Отличия:
1. Скорость ферментативных реакций выше, чем реакций, катализируемых неорганическими катализаторами.
2. Ферменты обладают высокой специфичностью к субстрату.
3. Ферменты по своей химической природе белки, катализаторы - неорганика.
4. Ферменты подвержены регуляции (есть активаторы и ингибиторы ферментов), неорганические катализаторы работают нерегулируемо.
5. Ферменты обладают конформационной лабильностью - способностью к небольшим изменениям своей структуры за счет разрыва и образования новых слабых связей.
6. Ферментативные реакции протекают только в физиологических условиях, т. к. работают внутри клеток, тканей и организма (это определенные значения температуры, давления и рН).
Общие свойства ферментов:
1. Не расходуются в процессе катализа ;
2. Имеют высокую активность по сравнению с катализаторами др. природы;
3. Обладают высокой специфичностью;
4. Лабильность (неустойчивость);
5. Ускоряют только те реакции, которые не противоречат законам термодинамики .
Общие свойства неорганических катализаторов:
1. Химическая природа - низкомолекулярные вещества;
2. В ходе реакции структура катализатора изменяется незначительно, или не изменяется вовсе;
3. Оптимум pH - сильнокислая или щелочная;
4. Увеличение скорости реакции намного меньше, чем при действии ферментов.
Специфичность - очень высокая избирательность ферментов по отношению к субстрату. Специфичность фермента объясняется совпадением пространственной конфигурации субстрата и субстратного центра. За специфичность фермента ответственен как активный центр фермента, так и вся его белковая молекула. Активный центр фермента определяет тип реакции, который может осуществить данный фермент. Различают три вида специфичности: абсолютную, относительную, стереохимическую.
Абсолютная специфичность. Такой специфичностью обладают ферменты, которые действуют только на один субстрат. Например, сахараза гидролизует только сахарозу , лактаза - лактозу, мальтаза - мальтозу, уреаза - мочевину, аргиназа - аргинин и т.д.
Относительная специфичность - это способность фермента действовать на группу субстратов с общим типом связи, т.е. относительная специфичность проявляется только по отношению к определенному типу связи в группе субстратов. Пример: липаза расщепляют сложноэфирную связь в жирах животного и растительного происхождения. Амилаза гидролизует α-гликозидную связь в крахмале, декстринах и гликогене. Алкогольдегидрогеназа окисляет спирты (метанол , этанол и др.).
Стереохимическая специфичность - это способность фермента действовать только на один стереоизомер. Например: 1) L, B-изомерия: L- амилаза слюны и сока поджелудочной железы расщепляет только L-глюкозидные связи в крахмале и не расщепляет D-глюкозидные связи клетчатки; 2) L и В-изомерия: В нашем организме превращения подвергаются только L-аминокислоты, т.к. эти превращения осуществляются ферментами L-оксидазами, способными реагировать только с L-формой аминокислот; 3) Цис-, транс-изомерия: Фумаратгидратаза может превращать только транс-изомер (фумаровую кислоту) в яблочную. Цис-изомер (малеиновая кислота) таким превращениям в нашем организме не подвергается.
Локализация ферментов зависит от их функций. Одни ферменты просто растворены в цитоплазме, другие связаны с определенными органоидами. Например, окислительно-восстановительные ферменты сосредоточены в митохондриях.
Эктоферменты - ферменты, локализующиеся в плазматической мембране и действующие снаружи от нее
Эндоферменты - функционируют внутри клетки. Они катализируют реакции биосинтеза и энергетического обмена.
Экзоферменты - выделяются клеткой в окружающую среду, за пределами клетки расщепляют крупные молекулы на более мелкие осколки и тем самым способствуют проникновению их в клетку. К ним относятся гидролитические ферменты, играющие исключительно важную роль в питании микроорганизмов.
При растворении в воде молекулы белка приобретают положительный заряд.
Как это свойство белка выразить с помощью значения рI ?
+ а. рI > 7 г. pI < 3
б. pI = 7 д. по знаку заряда нельзя судить об
в. pI< 7 интервале значения рI.
3. При растворении в воде белка, содержащего аминокислоты глутамат, аргинин, валин, молекулы белка приобрели положительный заряд. Что можно сказать о аминокислотном составе белка?
