Мегаобучалка Главная | О нас | Обратная связь

Ферменты. Классификация. Регуляция активности




 

Ферменты (E) – биокатализаторы, представляющие собой соединения белковой природы. Это могут быть простые или сложные белки (содержащие неаминокислотные компоненты).

Ферменты снижают энергию активации (ЕА), что позволяет протекать реакциям при физиологических условиях, со скоростями более, чем в 1010 раз (300 лет – 1 сек). За каждое превращение одного метаболита отвечает индивидуальный фермент. Основное свойство ферментов – распознавать определённые метаболиты, катализировать их превращение и обеспечивать регуляцию каталитической активности. Таким образом, ферменты характеризуются субстратной специфичностью и специфичностью действия.

Катализируемые ферментами реакции начинаются со связывания определённого метаболита – субстрата (S) с ферментом. Каждый фермент, как правило, взаимодействует лишь с одним субстратом и катализирует его превращение до установления равновесия:

E + S↔ ES ↔ EP ↔ E + P

Узнавание субстрата происходит в процессе связывания его с ферментом. Молекулы субстрата присоединяются в определённом месте молекулы фермента – каталитическом или активном центре (АЦ). АЦ фермента и субстрат подходят друг к другу как ключ к замку (стерические свойства субстрата, распределение зарядов на его молекуле).

К аминокислотам часто играющим важную роль в активном центре фермента, относятся серин (ОН-группа) и гистидин (N-имидазольного кольца).

Коферменты и простетические группы. В связывании и последующем переносе отдельных фрагментов субстрата (например, Н×) наряду с ферментами участвуют низкомолекулярные соединения – коферменты и простетические группы.

Коферменты (косубстраты или переносчики) связываются с молекулой фермента обратимо – присоединяют фрагмент субстрата на ферменте, а затем отделяются от него, чтобы передать этот фрагмент на другом ферменте второму соединению:

Ф1-К + S ↔ Ф1-К-S ↔ K-S +Ф2 ↔ Ф2-К-S ↔ Ф2 + К + Р

Простетические группы (ионы металлов) прочно связаны с молекулами ферментов и не отделяются во время присоединения субстрата и переноса фрагментов.



Многие высшие организмы не способны синтезировать коферменты – получают их с пищей в виде витаминов (потребность в них составляет несколько мг в сут):

 

Кофермент Функция Витамин
Пиридоксальфосфат Переаминирование; декарбоксилирование; рацемизация Пиридоксин (В6)
Тиаминпирофосфат Аэробное декарбоксилирование; перенос альдегидных групп Тиамин (В1)
Кофермент А (КоА) Перенос ацилов; аэробная деградация жирных кислот и их синтез Пантотеновая кислота
Тетрагидрофолиевая кислота Перенос С1-групп Фолиевая кислота
Биотин Перенос СО2 Биотин (Н)
NAD+ Перенос Н+ и е- Никотиновая кислота
NADP+ Перенос Н+ и е- Никотиновая кислота
FMN Перенос Н+ и е- Рибофлавин (В2)
FAD Перенос Н+ и е- Рибофлавин (В2)

 

Пиридиннуклеотиды. Никотинамидадениндинуклетид (NAD+) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (NAD(P)+):

Группой, определяющей функцию этих коферментов, является амид никотиновой кислоты: перенос Н+ с субстрата вместе с парой электронов (в виде гидрид-иона Н× на пиридиновое кольцо, второй атом водорода в виде Н+ переходит в раствор). Рисунок (схема):

 

 

СН3СН2ОН + NAD+ ↔ СН3СООН + NAD×Н2

 

При 340 нм у NAD×Н2 наблюдается максимальное поглощение.

 

Этот перенос стереоспецифичен: так алкогольдегидрогеназа и лактатдегидрогеназа переносят атом водорода на одну сторону пиридинового кольца, а глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа на другую.

