функциональная организация ферментов
Работа добавлена на сайт samzan.net:
История открытия и изучения ферментов.
Структурно- функциональная организация ферментов.
Понятие специфичности. Ингибиторы ферментов, характеристика типов ингибрования
Ферменты - высоко специализированная группа макромолекул, преимущественно белковой природы, выполняющие функцию катализаторов (то есть способностью к ускорению химических реакций) и за счет этого участвующих в обеспечении жизненных процессов.
История открытий:
Ванн Гельм в начале 18 века – выдвинул гипотезу о ферментах.
Споланский и Реотефе –проделали опыт по перевариванию мяса.
1836г - Шванн обнаружил пепсин.
1814г - Киргоф доказал возможность расщепления при температуре сахара. 1907г - Байен и Берсо также занимались изучением.
1962г - Фашелевский выделил пепсин и амилазу из сока поджелудочной железы.
Пастер отстаивал теорию, что ферменты есть неотъемлемая часть живых организмов, но другие не верили. Он называл их организованными микроорганическими энзимами – веществами , которые сбраживают неорганизованные ферменты.
1894г - Решар выдвинул гипотезу «ключ – замок».
1902г - Браези и 1903г Анеми предположили, что в основе ферментативного катализа лежит гипотеза «ключ- замок».
1913г - разработана генетическая теория ферментов, выделение в кристаллическом виде уреазы.
с 1937г - начало систематического исследования внутриклеточных ферментов.
Общие представления о катализе
Вероятность протекания химической реакции определяется разницей между свободной энергией исходных веществ и продуктов реакции. Если свободная энергия выше исходных веществ, чем у продуктов ( т.е.G отрицательна), то возможно самопроизвольное течение реакции ( реакция экзергоническая). Обратное соотношение в показателях свободной энергии говорит об энергетической невозможности реакции ( реакция эндергоническая). Однако, энергетическая возможность протекания экзергонической реакции абсолютно ничего не говорит о том, какова будет скорость этой реакции. Например, реакция сгорания бензина в присутствии кислорода является резко экзергонической, но при обычной температуре окисление углеводородов бензина кислородом идет настолько медленно, что его трудно зарегистрировать. Достаточно же небольшого нагревания, т.е. какого то дополнительного количества энергии, как бензин воспламеняется и реакция сгорания ( превращения реагентов в продукты) протекает самопроизвольно с большой скоростью.
Скорость экзергонической реакции зависит от энергетического барьера, который необходимо преодолеть реагирующим веществам, причем высота этого барьера неодинакова для разных реакций.
Кинетическая энергия реакционноспособных молекул достаточна для преодоления этого барьера. Для характеристики скорости химических реакций Аррениус ввел понятие об энергии активации, или свободной энергии активации. Свободной энергией активации называется дополнительное количество энергии ( например, нагревание в приведенном выше случае с горением бензина), которое необходимо сообщить молекулам вещества, чтобы они преодолели энергетический барьер реакции, т.е. вступили в реакцию. В обычных условиях лишь небольшая доля молекул обладает необходимой кинетической энергией, способной преодолеть энергетический барьер.
Диаграмму изменения свободной энергии в ходе химической реакции можно представить в виде графика. Чем выше энергия активации, тем выше барьер и тем медленнее протекает реакция.
Фермент ( или катализатор) не влияет на изменение свободной энергии исходных веществ и продуктов реакции, те. энергетическая возможность реакции, определяемаяG, не зависит от фермента. Фермент понижает энергию активации реакции Еа, т. е. снижает высоту барьера, в результате возникает доля реакционно способных молекул, а значит, увеличивается и скорость реакции. Чем больше снижается энергия активации, тем эффективнее действует катализатор и тем больше ускоряется реакция. Каждый фермент, как и любой катализатор, имеет свой предел ускорения реакции.
Структура ферментов.
Большинство ферментов являются белками. Были выделены несколько ферментов – рибозины, образованные рнк. Для ферментов характерны все свойства белков.выделяют:
-первичная структура-последовательность аминокислот в цепи .число аминокислот варьирует: для мономерных - 100-300аминокислот, а молекулярная масса -12-50 кД. После синтеза на рибосомах цепь укладывается в компактную структуру.
-вторичная структура - глобула .цепь образует локально упорядочные области( альфа или бета),которые перемешаны беспорядочными участками. Ядро – гидрофобно, заряд - на поверхности. Плотность упаковки составляет – 0,75 (близко к углеводородам и воску).
-третичная структура - стабилизация водородными связями как внутри альфа,так и бета,гидрофобное взаимодействие радикалов, электростатическое взаимодействие S-S связей. основные принципы – является минимальное значение энтропии. На этот способ упаковки влияет pH, ионная сила, диэлектрическая проницаемость растворителя.
Некоторые ферменты могут иметь в своем составе несколько цепей в пределах одной глобулы. В начале как первичная цепь, а в процессе созревания происходит ограниченный протолиз с удалением участков цепи.