а. глутамата больше, чем аргинина + г. аргинина больше, чем глутамата
б. валина меньше, чем глутамата д. аргинина и глутамата одинаковое
в. валина больше, чем глутамата количество
4 . У белка крови альбумина значение величины рI равно 4,6. Это означает, что в водном растворе
+ а. белок заряжен отрицательно г. знак заряда может быть любой
б. белок заряжен положительно д. знак заряда определить невозможно
в. белок не имеет заряда
Сходство ферментов с неорганическими катализаторами заключается в том,
а. фермент обладает высокой специфичностью
б. скорость ферментативной реакции регулируется
+ г. в ходе катализа энергия системы остается постоянной
Отличие ферментов от неорганических катализаторов заключается в том, что
(2 ответа):
+ а. фермент обладает высокой специфичностью
+ б. скорость ферментативной реакции регулируется
в. в ходе катализа энергия химической системы изменяется
г. ферменты катализируют энергетически невозможные реакции
д. в ходе катализа направление химической реакции изменяется
7. Объясняя строение фермента, упомянули термины « кофактор и кофермент».
Следует уточнить:
+а. кофактор и кофермент находятся вне активного центра
б. только кофактор находится в активном центре
в. только кофермент находится в активном центре
г. кофактор и кофермент находятся в активном центре
д. кофермент находится вне активного центра
8. По определению: «Денатурация белка-это
а. потеря растворимости г. изменение пространственной
б. гидролиз всех пептидных связей структуры
в. частичный протеолиз +д. потеря природных свойств белка.
9. Обсуждая функции белка, применили термин «апофермент». Что имели ввиду:
а. сложный белок-фермент + г. белковую часть фермента
б. простой белок-фермент д. инактивированный белок-фермент.
в. небелковую часть фермента
10. Активный центр сложного белка-фермента включает в себя участки:
а. только каталитический г. субстратный и аллостерический
б. только субстратный д. каталитический и аллостерический
+ в. субстратный и каталитический
11. В основу понятия «специфичность» фермента положены:
а. тип реакции г. строение продукта реакции
б. строение субстрата д. тип реакции, строение субстрата
+в. тип реакции и строение субстрата и продукта реакции.
12. При изучении свойств фермента обнаружили, что он действует на субстраты одного химического класса, имеющие сходное пространственное строение. Как определить вид возможной специфичности:
а. абсолютная + г. групповая, стереоспецифичность
б. группова я (относительная) д. абсолютная, стероспецифичность
в.стереоспецифичность
13. Теория « индуцированного изменения пространственной конфигурации фермента и субстрата» в процессе их взаимодействия выдвинута ученым
+ а . Кошландом г. Ментен
б. Лоури д. Фишером
в. Михаэлисом
14. Характеризуя белок, применили термин «холофермент». Что имели ввиду: это
+ а. сложный белок-фермент г. белковую часть фермента
б. простой белок-фермент д. инактивированный белок-фермент
в. небелковую часть фермента
15. Деление ферментов на классы основано на:
а. строении субстрата г. природе кофермента
б. строении продукта реакции д. типе реакции и природе кофермента
+в. типе катализируемой реакции
16. Ферменты, содержащие в активном центре ионы железа, дезактивируются под влиянием иона цианида. Определите тип ингибирования:
а. конкурентный в. неспецифический
б. неконкурентный +г. специфический
17. Вещество «эффектор, модулятор» действует на участок фермента:
а. субстратный г. субстратный и аллостерический
б. каталитический д. субстратный и каталитический
+ в. аллостерический
Сравнение каталитического действия ферментов и неорганических катализаторов
| Сходство ферментов и неорганических катализаторов | Отличие ферментов от неорганических катализаторов |
| 1. Ускоряют только термодинамически возможные реакции | 1. Для ферментов характерна высокая специфичность: субстратная специфичность : ▪ абсолютная (1 фермент - 1 субстрат), ▪ групповая (1 фермент – несколько похожих субстратов) ▪ стереоспецифичность (ферменты работают с субстратами только определенного стереоряда L или D). каталитическая специфичность (ферменты катализируют реакции преимущественно одного из типов химических реакций – гидролиза, окисления-восстановления и др) |
| 2. Не изменяют состояние равновесия реакций, а только ускоряют его достижение. | 2. Высокая эффективность действия: ферменты ускоряют реакции в10 8 -10 14 раз. |
| 3. В реакциях не расходуются | 3. Ферменты действуют только в мягких условиях (t = 36-37ºС, рН ~ 7,4, атмосферное давление), т.к. они обладают конформационной лабильностью – способностью к изменению конформации молекулы под действием денатурирующих агентов (рН, Т, химические вещества). |
| 4. Действуют в малых количествах | 4. В организме действие ферментов регулируется специфически (катализаторы только неспецифически) |
| 5. Чувствительны к активаторам и ингибиторам | 5. Широкий диапазон действия (большинство процессов в организме катализируют ферменты). |
В настоящее время учение о ферментах является центральным в биохимии и выделено в самостоятельную науку – энзимологию . Достижения энзимологии используются в медицине для диагностики и лечения, для изучения механизмов патологии, а, кроме того, и в других областях, например, в сельском хозяйстве, пищевой промышленности, химической, фармацевтической и др.
