Ферменты и ферментные реакции

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

РЕФЕРАТ

Ферменты и ферментные реакции

Содержание

Ферменты

Ферментативная активность

Реакционная и субстратная специфичность

Классы ферментов

Ферментативный катализ

Кинетика ферментативных реакций

Ингибиторы

Ферментативный анализ

свойство реакция катализ фермент

Ферменты

Ферменты являются биокатализаторами, т.е. веществами биологического происхождения, ускоряющими химические реакции. Организованная последовательность процессов обмена веществ возможна при условии, что каждая клетка обеспечена собственным генетически заданным набором ферментов. Только при этом условии осуществляется согласованная последовательность реакции. Ферменты принимают участие также в регуляции многих метаболических процессов, обеспечивая тем самым соответствие обмена веществ измененным условиям. Почти все ферменты являются белками. Известны также каталитически активные нуклеиновые кислоты -- «рибозимы».

Ферментативная активность

Каталитическое действие фермента, т. е. его активность, определяют в стандартных условиях по увеличению скорости (фиолетовый цвет на схеме) каталитической реакции (оранжевый цвет) по сравнению с некаталитической (желтый цвет). Обычно скорость реакции указывают как изменение концентрации субстрата или продукта за единицу времени (моль/(л·с)) . Так как каталитическая активность не зависит от объема раствора, в котором протекает реакция, активность фермента выражают в каталах; 1 кат -- это количество фермента, которое превращает 1 моль субстрата за 1 с. Другой единицей активности является международная единица (E) -- количество фермента, превращающего 1 мкмоль субстрата в 1 мин (1 E = 16,7 нкат).

Реакционная и субстратная специфичность

Действие большинства ферментов высоко специфично. Понятие специфичности относится не только к типам каталитических реакций (реакционная специфичность), но и к природе соединений - субстратов (субстратная специфичность). В качестве примера на схеме приведены ферменты, расщепляющие химическую связь. Высокоспецифичные ферменты (тип А -- верхняя строка таблицы) катализируют расщепление только одного типа связи в субстратах определенной структуры. Ферменты типа Б (средняя строка) обладают ограниченной реакционной специфичностью, но широкой субстратной специфичностью. Ферменты типа В (с низкой реакционной и низкой субстратной специфичностями; нижняя строка) встречаются редко.

Классы ферментов

На сегодняшний день известно примерно 2000 различных ферментов. Разработанная система классификации учитывает реакционную и субстратную специфичности ферментов. Все ферменты включены в «Каталог ферментов» под своим классификационным номером (КФ), состоящим из четырех цифр. Первая цифра указывает на принадлежность к одному из шести главных классов. Следующие две определяют подкласс и подподкласс, а последняя цифра -- номер фермента в данном под подклассе. Например, лактатдегидрогеназа имеет номер КФ 1.1.1.27 (класс 1, оксидоредуктазы; подкласс 1.1, донор электрона -- СН-ОН; подподкласс 1.1.1, акцептор -- НАДФ⁺.)

В каждом из шести главных классов объединены ферменты, обладающие одинаковой реакционной специфичностью. Оксидоредуктазы (класс 1) катализируют окислительно-восстановительные реакции. Трансферазы (класс 2) переносят ту или иную функциональную группу от одного субстрата на другой. Для оксидоредуктаз и трансфераз необходим общий кофермент. Гидролазы (класс 3) также участвуют в переносе групп, однако акцептором здесь всегда является молекула воды. Лиазы (класс 4, называемые иногда «синтезами») катализируют расщепление или образование химических соединений, при этом образуются или исчезают двойные связи.

Изомеразы (класс 5) перемещают группы в пределах молекулы безизменение общей формулы субстрата. Лигазы(«синтезы», класс 6) катализируют энергозависимые реакции присоединения и поэтому их действие Сопряжено с гидролизом нуклеозидтрифосфата (чаще всего АТФ).

Ферментативный катализ

Ферменты -- высокоэффективные катализаторы. Они повышают скорость катализируемой реакции в 10¹² раз и более. Для понимания механизма ферментативного катализа полезно прежде всего рассмотреть протекание некаталитической реакции.

Некаталитическая реакция (в отсутствие фермента)

В качестве примера рассмотрим реакцию типа А + В > С + D. Вещества A и Вв растворе окружены оболочкой из молекул воды (гидратной оболочкой) и под действием теплового движения перемещаются случайным образом. Они могут вступать в реакцию друг с другом только в том случае, когда сталкиваются в благоприятной ориентации, что маловероятно и происходит редко.