-четвертичная структура - состоит из нескольких не ковалентно связанных между собой субъединиц. количество их 2-8, а молекулярная масса несколько тысяч кД. Количество активных центров равно числу субъединиц.
Олигомерный фермент – он не активен, состоит из 4 субъединиц. Внутри клеток некоторые ферменты образуют мультиферментные системы, которые располагаются либо в цитоплазме, либо связанны с мембраной.
Мультиферментный комплекс – это комплекс, состоящий из разных ферментов. Эти ферменты составляют цепь из разных реакций.
12-16 аминокислот образуют активный центр. он имеет форму кармана, который сферически соответствует субстрату.основные функциональные группы, участвующие в катализе:
- СООН,
- NH2,
- OH,
-SH,
-имидогруппа,
-гидрофобные группы и другие.
В каталитическом центре выделяют каталитический участок и контактный участок. Каталитический участок обеспечивает правильное присоединение субстрата. в состав активного центра входит не белковый компонент- кофактор. Имеется центр для связи лигандов – аллостерический центр. Активный центр образуют аминокислоты, которые находятся далеко друг от друга.
сложные ферменты образованны белковой и небелковой частями. Белковая часть называется апофермент, небелковая часть кофактор, а весь комплекс хомоэнзим. Кофактор прочно ковалентными связями привязан к белку и называется простетической группой. Если этот комплекс легко удаляется, то тогда он называется кофермент ( коэнзим ). Он может поступать в качестве субстрата, образовывать комплексы или может поступать как донор или акцептор функциональных групп. Чаще всего это витамины или ионы металла.
Сходство и различия между ферментами и неферментными катализаторами
Ферменты и небиологические катализаторы, подчиняясь общим законам катализа, имеют следующие сходные признаки.
- Они катализируют только энергетически возможные реакции.
- Они никогда не изменяют направления реакции.
- Они не изменяют равновесия обратимой реакции, а лишь ускоряют его наступление.
- Они не расходуются в процессе реакции. Поэтому фермент в клетке работает до тех пор, пока по каким - либо причинам не разрушится.
Однако ферменты обладают и особыми качествами, отличающими их от небиологических катализаторов. Эти отличия связаны с особенностями строения ферментов, являющихся сложными белковыми молекулами.
- Скорость ферментативного катализа намного выше, чем небиологического. Из этого следует, что ферменты сильнее снижают энергию активации реакции, чем небиологические катализаторы.
- Ферменты обладают высокой специфичностью. Есть ферменты, действующие только на один из стереоизомеров вещества, тогда как платина, например, используется в качестве катализатора при самых разнообразных реакциях. Высокая специфичность позволяет ферментам направлять обмен веществ в строгое русло.
- Ферменты катализируют химические реакции в « мягких» условиях, т.е. при обычном давлении, невысокой температуре ( около 37оС) и рН среды, близком к нейтральной. Это отличает их от других катализаторов, действующих при больших давлениях, крайних значениях рН и высокой температуре.
Ферменты из-за белкового строения весьма чувствительны к изменениям температуры, т.е. термолабильны, и к сдвигам рН среды.
- Ферменты являются катализаторами с регулируемой активностью, чего нельзя сказать о небиологических катализаторах. Это уникальное свойство ферментов позволяет изменять скорость превращения веществ в организме в зависимости от условий среды, т.е. приспосабливаться к действию различных факторов.
- Скорость ферментативной реакции прямо пропорциональна количеству фермента, тогда как для небиологического катализа не существует строгой зависимости скорости реакции от количества катализатора. Поэтому недостаток фермента в живом организме означает низкую скорость превращения вещества и , наоборот, одним из путей приспособления клеток организма является образование дополнительных количеств фермента.
Специфичность действия ферментов.
Ферменты имеют разную специфичность и по отношению к субстратам. По степени специфичности ферменты делятся на следующие основные виды, упоминаемые в порядке снижения специфичности.
- Стереохимическая субстратная специфичность – фермент катализирует превращение только одного из возможных стереоизомеров субстрата. Это крайний случай специфичности. Например, фумаратгидратаза катализирует превращение только фумаровой кислоты ( присоединения к ней молекулы воды), но не ее стереоизомеров – малеиновой кислоты.
- Абсолютная субстратная специфичность – фермент катализирует превращение только одного субстрата. Например, уреаза катализирует превращение только мочевины.
- Абсолютная групповая субстратная специфичность – фермент катализирует превращение сходной группы субстратов. Например, алкогольдегидрогеназа катализирует превращение не только этанола, но и других алифатических спиртов, хотя и с разной скоростью.
- Относительная групповая субстратная специфичность – фермент специфически действует не на группу молекул субстрата, а на отдельные связи определенной группы субстратов. Например, пищеварительные ферменты – пепсин, трипсин – специфичны по отношению к пептидным связям, образованным определенными аминокислотами в разных белках.
- Относительная субстратная специфичность – фермент катализирует превращение субстратов, принадлежащих к разным группам химических соединений. Например, фермент цитохром Р450 участвует в гидроксилировании разных соединений (около 7000 наименований). Это наименее специфичная ферментная система, участвующая в превращении природных веществ, лекарств и ядов.