Строение ферментов
Метаболит - вещество, которое участвует в метаболических процессах.
Субстрат – вещество, которое вступает в химическую реакцию.
Продукт – вещество, которое образуется в ходе химической реакции.
Ферменты характеризуются наличием специфических центров катализа.
Активный центр (Ац) – это часть молекулы фермента, которая специфически взаимодействует с субстратом и принимает непосредственное участие в катализе. Ац, как правило, находиться в нише (кармане). В Ац можно выделить два участка: участок связывания субстрата – субстратный участок (контактная площадка) и собственно каталитический центр .
Большинство субстратов образует, по меньшей мере, три связи с ферментом, благодаря чему молекула субстрата присоединяется к активному центру единственно возможным способом, что обеспечивает субстратную специфичность фермента. Каталитический центр обеспечивает выбор пути химического превращения и каталитическую специфичность фермента.
У группы регуляторных ферментов есть аллостерические центры , которые находятся за пределами активного центра. К аллостерическому центру могут присоединяться “+” или “–“ модуляторы, регулирующие активность ферментов.
Различают ферменты простые, состоят только из аминокислот, и сложные, включают также низкомолекулярные органические соединения небелковой природы (коферменты) и (или) ионы металлов (кофакторы).
Коферменты – это органические вещества небелковой природы, принимающие участие в катализе в составе каталитического участка активного центра. В этом случае белковую составляющую называют апоферментом , а каталитически активную форму сложного белка – холоферментом . Таким образом: холофермент = апофермент + кофермент.
В качестве коферментов функционируют:
· нуклеотиды,
· коэнзим Q,
· Глутатион
· производные водорастворимых витаминов:
Кофермент, который присоединен к белковой части ковалентными связями называется простетической группой . Это, например, FAD, FMN, биотин, липоевая кислота. Простетическая группа не отделяется от белковой части. Кофермент, который присоединен к белковой части нековалентными связями называется косубстрат . Это, например, НАД + , НАДФ + . Косубстрат присоединяется к ферменту в момент реакции.
Кофакторы ферментов – это ионы металлов, необходимые для проявления каталитической активности многих ферментов. В качестве кофакторов выступают ионы калия, магния, кальция, цинка, меди, железа и т.д. Их роль разнообразна, они стабилизируют молекулы субстрата, активный центр фермента, его третичную и четвертичную структуру, обеспечивают связывание субстрата и катализ. Например, АТФ присоединяется к киназам только вместе с Mg 2+ .
Изоферменты – это множественные формы одного фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающие по физическим и химическим свойствам (сродству к субстрату, максимальной скорости катализируемой реакции, электрофоретической подвижности, разной чувствительности к ингибиторам и активаторам, оптимуму рН и термостабильности). Изоферменты имеют четвертичную структуру, которая образована четным количеством субъединиц (2, 4, 6 и т.д.). Изоформы фермента образуются в результате различных комбинаций субъединиц.
В качестве примера можно рассмотреть лактатдегидрогеназу (ЛДГ), фермент, который катализирует обратимую реакцию:
НАДН 2 НАД +
пируват ← ЛДГ → лактат
ЛДГ существует в виде 5 изоформ, каждая из которых состоит из 4-х протомеров (субъединиц) 2 типов М (muscle) и Н (heart). Синтез протомеров М и Н типа кодируется двумя разными генетическими локусами. Изоферменты ЛДГ различаются на уровне четвертичной структуры: ЛДГ 1 (НННН), ЛДГ 2 (НННМ), ЛДГ 3 (ННММ), ЛДГ 4 (НМММ), ЛДГ 5 (ММММ).