Для образования продуктов C + D комплекс A--В, возникший в результате соударения молекул, должен образовать переходное состояние, для чего требуется, как правило, значительная энергия активации E_a. Поскольку получить эту энергию может только небольшая часть комплексов A--В, достижение переходного состояния -- еще более редкий случай, чем возникновение комплекса. В растворе большая часть анергии активации расходуется на преодоление гидратных оболочек между A и В, сближение реагентов и другие химические процессы, в которых эти реагенты участвуют. В результате в отсутствие катализатора образование продуктов происходит крайне редко и скорость реакции v незначительна, даже когда реакция термодинамически допустима, т. е. ДG < 0

Ферментативная реакция

Ферменты специфически связывают реагенты (свои субстраты) в активном центре. При этом субстраты ориентируются таким образом, что приобретают оптимальное положение для образованияпереходного состояния (1-3). Сближение и необходимая ориентации реагентов значительно повышают вероятность образования продуктивного комплекса A--B. Кроме того, связывание субстрата в активном центре приводит к удалению гидратной оболочки субстрата.В результате удаления молекул воды в активном центре фермента во время катализа создаются совершенно другие условия, чем в растворе (3-5). Еще одним важным фактором является стабилизация переходного состояния вследствие взаимодействия между аминокислотными остатками белка и субстратом (4). Таким образом, переходное состояние в случае ферментативной реакции требует меньшей энергии активации. Кроме того, многие ферменты во время катализа переносят специфические группировки с субстрата или на субстрат. Особенно часто осуществляется перенос протонов. Этот ферментативный кислотно-основной катализ значительно более эффективен, чем обмен протонов с кислотами и основаниями в растворе. Часто химические группировки ковалентно присоединяются к остаткам фермента. Это явление называют ковалентным катализом.. Основы ферментативного катализа

Несмотря на то, что сегодня трудно количественно оценить вклад отдельных каталитических эффектов, решающим фактором считается стабилизация переходного состояния в активном центре фермента. При этом наиболее существенным моментом является прочное связывание не столько субстрата, сколько его переходного состояния. Данное положение подтверждается крайне высоким сродством многих ферментов по отношению к аналогам переходного состояния, что можно пояснить простой механической аналогией (на схеме справа): если хотят перекатить металлические шарики (реагенты) с места EA (состояние субстрата) в энергетически более высокое переходное состояние, а затем в EP (состояние продукта), нужно расположить магнит (катализатор) таким образом, чтобы сила притяжения действовала не на EA (а), а на переходное состояние (б).

Кинетика ферментативных реакций

Кинетика ферментативной реакции (т. е. зависимость скорости реакции от ее условий) определяется в первую очередь свойствами катализатора, вследствие чего она значительно сложнее, чем кинетика некаталитических реакций

Модель Михаэлиса-Ментен

Полный математический анализ ферментативной реакции приводит к сложным уравнениям, не пригодным для практического применения. Наиболее удобной оказалась простая модель, разработанная в 1913 г. Она объясняет характерную гиперболическую зависимость активности фермента от концентрации субстрата (1) и позволяет получать константы, которые количественно характеризуют эффективность фермента.

Модель Михаэлиса-Ментенисходит из того, что вначале субстрат А образует с ферментом E (З) комплекс, который превращается в продукт В намного быстрее, чем в отсутствие фермента. Константа скорости k_кат (2) намного выше, чем константа некаталитической реакции k. Константу k_катназывают еще «числом оборотов» поскольку она соответствует числу молекул субстрата, превращаемых в продукт одной молекулой фермента за 1 с. Согласно этой модели, активность фермента определяется долей комплекса EA от общей концентрации фермента [E] _t , т. е., отношением [EA] / [E] _t (З). С целью упрощения модель предполагает, что E, А и ЕА находятся в химическом равновесии согласно закону действующих масс, что дает в итоге для диссоциации комплекса EA уравнение:

[E][A]/[EA] = K_m Поскольку [E] _t = [E] + [EA],

[EА] = [E] _t [А]/(К_m + [А])

Из v = k_кат[EA] (2) и предыдущего выражения получают уравнение Михаэлиса-Ментен (4).