Восстановленная форма NAD×Н2 отсоединяется от одного фермента и передаётся на другой, где участвует в восстановлении S или направляется в дыхательную цепь. NAD(Р)×Н2 участвует главным образом в восстановительных этапах биосинтеза.

 

Номенклатура ферментов. Название фермента складывается из:

1. Названия субстрата с прибавлением суффикса -аза (аргиназа, фосфатаза – гидролиз соответствующей группы);

2. Названия реакции с добавлением суффикса -аза (дегидрогеназа – отрыв Н×, гидролаза, трансфераза).

Кроме того, используют:

-тривиальные названия ферментов (трипсин, пепсин, каталаза);

-систематические названия ферментов (в 1972 г. комиссией по номенклатуре биохимических соединений Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) опубликованы новые «Правила наименования ферментов». Согласно этим правилам ферменты нумеруются следующим образом: первая цифра указывает на класс, к которому относится фермент; вторая – характеристика реакции; третья – последующие детали.

Например, фермент 2.1.2. – трансфераза, переносящая одноуглеродные остатки – метильные.

Классификация ферментов. По типу каталитической реакции ферменты подразделяют на 6 классов: оксидоредуктазы; трансферазы; гидролазы; лиазы; изомеразы; лигазы (синтетазы).

1. Оксидоредуктазы – участвуют в окислительно-восстановительных реакциях (переносят Н+ или электроны). В их состав входят коферменты. Они подразделяются в соответствии с донором или акцептором е--.

2. Трансферазы – осуществляют перенос групп атомов (СН3, СООН, NH2, SO4, СНО, РО4) с помощью специальных переносчиков – коферментов.

3. Гидролазы – осуществляют гидролитическое расщепление субстрата. Название фермента строится в соответствии с типом разрываемой связи (пептидгидролазы, глюкозидазы).

4. Лиазы – негидролитически отщепляют от субстрата группы с образованием двойной связи или присоединением по двойной связи СО2, Н2О, NH3 групп.

5. Изомеразы – катализируют превращения изомеров, в т.ч. рацемизацию, цис-транс, перемещение двойной связи, обмен групп у ассиметрического атома углерода, перемещение фосфатной группы.

6. Лигазы – осуществляют синтез за счёт макроэргических связей (АТФ) (а также биотин в реакциях карбоксилирования).

Активность ферментов. Стандартная единица активности — количество фермента, которое катализирует превращение 1 мкмоль субстрата в минуту при стандартных условиях (на русском и немецком – Е, на английском, французском, итальянском, испанском – U). Для некоторых высокомолекулярных веществ (белки, полисахариды) количество мкмоль субстрата определить нельзя – используют микроэквивалент участвующих в реакции групп. Для белка это это количество образовавшихся свободных -СООН или -NH3 групп. Для полисахаридов – число прогидролизованных гликозидных связей.

Молекулярная активность – число мкмоль субстрата или эквивалентов, затронутых реакцией групп прореагировавших в течение 1 мин с 1 ммоль фермента или число стандарных единиц активности, содержащихся в 1 ммоль фермента.

Регуляция активности ферментов в клетке. В интактной клетке все протекающие биохимические реакции регулируются. Это обеспечивает экономичное использование питательных веществ, предупреждает избыточный синтез метаболитов и позволяет клетке адаптироваться к условиям окружающей среды (изменяется скорость синтеза конкретных метаболитов).

Так как реакции в клетке катализируются ферментами, регуляция метаболизма сводится к регуляции интенсивности ферментативных реакций за счёт изменения активности ферментов и их количества в клетке.

Регуляция активности ферментов. Активность ферментов зависит от фихических и химических факторов. Физические факторы (температура, давление, излучение, электромагнитное поле) менее специфичны, чем химические. Механизм действия химических факторов может быть основан: на связывании определённых групп (субстрат, кофакторы, ингибиторы) с АЦ фермента; взаимодействии со специальными участками на поверхности фермента (отличными от АЦ).