Ингибирование ферментов.
Ингибиторы представляют большой интерес для ронимания механизма ферментативного катализа. Применение различных веществ, связывающих функциональные группы контактного и каталитического участков активного центра фермента, может прояснить значение тех или иных групп, участвующих в катализе.
Ингибиторы характеризуются прежде всего таким общим признаком, как прочность связывания с ферментом. По этому признаку ингибиторы делятся на 2 группы: обратимые и необратимые. Отнести ингибитор к одной из двух групп позволяет критерий восстановления активности фермента после диализа. Необратимые ингибиторы прочно связываются с ферментом, и после этих процедур активность фермента не восстанавливается. Наоборот, комплекс фермент – обратимый ингибитор непрочен и быстро диссоциирует. Активность фермента при этом восстанавливается.
По механизму действия ингибиторы ферментов делятся на следующие основные типы: 1) конкурентные ; 2) неконкурентные; 3) бесконкурентные; 4) субстратные; 5) аллостерические.
Конкурентным ингибированием называется торможение ферментативной реакции, вызванное связыванием с активным центром фермента ингибитора, сходного по структуре с субстратом и препятствующего образованию фермент-субстратного комплекса. При конкурентном торможении ингибитор и субстрат, будучи сходными по строению, конкурируют за активный центр фермента. С активным центром связывается то соединение, молекул которого больше. С ферментом связан либо субстрат, либо ингибитор.
Неконкурентным ингибированием ферментов называется торможение, связанное с влиянием ингибитора на каталитическое превращение, но не на связывание субстрата с ферментом. Неконкурентный ингибитор или связывается непосредственно с каталитическими группами активного центра фермента, или , связываясь с ферментом вне активного центра, изменяет конформацию активного центра таким образом, что затрагивает структуру каталитического участка, мешая взаимодействию с ним субстрата. Поскольку неконкурентный ингибитор не влияет на связывание субстрата, то в отличие от конкурентного ингибирования наблюдается образование тройного комплекса.
Неконкурентными ингибиторами являются, например, цианиды, которые прочно соединяются с трехвалентным железом, входящим в каталитический участок геминового фермента – цитохромоксидазы. Блокада этого фермента выключает дыхательную цепь, и клетка погибает. К неконкурентным ингибиторам ферментов относятся ионы тяжелых металлов и их органические соединения. Поэтому ионы тяжелых металлов ртути, свинца, кадмия, мышьяка и других очень токсичны. Они блокируют, например, SH- группы, входящие в каталитический участок фермента. Комплекс фермент- ингибитор способен присоединять субстрат, но дальнейшего превращения субстрата не происходит, так как каталитические группы заблокированы. Снять действие неконкурентного ингибитора избытком субстрата ( как действие конкурентного) нельзя, а можно лишь веществами, связывающими ингибитор. Эти вещества называют реактиваторами.
Бесконкурентным ингибированием называется торможение ферментативной реакции, вызванное присоединением ингибитора только к комплексу фермент – субстрат. Бесконкурентный ингибитор не соединяется с ферментом в отсутствие субстрата. Более того, ингибитор облегчает присоединение субстрата, а затем, связываясь сам, ингибирует фермент. Это более редкий пример ингибирования, чем рассмотренные выше.
Субстратным ингибированием называется торможение ферментативной реакции, вызванное избытком субстрата. Такое ингибирование происходит вследствие образования фермент-субстратного комплекса, не способного подвергаться каталитическим превращениям.
2. 1 Понятие и классификация рисков1
3. зависшие деньги их российских клиентов а также крупные неоплаченные кредиты западных банков и их контраг
4. Слухи как инструмент маркетинга
5. Криминалистическая техник
6. модуль продольной упругости для стали МПа; ~ приведенный момент инерции поперечного сечения червяка мм4; ~ д
7. Потребительская корзина
8. Альбрехт Дюрер
9. UDENS предлагает потребителям электрические отопительные системы лучистого типа представленные электриче
10. Методические рекомендации по выполнению курсовой работы специальности 100114 Организация обслуживан
11. Почвы, их происхождение, свойства и их роль в жизни
12. Применение методов метрологии и стандартизации при поверке дифманометра ДМ-3583М
13. Тема урока Расцвет Руси при Ярославе Мудром Имя урока Почему княз
14. Системы химического мониторинга
15. на тему- Займ и кредит в гражданском праве Выполнила-
16. Курсовая работа- Статистика продукції легкої промисловості в Україні
17. ТЕМА 15 ОРГАНИЗАЦИЯ ВНЕДРЕНИЯ СТРАТЕГИИ КАК ВАЖНАЯ СТАДИЯ ПРОЦЕССА СТРАТЕГИЧЕСКОГО МЕНЕДЖМЕНТА Лекция 8
18. Построение структуры организации
19. экономическую ситуацию в стране во многом определяет возникший порочный круггосударство не способно собра
20. ТМК Окна ПВХпотолкижалюзи межкомнатные дверивходные двери рольставниху