Уравнение содержит две величины (два параметра), которые не зависят от концентрации субстрата [A], но характеризуют свойства фермента: это произведениеk_кат[E] _t , соответствующее максимальной скорости реакции V при высокий концентрации субстрата, и константа МихаэлисаК_m, характеризующая сродство фермента к субстрату. Константа Михаэлиса численно равна той концентрации субстрата [A].при которой н достигает половины максимальной величины V (если v = V/2, то [A] / (К_m + [A]) = 1/2, т. е. K_m = [А]). Высокое сродство фермента к субстрату характеризуется низкой величиной К_m и наоборот,

Модель Михаэлиса-Ментен основывается на нескольких не совсем реальных допущениях, таких, как необратимое превращение EA в E + В, достижение равновесия между E, A и EA, отсутствие в растворе других форм фермента, кроме E и EA. Только при соблюдении этих гипотетических условийK_m соответствует константе диссоциации комплекса, а k_кат -- константе скорости peакции EA > E + В.

Определение V и К_m

В принципе V и К_m можно определить по графику зависимости v от [A] (рис. слева). Так как v асимптотически достигает V с возрастанием концентрации субстрата [A], то затруднительно получить надежную величину V и К_m (рис. слева) путем экстраполяции.

Для удобства расчетов уравнение Михаэлиса-Ментен можно преобразовать так, чтобы экспериментальные точки лежали на прямой. При одном из таких графических преобразований в так называемом графике Иди-Хофсти(pиc. справа) строят график зависимости v от v/[A]. В этом случае точка пересечения прямой, полученной путем наилучшей линейной аппроксимации экспериментальных точек, с осью ординат соответствует V, а тангенс угла наклона равен -K_m. Такой графический подход дня определения V и К_m также не оптимален. В настоящее время данные ферментативной кинетики обрабатывают быстрее и более объективно с помощью вычислительной техники.

Ингибиторы

Многие соединения могут влиять на обмен веществ, модулируя активность соответствующих ферментов. Особенно важные функции при этом выполняют ингибиторы ферментов. Ингибиторами ферментов являются многие лекарственные вещества природного или синтетического происхождения. Метаболиты также могут быть ингибиторами ферментов в процессах регуляции.

Типы ингибирования

Большинство ингибиторов ферментов действуют обратимо, т. е. не вносят в молекулу фермента каких-либо изменений после своей диссоциации. Однако существуют также необратимые ингибиторы ферментов, которые необратимо модифицируют целевой фермент. Принцип действия ингибитора, тип его ингибирования определяют путем сравнения кинетики реакции в присутствии ингибиторам без него (см. схему Б). Различают конкурентное (А, слева) и неконкурентное (А, справа) ингибирование. В регуляции обмена веществ важную роль играет аллостерическое ингибирование (А, 6).

Так называемые аналоги субстрата (2) имеют свойства, подобные свойствам субстрата целевого фермента. Они обратимо блокируют часть молекул имеющегося в наличии фермента, но не могут далее превращаться в продукт. Поэтому для достижения половины максимальной скорости реакции необходимы более высокие концентрации субстрата: в присутствии такого ингибитора константа МихаэлисаK_m растет (Б). Субстрат в высоких концентрациях вытесняет ингибитор с фермента. Поэтому максимальная скорость V при этом типе торможения не претерпевает изменений. Так как субстрат и ингибитор конкурируют за место связывания на ферменте, данный тип торможения называют конкурентным. Аналоги переходного состояния (3) также действуют как конкурентные ингибиторы.

Если ингибитор реагирует с функционально важной группой фермента, не препятствуя связыванию субстрата, такое ингибирование называется неконкурентным (на схеме справа). В этом случае K_m остается неизменной, напротив уменьшается концентрация функционально активного фермента [Е] _t и, следовательно, максимальная скорость реакции V. Неконкурентные ингибиторы действуют как правило необратимо, поскольку они модифицируют функциональные группы целевого фермента (4).

В случае так называемых "суицидныхсубстратов" (5) речь идет о субстратных аналогах, содержащих дополнительно реакционную группу. Вначале они связываются обратимо, а затем образуют ковалентное соединение с активным центром фермента. Поэтому ингибирование такими соединениями проявляется как неконкурентное. Известным примером такого ингибитора является антибиотик пенициллин.