Активность некоторых ферментов регулируется путем химической модификации (ковалентное обратимое связывание с ферментом определенной группировки). Например, присоединение к глутаминсинтетазе E. coli остатка адениловой кислоты приводит к снижению активности фермента:

 

глутаминсинтетаза + АМФ ↔ глутаминсинтетаза-АМФ

 

Аналогичный механизм ацетилирования (деацетилирования) характерен для цитратлиазы фотосинтезирующих бактерий Rhodopseudomonas gelatinosa (активна ацетилированная форма фермента).

Наиболее быстрым и точным является механизм регуляции определенного типа ферментов – аллостерических. Они занимают ключевые позиции в обмене веществ (располагаются вначале метаболических путей, местах их разветвлений или в местах схождения):

 

1. А → В → С → D → Е → F

 

2. А → В → С → Е

→ D → F

 

3. А →

В → D → Е → F

С →

 

Термин аллостерическое ингибирование введен в 1961 г. Ж. Моно и Ф. Жакобом для того, чтобы подчеркнуть особенность данного типа регуляции – ингибитор взаимодействующий с ферментом, структурно отличается от субстрата.

Аллостерические ферменты – белки с высокой молекулярной массой, состоящие из нескольких субъединиц одного или нескольких типов (общее свойство – содержат регуляторный центр). В первом случае субъединицы содержат каталитический и регуляторный центры. Регуляторный центр называется аллостерическим. Во втором – одни субъединицы содержат каталитический, а другие регуляторный центр. В том и другом случае эти центры разделены пространственно, но функционально связаны.

С аллостерическим центром связываются определенные метаболиты – эффекторы (модуляторы, модификаторы). Ими могут быть субстраты и некоторые конечные продукты метаболических путей. Если действие эффектора приводит к снижению активности фермента – отрицательный эффектор (ингибитор). Положительный эффектор – активатор усиливает активность фермента.

 

Регуляторное действие связано с начальными этапами ферментативных реакций – образования фермент-субстратного комплекса (изменение сродства фермента к субстрату в результате конформационных изменений (изменение третичной структуры фермента).

Случаи аллостеричекой регуляции.

1. Регуляция первого фермента неразветвлённого пути биосинтеза конечным продуктом (наиболее простой):

 

А →Ф1В →Ф2 С →Ф3 D →Ф4 Е →Ф5 F

 

 

В этом случае если продукт накапливается в клетке в избытке он ингибирует активность первого фермента биосинтетического пути – ретроингибирование. Используется клеткой для синтеза некоторых аминокислот. Например, при синтезе L-изолейцина (пять последовательных ферментативных реакций). Аллостерический фермент – треониндезаминаза.

2. Регуляция первого фермента разветвлённого пути биосинтеза. Для разветвлённых путей биосинтеза механизм регуляции по принципу обратной связи усложняется – перепроизводство одного из продуктов пути не должно ингибировать синтез остальных. В регулировании активности принимают участие все конечные продукты разветвлённого пути. Аллостерический фермент имеет несколько аллостерических центров, а каждый конечный продукт выполняет роль эффектора. Например, синтез аминокислот семейства аспартата.

В случае разветвлённого пути возможны следующие варианты регуляции:

-каждый эффектор в отдельности не влияет на активность аллостерического фермента – мультивалентное ингибирование;

-каждый эффектор вызывает частичное ингибирование активности аллостерического фермента – кумулятивное (аддитивное) ингибирование;

-активность начального фермента ингибируется промежуточным продуктом, накопление которого контролируется конечными продуктами – последовательное ингибирование.

Некоторые аллостерические ферменты существуют в клетке в виде изоферментов – катализируют одну реакцию, а их активность контролируется различными продуктами в результате отличия в аллостерических центрах. Это позволяет конечным продуктам независимо друг от друга ингибировать активность «своего» изофермента. Это наиболее совершенный механизм регуляции путей биосинтеза.