Полипептидные цепи Н и М типа имеют одинаковую молекулярную массу, но в составе первых преобладают карбоновые аминокислоты, последних – диаминокислоты, поэтому они несут разный заряд и могут быть разделены методом электрофореза.
Кислородный обмен в тканях влияет на изоферментный состав ЛДГ. Где доминирует аэробный обмен, там преобладают ЛДГ 1 , ЛДГ 2 (миокард, надпочечники), где анаэробный обмен - ЛДГ 4 , ЛДГ 5 (скелетная мускулатура, печень). В процессе индивидуального развития организма в тканях происходит изменение содержания кислорода и изоформ ЛДГ. У зародыша преобладают ЛДГ 4 , ЛДГ 5 . После рождения в некоторых тканях происходит увеличение содержания ЛДГ 1 , ЛДГ 2 .
Существование изоформ повышает адаптационную возможность тканей, органов, организма в целом к меняющимся условиям. По изменению изоферментного состава оценивают метаболическое состояние органов и тканей.
Локализация и компартментализация ферментов в клетке и тканях .
Ферменты по локализации делят на 3 группы:
I – общие ферменты (универсальные)
II - органоспецифические
III - органеллоспецифические
Общие ферменты обнаруживаются практически во всех клетках, обеспечивают жизнедеятельность клетки, катализируя реакции биосинтеза белка и нуклеиновых кислот, образование биомембран и основных клеточных органелл, энергообмен. Общие ферменты разных тканей и органов, тем не менее, отличаются по активности.
Органоспецифичные ферменты свойственны только определенному органу или ткани. Например: Для печени – аргиназа. Для почек и костной ткани – щелочная фосфатаза. Для предстательной железы – КФ (кислая фосфатаза). Для поджелудочной железы – α-амилаза, липаза. Для миокарда – КФК (креатинфосфокиназа), ЛДГ, АсТ и т.д.
Внутри клеток ферменты также распределены неравномерно. Одни ферменты находятся в коллоидно-растворенном состоянии в цитозоле, другие вмонтированы в клеточных органеллах (структурированное состояние).
Органеллоспецифические ферменты . Разным органеллам присущ специфический набор ферментов, который определяет их функции.
Органеллоспецифические ферменты это маркеры внутриклеточных образований, органелл:
1) Клеточная мембрана: ЩФ (щелочная фосфатаза), АЦ (аденилатциклаза), К-Nа-АТФаза
2) Цитоплазма: ферменты гликолиза, пентозного цикла.
3) ЭПР: ферменты обеспечивающие гидроксилирование (микросомальное окисление).
4) Рибосомы: ферменты обеспечивающие синтез белка.
5) Лизосомы: содержат гидролитические ферменты, КФ (кислая фосфатаза).
6) Митохондрии: ферменты окислительного фосфорилирования, ЦТК (цитохромоксидаза, сукцинатдегидрогеназа), β-окисления жирных кислот.
7) Ядро клетки: ферменты обеспечивающие синтез РНК, ДНК (РНК-полимераза, НАД-синтетаза).
8) Ядрышко: ДНК-зависимая-РНК-полимераза
В результате в клетке образуются отсеки (компартменты), которые отличаются набором ферментов и метаболизмом (компартментализация метаболизма).
Среди ферментов выделяется немногочисленная группа регуляторных ферментов, которые способны отвечать на специфические регуляторные воздействия изменением активности. Эти ферменты имеются во всех органах и тканях и локализуются в начале или в местах разветвления метаболических путей.
Строгая локализация всех ферментов закодирована в генах.
Определение в плазме или сыворотке крови активности органо- органеллоспецифических ферментов широко используется в клинической диагностике.
