и кодовый шифр 1.1.1.38. Шифр означает, что этот фермент относят к первому классу ферментов - оксидоредуктаз, окисляемая группа - гидроксильная группировка (1) в присутствии кофермента NAD+ (1) и порядковый номер фермента в этой подгруппе - 38. Кодовую номенклатуру ферментов в основном используют в научной литературе.
Ферменты (энзимы) - это специфические белки, которые выполняют в организме роль биологических катализаторов. Многие коферменты (небелковые части энзима) являются витаминами или их производными. Главное их свойство - это способность выборочно катализировать биохимические процессы при возвратности ферментативной реакции.
Ферменты очень чувствительны к температуре и кислотно-щелочной среде. В тканях человека их мало, также как и в жидкостях, в т.ч. в моче. Поэтому активность фермента оценивают по скорости специфической химической реакции, которая катализируется данным ферментом. В свою очередь, скорость химической реакции пропорциональна количеству превращаемого субстрата или количеству продукта, который образовался за единицу времени. Известно три типа изменений активности ферментов при патологии: гиперферментемия - повышение активности ферментов, гипоферментемия - снижение активности ферментов по сравнению с нормой, дисферментемия - появление в жидкостях организма нетипичных ферментов. Биохимический анализ мочи, направленный на определение ферментного спектра, ставит своей целью именно определение активности ферментов и выявления изменений активности при патологиях (болезнях) для их диагностики. При анализе ферментного спектра мочи определяют наличие и количество (ммоль/ ч•л и т.д.) таких энзимов и веществ их распада как: аланинаминопептидаза (ААП), амилаза (диастаза), аспартатаминотрансфераза (АсАТ), бета-глюкуронидаза, гамма-глутамилтранспептидаза (ГГТП), лактатдегидрогеназа (ЛДГ), лейцинаминопептидаза (ЛАП), лизоцим, холинэстераза (ХЭ), щелочная фосфатаза (ЩФ), N-ацетил-альфа-гексозаминидаза (НАГ), и их изоферменты.
Особенно эффективен энзимный анализ мочи при выявлении нефропатологий.
1. Батюшкин М.М., Повилайтете П.Е. Клиническая нефрология. - М.: Джангар, 2009. - 656 с.
2. Биссвангер Х. Практическая энзимология. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2010. - 328 с.
3. Брашнов Д.Г. Болезни почек. Профилактика, диагностика, лечение. - М.: Феникс, 2013. - 192 с.
4. В. Дж. Маршалл, С. К. Бангерт. Клиническая биохимия. - М.: Диалект, 2011. - 408 с.
5. Галимова М.Х. Ферментативная кинетика. Справочник по механизмам реакций. - М.: КомКнига, 2007. - 320 с.
6. Гамаюрова В.С., Зиновьева М.Е. Ферменты. Лабораторный практикум. - М.: Проспект науки, 2011. - 256 с.
7. Данилова Л.А. Анализы крови, мочи и других биологических жидкостей человека в различные возрастные периоды. - М.: СпецЛит, 2013. - 112 с.
8. Камикин А.Г., Киселева А.С. Физиология и молекулярная биология мембран клеток. - Academia, 2008. - 592 с.
9. Кишкун А.А. Клиническая лабораторная диагностика. Учебное пособие. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2014. - 720 с.
10. Лукашевич И.И., Савина М.И. Информативная система для оценки биохимических данных // Клиническая лабораторная диагностика. 2008. № 9. С. 37.
11. Марри Р. и др. Биохимия человека. В двух томах. Там 1. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2011. - 223с.
12. Медицинские лабораторные технологии. Руководство по клинической лабораторной диагностике. В 2 томах. Том 1. Под ред. Карпищенко А.И. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2012. - 474 с.
13. Общая и биоорганическая химия. Под ред. В.А. Попкова, Берлянда А.С. - М.: Academia, 2011. - 368 с.
14. Плакунов В.К. Основы энзимологии. - М.: Логос, 2011. - 128 с.
15. Плакунов В.К., Николаев Ю.А. Основы динамической биохимии. - М.: Логос, 2010. - 216 с.
postmaster@kursovik1.ru
RUB
UAH
USD
