Строение ферментов (структура и функции апоферментов и коферментов, роль витаминов в образовании и функционировании коферментов)

Ферменты (энзимы) – специфические белки, входящие в состав всех клеток и тканей живых организмов, играющие роль биологических катализаторов.

Доказательства белковой природы ферментов:

1. Инактивация ферментов при нагревании.

Инактивация ферментов совпадает с денатурацией белка. Ферменты разрушаются также под действием минеральных кислот, щелочей, солей, алкалоидов, при облучении рентгеновскими и ультрафиолетовыми лучами.

2. Электрохимические свойства ферментов.

a) Изоэлектрическая точка ферментов. В ней не обнаруживают подвижности ферментов в электрическом поле

b) Имеют большую молекулярную массу – от десятков тысяч до нескольких миллионов.

c) Высокая специфичность ферментов – избирательное взаимодействие только с определенными веществами.

d) Ферменты не способны проникать через полупроницаемые мембраны.

3. Ферменты при гидролизе, как и белки, распадаются на аминокислоты.

Различают следующие виды активных центров:

1. Субстратный (якорная площадка) активный центр – обеспечивает присоединение субстрата за счет образования слабых связей: водородных, ван-дер-ваальсовых, гидрофобных взаимодействий.

2. Каталитический активный центр – отвечает за превращение субстрата. В пространстве эти центры могут быть разделены, а могут быть совмещены.

3. Аллостерический (регуляторный) центр – обеспечивает присоединение низкомолекулярных веществ, приводит к изменению активности фермента. Аллостерический центр удален от субстратного и каталитического центров.

Закономерности построения активных центров:

1. Активные центры формируются за счет ограниченного числа аминокислот (12-16). Часто аминокислоты удалены друг от друга.

2. В построении активных центров часто участвуют аминокислоты: Гис, Сер, Лиз, Асп, Цис.

3. В построении активных центров сложных ферментов участвуют группировки кофакторов.

4. Олиго- и мультимерные ферменты на каждом протомере имеют свой каталитический и субстратный центр, аллостерический центр формируется за счет нескольких протомеров. При разрушении четвертичной структуры нарушается аллостерический центр и регуляция прекращается, а каталитическая функция характерная для протомера сохраняется.

5. Активный центр – это трехмерная структура, имеющая вид впадины или щели.

Теории, объясняющие механизм взаимодействия фермента и субстрата.

Теория Фишера – теория предшествующего соответствия, теория «ключ – замок». Согласно теории активный центр фермента существует и точно соответствует субстрату.

Недостатки (противоречия) теории:

1. Нет соответствия в термодинамических расчетах (разница в расчетном количестве выделяемой энергии и практически выделяемом количестве энергии).
2. По этой теории фермент может ошибаться и присоединять похожий субстрат.
3. Субстраты часто низкомолекулярные вещества, а ферменты высокомолекулярные, содержащие большое число аминокислот. Теория не объясняла существование групповой специфичности.

Теория Кошленда – индуцированного соответствия, т.е. активный центр формируется в момент взаимодействия фермента и субстрата, т.е. происходит подгонка. В субстрате происходит изменение связей. Наличие активных центров определяют специфичность.

Виды специфичности:

1. Абсолютная – одному субстрату соответствует один фермент.

Пример: уреаза катализирует расщепление мочевины, аспартаза катализирует взаимодействие NH₃ с фумаровой кислотой, в результате образуется аспарагиновая кислота.

2. Относительная групповая специфичность – фермент расщепляет группу субстратов, для которых характерен один тип связей.

Пример: пепсин расщепляет пептидную связь -CO-NH между аминокислотами. Аналогично действуют трипсин, химотрипсин, пептидазы.

Химотрипсин расщепляет пептидные связи между Три, Тир и Фен, при определенных условиях может расщеплять амидные и сложноэфирные связи.

3. Стереохимическая специфичность – избирательная способность фермента катализировать превращение только одного из возможных пространственных изомеров субстрата.

Пример: фумараза катализирует превращение фумаровой кислоты (трансизомер), но не действует на малеиновую кислоту (цисизомер).

При исследовании специфичности ферментов было установленно, что молекула субстрата должна обладать двумя структурными особенностями:

1. Субстрат должен содержать специфическую химическую связь, которую фермент может атаковать.

2. В молекуле субстрата должна быть функциональная группа, называемая связывающей группой, которая способна связываться с ферментом и ориентировать молекулу субстрата в активном центре фермента, чтобы атакуемая связь субстрата была правильно расположена по отношению к каталитической группе фермента.

Кофактор – низкомолекулярные вещества небелковой природы или ионы металлов, необходимые для осуществления ферментативных процессов.

Различают следующие кофакторы:

• простетические группы (небелковый компонент, который выполняет важную роль в биологической активности соответствующего белка), прочно связанные с белковым носителем (апоферментом);

• коферменты, сравнительно легко отделяемые от апофермента;
• ионы металлов (металлокоферменты).

Апофермент – белковый компонент сложных ферментов, определяет субстратную специфичность, участвует в регуляции каталитической активности.