Дата создания: 2015/04/30
Материальную основу всех жизненных процессов организма составляют тысячи химических реакций, катализируемых ферментами. Значение ферментов очень правильно и образно определил И. П. Павлов, назвав их «возбудителями жизни». Нарушение синтеза какого-либо фермента в стройной системе обменных реакций в организме приводит к развитию заболеваний, которые часто оканчиваются смертью. Например, недостаток у детей фермента, который превращает галактозу в глюкозу, является причиной галактоземии. При этом заболевании дети отравляются избытком галактозы и погибают в первые месяцы жизни. Повышение активности ксантин-оксидазы является причиной подагры. Таких примеров можно привести очень много. Вот почему ферменты представляют собой движущую силу всего того бесконечного разнообразия химических превращений, которые в своей совокупности составляют лежащий в основе жизни обмен веществ. Поэтому изучению ферментов придается такое большое значение. Наука о ферментах составляет важный раздел биохимии, а в медицине отчетливо выявляется направление – медицинская ферментология.
Ферментология или, иначе, энзимология является учением о ферментах (энзимах) – биологических катализаторов белковой природы, образуемых любой живой клеткой и обладающих способностью активировать различные химические реакции, происходящие в организме.
Ферменты нашли широкое применение во многих областях науки и промышленности. За последние годы с помощью высокоочищенных препаратов ферментов удалось расшифровать структуру сложных соединений, входящих в состав организма, в том числе некоторых белков и нуклеиновых кислот.
Ферменты имеют большое практическое значение, так как многие области промышленности – виноделие, хлебопечение, производство спирта, чая, аминокислот, витаминов, антибиотиков – основаны на использовании различных ферментативных процессов. Поэтому изучение свойств и механизма действия ферментов позволяет химикам создать новые, более совершенные катализаторы для химической промышленности. Действие различных физиологически активных соединений, применяемых в медицине и сельском хозяйстве, - лекарственных веществ, стимуляторов роста растений и др., в конечном счете сводится к тому, что эти вещества активируют или подавляют в организме то или иное звено в обмене веществ, тот или иной ферментативный процесс. Несомненно, изучение закономерностей действия ферментов и влияния на них различных стимуляторов или парализаторов имеет первостепенное значение для медицины и сельского хозяйства.
Круг вопросов, изучаемых ферментологией, весьма широк. Разработка методов выделения и очистки ферментов с целью установления их структуры, исследование процессов образования ферментов в живой клетке, регулирование из действия, роль ферментов в осуществлении различных физиологических функций – вот далеко не полный перечень важнейших биологических проблем, интенсивно изучаемых в настоящее время.
Об истории изучения ферментов
История ферментов уходит в далекое прошлое. Еще на развитии человеческого общества люди сталкивались с различными ферментативными процессами и использовали их в жизни. Спиртовое и молочнокислое брожение, применение заквасок при приготовлении хлеба, использование сычуга для изготовления сыров и др. – все эти ферментативные процессы хорошо известны с незапамятных времен.
Одним из первых последователей, занимавшихся изучением ферментативных процессов, были Реомюр и Спалланцани. В своих опытах, по перевариванию мяса в желудке птиц они впервые поставили вопрос о необходимости изучения химического состава пищеварительного сока. Русский ученый К. С. Кирхгоф (1814)
Показал, что в вытяжке из проросшего ячменя содержится вещество, которое вызывает превращение крахмала в сахар. Таким образом, Кирхгофом впервые был получен ферментный препарат амилазы (фермент, расщепляющий крахмал) и эту дату мы с полным правом можем считать датой возникновения ферментологии. Изучая процессы брожения, голландский ученый Ван Гельмонт впервые ввел в науку термин « ферменты» (fermentum – закваска). Слово «энзим» происходит от древнегреческого слова « эн зюме», что означает в «дрожжах».