Регуляция синтеза ферментов в клетке. В основном это регуляция на уровне транскрипции (возможна также регуляция на уровне трансляции, посттрансляционные процессы, регуляция распада ферментов). Этот тип регуляции основан на том, что «считывание» информации, заложенной в генах происходит избирательно и скорость синтеза мРНК, а следовательно и дальнейшая трансляция, находятся под сложным механизмом контроля.

Все ферменты можно подразделить (по скорости синтеза) на конститутивные и индуцибельные. Синтез конститутивных ферментов происходит с постоянной, не зависящей от условий среды, скоростью. Эти ферменты присутствуют в клетке постоянно. Количество индуцибельных ферментов может существенно изменяться в зависимости от наличия в среде определённых веществ (субстратов). При отсутствии в среде субстратов их содержание в клетке минимально (несколько молекул), а при их наличии оно возрастает до нескольких процентов. Такой тип регуляции характерен для катаболических ферментов. Для ферментов, участвующих в анаболизме, характерна репрессия их синтеза конечным продуктом (при накоплении в клетке продукта ферментативных реакций количество ферментов падает), а при снижении концентрации конечного продукта происходит дерепрессия синтеза фермента (аналогична явлению индукции катаболических фрментов).

Репрессия синтеза фермента конечным продуктом. Данный тип регуляции характерен для большинства анаболических ферментов. Он осуществляется белками-репрессорами, а факторы, модифицирующие их активность – эффекторы (конечные и промежуточные продукты биосинтетических путей). Информация о структуре репрессоров заложена в генах-регуляторах.

Репрессор – аллостерический белок, который имеет центр связывания с эффектором и центр связывания с определённым участком ДНК – геном-оператором. Гены-регуляторы расположены на некотором расстоянии от структурных генов. В бактериальных хромосомах структурные гены часто объединяются в группы, которые находятся под контролем одного гена-оператора – опероны или под контролем одного гена-регулятора – регулоны. Гены, объединённые в регулон могут находиться в разных участках бактериальной хромосомы. Например, структурные гены, ответственные за синтез аргинина у E. coli.

Репрессия синтеза ферментов. Рисунок (схема):

 

 

 

Индукция синтеза ферментов. Индукция синтеза ферментов лактозного оперона. Рисунок (схема):

 

 

 

Катаболитная репрессия. В случае катаболитной репрессии быстро используемый клеткой субстрат способен подавлять синтез ферментов других путей катаболизма, участвующих в превращении сравнительно медленно используемых источников углерода и энергии. Например, при наличии в среде одновременно глюкозы и лактозы, клетки E. coli сначала используют глюкозу, а транскрипция лактозного оперона начинается тогда, когда вся глюкоза в среде будет использована. Это связано с наличием в клетке циклического АМФ (3¢,5¢цАМФ):

 

АТФ ® цАМФ + ФФн (реакция катализируется мембрансвязанным ферментом – аденилатциклазой)

 

цАМФ способен связываться с низкомолекулярным белком – катаболитным активатором, который в свободном состоянии не активен. Комплекс цАМФ-катаболитный активатор присоединяется к промотору лактозного оперона, повышая сродство РНК-полимеразы к промотору. Количество цАМФ зависит от того фосфорилированы ли белки-переносчики глюкозы. При отсутствии глюкозы в среде они фосфорилированы и в этом состоянии повышают активность аденилатциклазы. Дефосфорилированные переносчики снижают активность аденилатциклазы.





Читайте также:





Читайте также:
Как построить свою речь (словесное оформление): При подготовке публичного выступления перед оратором возникает вопрос, как лучше словесно оформить свою...
Почему человек чувствует себя несчастным?: Для начала определим, что такое несчастье. Несчастьем мы будем считать психологическое состояние...

©2015 megaobuchalka.ru Все права защищены авторами материалов.

Почему 3458 студентов выбрали МегаОбучалку...

Система поиска информации

Мобильная версия сайта

Удобная навигация

Нет шокирующей рекламы



(0.011 сек.)