Аллостерические ингибиторы связываются с отдельными участками фермента вне активного центра (6). Такое связывание влечет за собой конформационные изменения в молекуле фермента, которые приводят к уменьшению его активности. Аллостерические эффекты встречаются практически только в случае олигомерных ферментов. Кинетику таких систем нельзя описать с помощью простой модели Михаэлиса-Ментен.

Кинетика ингибирования

Конкурентное ингибирование легко можно отличить от неконкурентного при использовании графика Иди-Хофсти. Как уже упоминалось, конкурентные ингибиторы влияют только на K_m, но не на V. Полученные в отсутствие и в присутствии ингибитора прямые на графике пересекаются на оси ординат. Прямые для неконкурентного ингибирования имеют одинаковый наклон (К_mне изменяется), однако по мере увеличения концентрации ингибитора отрезки, отсекаемые этими прямыми на оси ординат, становятся все короче. Для аллостерических ферментов нельзя применять график Иди-Хофсти, имеющий в этом случае нелинейный характер (здесь не приведен).

Ферментативный анализ

Ферменты играют важную роль в биохимическом анализе. В биологических материалах, например в жидкостях организма, с помощью определения каталитической активности можно обнаружить ферменты в ничтожно малых концентрациях. Ферменты можно использовать как реагенты для определения концентраций метаболитов, например уровня глюкозы в крови (схема В). В большинстве ферментативных анализов применяется фотометрия.

Основы спектрофотометрии

Многие молекулы поглощают свет в видимой или ультрафиолетовой области спектра. Это свойство можно использовать для определения концентраций. Величина поглощения зависит от типа и концентрации вещества, а также от длины волны используемого света. Поэтому применяют монохроматический свет, т. е. свет определенной длины волны, который можно выделить из белого света с помощью монохроматора. Монохроматический свет интенсивности I₀ проходит через прямоугольную ячейку из стекла или кварца (кювету), в которой находится раствор поглощающего вещества. Интенсивность I выходящего света, ослабленного поглощением, измеряется с помощью детектора. Поглощение света (А) раствора (оптическая плотность) определяется как отрицательный логарифм отношения I / I₀. Закон Ламберта-Берагласит, что А пропорциональна концентрации (с) вещества и толщине (d) слоя раствора. Коэффициент экстинкции е зависит, как было указано выше, от типа вещества и длины волны.

Определение активности лактатдегидрогеназы

Определение активности лактатдегидрогеназы [ЛДГ (LDH)] основано на том факте, что восстановленный кофермент НАДН + H⁺ поглощает свет при 340 нм, в то время как у НАД⁺ (NAD⁺) при этой длине волны поглощение отсутствует. Спектры поглощения (т. е. графики зависимости А от длины волны) субстрата и кофермента в ЛДГ-реакции показаны на рис. Б1.

Различия в поглощении НАД⁺ и НАДН между 300 и 400 нм обусловлены изменениями никотинамидного кольца при окислении или восстановлении.

Для определения активности в кювету помещают, прежде всего растворы лактата и НАД⁺ и регистрируют поглощение при постоянной длине волны 340 нм. Некаталитическая реакция протекает с очень низкой скоростью. Поэтому измеряемые количества НАДН образуются только после добавления ЛДГ. Так как скорость увеличения поглощения ДA/Дt по закону Ламберта-Бера пропорциональна скорости реакции Дc/Дt , активность ЛДГ можно рассчитать с помощью коэффициента экстинкции е при 340 нм или путем сравнения со стандартным раствором.

Ферментативное определение глюкозы

Большинство биомолекул не поглощают свет в видимой или ультрафиолетовой областях спектра. Кроме того, они обычно присутствуют в смеси с другими соединениями, которые также дают аналогичные химические реакции.

Обе трудности можно преодолеть с помощью подходящего фермента для избирательного превращения определяемого метаболита в окрашенное вещество, которое далее определяют по интенсивности поглощения света.

Обычный метод определения глюкозы в крови основан на двух последовательных реакциях:

1) образование глюконолактона и пероксида водорода H₂O₂ под действием фермента глюкозооксидазы ;

2) окисление бесцветного вещества пероксидом водорода в окрашенное зеленое соединение в реакции, катализируемой пероксидазой.

Когда вся имеющаяся в пробе глюкоза израсходована, количество образованного окрашенного вещества можно определить по светопоглощению, которое прямо пропорционально первоначальному содержанию глюкозы.

Размещено на Allbest.ru