К середине 50-хгодов ХIХ века понятие о ферментах как о биологических катализаторах прочно утвердилось в науке. К этому времени и относится большой спор двух крупнейших ученых мира Луи Пастера и Либиха Ю о месте локализации ферментов в клетке - спор, который по своему существу явился борьбой двух мировоззрений в науке-идеализма и материализма и затормозил развитие учения о ферментах без малого на 50 лет. Луи Пастер, доказывая, что деятельность ферментов неотделима от структуры клетки и с ее разрушением прекращается, прочно стоял на позициях вирховианства- одной из разновидностей идеализма в биологии. Либих утверждал, что действие ферментов не связано со структурой клетки. Этот спор практически продолжался более 100 лет и снова, и который раз, утвердил необходимость материалистического подхода к изучению биологических закономерностей. Первой подтвердила правильность точки зрения Ю.Либиха русский исследователь М.М.Манассеина в 1871 г. Растирая дрожжевые клетки с кварцевым песком, т.е. полностью разрушая структуру клетки, она доказала, что клеточный сок обладает способностью сбраживать крахмал. Однако, как это очень часто бывало в царской России, исследования М.М.Манассеиной остались без внимания и пальма первенства, в этом вопросе была отдана немецким ученым братьям Бухнер, которые через 26 лет проделали аналогичный опыт (они разрушали клетки путем высокого давления) и получили такие же результаты. В последующем работами А.Н.Лебедева, И.П.Павлова, М.Дюкло, Э.Фишера, Л.Михаэлиса и многих других ученых окончательно была опровергнута точка зрения идеалистов. Именно материалистический подход в научных исследованиях дал возможность Дж. Самнеру в 1927г. впервые получить фермент уреазу, а Дж.Нортропу в 1931г.- кристаллические трипсин и пепсин.
В настоящее время работами большой армии ученых, как в нашей стране, так и за рубежом учение о ферментах успешно развивается. В настоящее время известно около 1000 ферментов. Работы академика А.Е.Браунштейна, В.А.Энгельгарда, А.И.Опарина, С.Е.Северина, В.Н.Ореховича, А.А.Покровского и многих других отечественных ученых в области изучения ферментов в человеческом организме имеют большое значение в медицине. Постановка диагноза, выбор правильного лечения и профилактики, разработка и применение различных лекарственных препаратов и т. д.основываются на изучении ферментов.
Что нам известно о катализе
Катализ – это процесс изменения скорости химической реакции под влиянием различных веществ – катализаторов, участвующих в этом процессе и к концу реакции остающихся химически неизмененными. Если от добавления катализатора происходит ускорение химического процесса, то такое явление называют положительным катализом, а замедление реакции – отрицательным. Чаще всего приходится встречаться с положительным катализом. В зависимости от химической природы катализаторы разделяются на неорганические и органические. К последним относятся и биологические катализаторы – ферменты.
Для понимания действия катализаторов необходимо кратко остановиться на рассмотрении сущности катализа. Скорость любой химической реакции зависит от столкновений активных молекул реагирующих веществ. Активированной называется молекула, которая имеет определенный запас потенциальной энергии. Взаимодействие двух таких молекул произойдет только в том случае, если запас энергии этих молекул будет достаточным для преодоления сил сталкивания между ними – так называемого «энергетического барьера» реакции. Если реагирующие молекулы будут обладать большей величиной энергии, чем энергетический барьер, то реакция произойдет. Если же запаса энергии реагирующих тел недостаточно для преодоления энергобарьера, то они не будут взаимодействовать. В этом случае для протекания реакции необходимо активировать молекулы, т. е. сообщить им дополнительное количество энергии, которое в сумме с имеющейся потенциальной энергией в молекулах будет достаточным для преодоления энергетического барьера. Это дополнительное энергии называется «энергией активации!». Активировать молекулы можно путем нагревания, повышения давления, облучения др.
Сущность действия катализаторов заключается в том, что во-первых, они обладают способностью активировать молекулы реагирующих веществ, и, во-вторых, взаимодействие молекул (или веществ) происходит не в один, а в несколько этапов.
Таким образом, оказывается, что катализатор не только снижает энергические затраты на течение реакций, но и значительно повышает их скорость.
К основным характеристикам катализаторов относятся следующие: а) катализаторы могут ускорять только те химические реакции, которые вообще могут идти по своим термодинамическим законам, б) катализаторы не изменяют направление хода химической реакции, а только ускоряют достижение состояния равновесия.
Отличие ферментов от других видов катализаторов
При изучении свойств ферментов было установлено, что по своему действию они являются катализаторами, в основном обеспечивающими положительный катализ. Поэтому для них характерны все особенности процесса катализа.
Наряду с этим ферменты имеют свои определенные отличия, к которым относятся «космические» скорости катализируемых ими реакций, очень сложная химическая структура, которая в ряде случаев может изменяться в ходе реакции и восстанавливаться в исходную после ее окончания, и, наконец, высокая специфичность действия.
