Ензимологія - це

Ензимологія - це

Модель ферменту нуклеозид -фосфорілази

Ферменти або ензими (від лат. Fermentum. Грец. Ζύμη. Ἔνζυμον - дріжджі. Закваска) - зазвичай білкові молекули або молекули РНК або їх комплекси, що прискорюють (каталізують) хімічні реакції в живих системах. Реагенти в реакції, що каталізується ферментами називаються субстратами. а отримувані речовини - продуктами. Ферменти специфічні до субстратів (АТФаза каталізує розщеплення тільки АТФ, а киназа фосфорілази фосфорилирует тільки фосфорилазу) Ферментативна активність може регулюватися активаторами та інгібіторами (активатори - підвищують, інгібітори - знижують) Білкові ферменти синтезуються на рибосомах. а РНК - в ядрі.

Терміни «фермент» і «ензим» давно використовують як синоніми (перший в основному в російській і німецькій науковій літературі, другий - в англо- та франкомовній).
Наука про ферментах називається ензимологія. а не ферментології (щоб не змішувати коріння слів латинської та грецької мов).

Історія вивчення

Термін фермент запропонований в XVII столітті хіміком ван Гельмонтом при обговоренні механізмів травлення.

В кін. ХVIII - поч. XIX ст. вже було відомо, що м'ясо перетравлюється шлунковим соком. а крохмаль перетворюється на цукор під дією слини. Однак механізм цих явищ був невідомий [1]

У XIX ст. Луї Пастер. вивчаючи перетворення вуглеводів в етиловий спирт під дією дріжджів. прийшов до висновку, що цей процес (бродіння) каталізується якоюсь життєвою силою, що перебуває в дріжджових клітинах.

функції ферментів

Ферменти - білки. є біологічними каталізаторами. Ферменти присутні у всіх живих клітинах і сприяють перетворенню одних речовин (субстратів) в інші (продукти). Ферменти виступають в ролі каталізаторів практично у всіх біохімічних реакціях, що протікають в живих організмах - ними каталізується близько 4000 біореакцій [2]. Ферменти відіграють найважливішу роль у всіх процесах життєдіяльності, направляючи і регулюючи обмін речовин організму.

Подібно до всіх каталізаторів, ферменти прискорюють як пряму, так і зворотну реакцію, знижуючи енергію активації процесу. Хімічна рівновага при цьому не зміщується ні в пряму, ні в зворотну сторону. Відмінною особливістю ферментів в порівнянні з небілковими каталізаторами є їх висока специфічність - константа зв'язування деяких субстратів з білком може досягати 10 -10 моль / л і менше. Див. Також Каталітично досконалий фермент

Ферменти широко використовуються в народному господарстві - харчовій, текстильній промисловості, у фармакології.

Класифікація ферментів

За типом каталізуються реакцій ферменти підрозділяються на 6 класів згідно ієрархічної класифікації ферментів (КФ. EC - Enzyme Comission code). Класифікація була запропонована Міжнародним союзом біохімії і молекулярної біології (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Кожен клас містить підкласи, так що фермент описується сукупністю чотирьох чисел, розділених крапками. Наприклад, пепсин має назву ЄС 3.4.23.1. Перше число грубо описує механізм реакції, що каталізується ферментом:

  • КФ 1: Оксидоредуктази. каталізують окислення або відновлення. Приклад: каталаза. алкогольдегидрогеназа
  • КФ 2: Трансферази. каталізують перенесення хімічних груп з однієї молекули субстрату на іншу. Серед трансфераз особливо виділяють кінази. переносять фосфатну групу, як правило, з молекули АТФ.
  • КФ 3: Гідролази. каталізують гідроліз хімічних зв'язків. Приклад: естерази. пепсин. трипсин. амілаза. ліпопротеінліпази
  • КФ 4: Ліази. каталізують розрив хімічних зв'язків без гідролізу з утворенням подвійного зв'язку в одному з продуктів.
  • КФ 5: Ізомерази. каталізують структурні або геометричні зміни в молекулі субстрату.
  • КФ 6: Лігази. каталізують утворення хімічних зв'язків між субстратами за рахунок гідролізу АТФ. Приклад: ДНК-полімераза

Будучи каталізаторами. ферменти прискорюють як пряму, так і зворотну реакцію, тому, наприклад, ліази здатні каталізувати і зворотну реакцію - приєднання по подвійних зв'язках.

Угоди про найменування ферментів

Зазвичай ферменти іменують за типом каталізуються реакції, додаючи суфікс -аза до назви субстрату (наприклад. Лактази - фермент, який бере участь у перетворенні лактози). Таким чином, у різних ферментів, що виконують одну функцію, буде однакову назву. Такі ферменти розрізняють по інших властивостях, наприклад, по оптимальному pH (лужна фосфатаза) або локалізації в клітині (мембранна АТФаза).

кінетичні дослідження

Ензимологія - це

Крива насичення хімічної реакції, що ілюструє співвідношення між концентрацією субстрату [S] і швидкістю реакції v

Найпростішим описом кінетики односубстратних ферментативних реакцій є рівняння Міхаеліса - Ментен (див. Рис.). На сьогоднішній момент описано кілька механізмів дії ферментів. Наприклад, дія багатьох ферментів описується схемою механізму «пінг-понг».

Структура і механізм дії ферментів

Активність ферментів визначається їх тривимірної структурою [3].