Для подтверждения высокой скорости реакций, катализируемых ферментами, снова обратимся к нашему примеру с перекисью водорода. В организме разложение Н2О2 катализируется ферментом каталазой со скоростью, в 2х1011раз превышающей скорость некатализируемой реакции и в 107 раз в случае с платиновой чернью. Энергия активации при ферментативной реакции снижается соответственно в 9 и 6 раз. Из других примеров можно указать на следующие. В желудке человека вырабатывается фермент пепсин, который расщепляет белки. Один грамм пепсина за час способен гидролизовать 50 кг яичного белка, а 1,6г амилазы, синтезируемой в поджелудочной и слюнной железах, за час может расщепить 175 кг крахмала.
Сложность структуры ферментов обусловлена тем, что все они являются белками, т. е. высокомолекулярными соединениями с большим молекулярным весом.
При изучении ферментов было установлено, что все они являются белками и поэтому обладают всеми свойствами белков. Ферменты имеют, аналогичную белкам сложную структуру, подвергается расщеплению под действием протеолитических ферментов, при растворении в воде образуются и т.д. Молекулярный вес ферментов колеблются в пределах сотен тысяч и миллионов единиц молекулярного веса.
Молекулярный вес рибонуклеазы составляет 12700, пепсина – 35500, катализы крови – 248 000, глютаматдегидрогиназы – 1000000.
По структуре все ферменты делятся на простые и сложные.
Простые ферменты ферменты-протеины – состоят только из аминокислот, а сложные ферменты – ферменты-протеиды – в своем составе имеют белковую часть апофермент, состоящую из одних аминокислот, и небелковую часть – кофермент, или простетическую группу. Небелковая часть может быть представлена минеральными веществами и витаминами.
К ферментам-протеинам относятся, например, гидролитические ферменты желудочно-кишечного тракта, которые расщепляют пищевые продукты с учетом воды, к ферментам-протеидам принадлежит большая часть окислительно-восстановительных ферментов.
Практикум
По общей и экологической биохимии
«Ферменты. Ферментативная кинетика»
Минск МГЭУ
УДК 577:574 (076.5)
Республики Беларусь по экологическому образованию
Бокуть С.Б., зав. кафедрой биохимии и биофизики, доцент, к.б.н.,
Сяхович В.Э., ст.
Богданова Н.В., преподаватель кафедры биохимии и биофизики,
Докучаева Е.А., преподаватель кафедры биохимии и биофизики,
Дроздов А.С., аспирант кафедры биохимии и биофизики
Рецензенты:
Кафедра клинической лабораторной диагностики Государственного учреждения высшего образования «Белорусская медицинская академия последипломного образования»;
Г.И. Новик, заведующая лабораторией «Коллекция микроорганизмов»
Государственного научного учреждения «Институт микробиологии Национальной академии наук Беларуси», кандидат биологических наук
П69 Практикум по общей и экологической биохимии. Часть II: «Фермен-ты. Ферментативная кинетика» / Бокуть С.Б. и др. – Мн., 2013 – 74 с.
Практикум содержит учебно-методические материалы для проведения лабораторных работ по курсу «Общая и экологическая биохимия» со студентами 2-го курса. Для каждой лабораторной работы приводятся основы теории по определенной теме, контрольные вопросы для подготовки к занятию, список рекомендуемой литературы, перечень заданий к занятию, описание используемых в лабораторной работе приборов, материалов и реактивов. Включены материалы, описывающие классификацию ферментов, принципы методов определения их активности, а также основы кинетики ферментативных реакций.
Соответствует учебной программе курса «Общая и экологическая биохимия» для студентов МГЭУ имени А.Д. Сахарова.