Як і всі білки, ферменти синтезуються у вигляді лінійного ланцюжка амінокислот. яка згортається певним чином. Кожна послідовність амінокислот згортається особливим чином, і що виходить молекула (білкова кулька) володіє унікальними властивостями. Кілька білкових ланцюгів можуть об'єднуватися в білковий комплекс. Третинна структура білків руйнується при нагріванні або дії деяких хімічних речовин.

Щоб каталізувати реакцію, фермент повинен зв'язатися з одним або декількома субстратами. Білкова ланцюг ферменту згортається таким чином, що на поверхні глобули утворюється щілина, або западина, де зв'язуються субстрати. Ця область називається сайтом зв'язування субстрату. Зазвичай він збігається з активним центром ферменту або знаходиться поблизу нього. Деякі ферменти містять також сайти зв'язування кофакторів або іонів металів.

У деяких ферментів є сайти зв'язування малих молекул, вони можуть бути субстратами або продуктами метаболічного шляху, в який входить фермент. Вони зменшують або збільшують активність ферменту, що створює можливість для зворотного зв'язку.

Для активних центрів деяких ферментів характерне явище кооперативності.

специфічність

Ферменти зазвичай проявляють високу специфічність по відношенню до своїх субстратів. Це досягається частковою комплементарностью форми, розподілу зарядів і гідрофобних областей на молекулі субстрату і в центрі зв'язування субстрату на ферменті. Ферменти демонструють високий рівень стереоспеціфічность, регіоселективності і хемоселектівності.

Модель «ключ-замок»

Гіпотеза Кошланда про індукування відповідно

Більш реалістична ситуація в разі індукованої відповідності. Неправильні субстрати - занадто великі або занадто маленькі - не підходять до активного центру

У 1890 р Еміль Фішер припустив, що специфічність ферментів визначається точною відповідністю форми ферменту і субстрату [4]. Таке припущення називається моделлю «ключ-замок». Фермент з'єднується з субстратом з утворенням короткоживучого фермент-субстратного комплексу. Однак, хоча ця модель пояснює високу специфічність ферментів, вона не пояснює явища стабілізації перехідного стану, яке спостерігається на практиці.

Модель індукованої відповідності

У 1958 р Деніел Кошланд запропонував модифікацію моделі «ключ-замок» [5]. Ферменти, в основному - не жорсткі, а гнучкі молекули. Активний центр ферменту може змінити конформацію після зв'язування субстата. Бічні групи амінокислот активного центру беруть такий стан, яке дозволяє ферменту виконати свою каталітичну функцію. У деяких випадках молекула субстрату також змінює конформацію після зв'язування в активному центрі. На відміну від моделі «ключ-замок», модель індукованого відпо пояснює не тільки специфічність ферментів, але і стабілізацію перехідного стану.

модифікації

Багато ферменти після синтезу білкового ланцюга зазнають модифікації, без яких фермент не проявляє свою активність в повній мірі. Такі модифікації називаються посттрансляційної модифікації (процессингом). Один з найпоширеніших типів модифікації - приєднання хімічних груп до бічних залишків поліпептидного ланцюга. Наприклад, приєднання залишку фосфорної кислоти називається фосфорилюванням, воно каталізується ферментом кінази. Багато ферменти еукаріот глікозовані, тобто модифіковані олигомерами вуглеводної природи.

Ще один поширений тип посттранляціонних модифікацій - розщеплення поліпептидного ланцюга. Наприклад, хімотрипсин (протеаза. Бере участь у травленні), виходить при вищепленію поліпептидного ділянки з химотрипсиногена. Хімотріпсіноген є неактивним попередником химотрипсина і синтезується в підшлунковій залозі. Неактивна форма транспортується в шлунок. де перетворюється на хімотрипсин. Такий механізм необхідний для того, щоб уникнути розщеплення підшлункової залози та інших тканин до надходження ферменту в шлунок. Неактивний попередник ферменту називають також «зімогенов».

кофактори ферментів

Деякі ферменти виконують каталітичну функцію самі по собі, без жодних додаткових компонентів. Однак є ферменти, яким для здійснення каталізу необхідні компоненти небілкової природи. Кофактори можуть бути як неорганічними молекулами (іони металів, залізо-сірчані кластери і ін.), Так і органічними (наприклад, флавін або гем). Органічні кофактор, міцно пов'язані з ферментом, називають також простетичної групами. Кофактори органічної природи, здатні відділятися від ферменту, називають коферментами.

Фермент, який вимагає наявності кофактора для здійснення каталітичної активності, але не пов'язаний з ним, називається апо-фермент. Апо-фермент в комплексі з кофактором носить назву холод-ферменту. Більшість кофакторов пов'язано з ферментом нековалентними, але досить міцними взаємодіями. Є й такі простетичноїгрупи, які пов'язані з ферментом ковалентно, наприклад, тіамінпірофосфат в піруватдегідрогенази.

література

  • Волькенштейн М. В. Догонадзе Р. Р. Мадумаров А. К. Урушадзе З. Д. Харкац Ю. І. Теорія ферментного каталізу / Молекулярна біологія. 1972. 431-439.
  • Koshland D. The Enzymes, V. I, Ch. 7. New York, Acad. Press, 1959.
  • Діксон, М. Ферменти / М. Діксон, Е. Уебб. - У 3-х т. - Пер. з англ. - Т.1-2. - М. Мир, 1982. - 808 с.