Ó С.Б. Бокуть, В.Э. Сяхович, Н.В. Богданова, Е.А. Докучаева, А.С. Дроздов 2012
Ó Международный государственный экологический университет им. А.Д. Сахарова, 2012
Лабораторная работа № 4
Оборудование и материалы:
· Спектрофотометр Solar PV 1251B
· Термостат
· Плитка электрическая
· Пипетки стеклянные на 1 мл и 5 мл
· Микропипетки автоматические
· Цилиндры мерные на 250 мл и 100 мл
· Стакан на 300 мл
· Пробирки стеклянные
· Штативы для пробирок
· Стеклянные палочки
· Предметные стекла
Реактивы:
· Крахмал, 1% раствор
· Гидроксид натрия (NaOH), 10% раствор
· Сульфат меди (CuSO 4), 1% раствор
· Раствор Люголя (йод, 1% раствор в KJ, 2,5%)
· Соляная кислота (HCl), 10% раствор
· Вода дистиллированная
Теоретическая часть
Ферменты
Живые системы состоят из достаточно ограниченного набора химических элементов, на долю которых (C, H, O, N, P, S) приходится более 99% общей массы клеток. Поскольку химический состав клеток, существенно отличается от химического состава земной коры, это означает, что биологические системы способны осуществлять химические реакции особого рода.
Если не принимать во внимание воду, почти все молекулы клетки относятся к соединениям углерода. Среди химических элементов Земли именно углерод занимает особое место по способности образовывать множество малых и больших молекул (макромолекул ). Из-за малого размера атома и наличия на внешней оболочке четырех электронов атомы углерода могут образовывать прочные ковалентные связи с другими атомами, а также друг с другом, что приводит к формированию колец или длинных цепей и, как следствие, созданию больших и сложных молекул.
Одно из часто встречающихся определений биологических систем сводится к тому, что живые организмы представляют собой автономные самовоспроизводящиеся химические системы, построенные из специфического и вместе с тем достаточно ограниченного набора углеродсодержащих малых молекул и макромолекул .
Итак, основу жизнедеятельности любого организма составляют химические процессы особого рода. Практически все реакции в живой клетке протекают с участием высокоэффективных природных биокатализаторов, называемых ферментами , или энзимами . Рассматривая клеточные метаболические пути, может показаться, что клетка обладает возможностью осуществлять любую необходимую ей реакцию, используя для этой цели соответствующий фермент. В действительности это не так. Хотя ферменты и являются мощными катализаторами, они могут ускорять только те реакции, которые «разрешены» с точки зрения термодинамики. Среди множества энергетически возможных реакций ферменты избирательно преобразуют соответствующие «реагенты», называемые субстратами , по физиологически полезному пути. Таким образом, ферменты управляют всеми метаболическими процессами организма.
До недавнего времени считалось, что абсолютно все биокатализаторы являются веществами белковой природы. Однако в 80-е годы ХХ столетия были обнаружены специфические низкомолекулярные РНК, обладающие каталитической активностью. Эти каталитические РНК по аналогии получили название рибозимов . Остальные известные на данный момент биокатализаторы клетки, число которых превышает 2500, имеют белковую природу и характеризуются всеми свойствами белков. К настоящему времени расшифрованы аминокислотные последовательности сотен различных ферментов, многие получены в кристаллическом виде, по данным рентгеноструктурного анализа установлена трехмерная пространственная структура и описаны механизмы их действия и изучается их роль в клеточных метаболических превращениях.
Подобно неорганическим катализаторам, ферменты: не расходуются в процессе реакции, увеличивают скорость как прямой, так и обратной реакции, не изменяют положения равновесия. Однако белковая природа ферментов обусловливает появление у них ряда свойств, в целом нехарактерных для неорганических катализаторов.
Отличие ферментов от неорганических катализаторов
1. Ферменты имеют более высокую каталитическую активность (в миллионы раз превышающую действие неорганических катализаторов). Например, гидролиз белка в присутствии неорганических кислот и щелочей протекает при 100°С в течение нескольких десятков часов. При участии ферментов этот процесс сокращается до десятков минут при 30–40°С;
2. Каталитическая активность ферментов проявляется в очень мягких условиях (умеренные температуры 37–40°С, нормальное давление, близкие к нейтральным значения рН среды 6,0–8,0);
3. Ферменты обладают высокой специфичностью действия, т.е. каждый фермент катализирует в основном только строго определенную химическую реакцию (для сравнения, платина в органическом синтезе катализирует несколько десятков химических превращений);
4. Скорость ферментативных реакций подчиняется определенным кинетическим закономерностям;
5. Ряд ферментов при формировании третичной и четвертичной структуры подвергаются пост-трансляционной модификации;
6. Размеры молекулы ферментов обычно намного превышают размеры их субстратов;
7. Активность ферментов в клетках строго контролируется и регулируется.
