Ферменти. Класифікація. Регуляція активності

Ферменти (E) – біокаталізатори, що є сполуками білкової природи. Це можуть бути прості або складні білки (які містять неамінокислотні компоненти).

Ферменти знижують енергію активації (ЕА), що дозволяє протікати реакцій за фізіологічних умов, зі швидкостями більш ніж 10 10 разів (300 років – 1 сек). За кожне перетворення одного метаболіту відповідає індивідуальний фермент. Основна властивість ферментів – розпізнавати певні метаболіти, каталізувати їх перетворення та забезпечувати регуляцію каталітичної активності. Таким чином, ферменти характеризуються субстратною специфічністю та специфічністю дії.

Реакції, що каталізуються ферментами, починаються зі зв'язування певного метаболіту – субстрату (S) з ферментом. Кожен фермент, як правило, взаємодіє лише з одним субстратом і каталізує його перетворення до встановлення рівноваги:

E + S↔ ES ↔ EP ↔ E + P

Впізнавання субстрату відбувається у процесі зв'язування його з ферментом. Молекули субстрату приєднуються у певному місці молекули ферменту – каталітичному чи активному центрі (АЦ). АЦ ферменту та субстрат підходять один до одного як ключ до замку (стеричні властивості субстрату, розподіл зарядів на його молекулі).

До амінокислот часто грають важливу роль в активному центрі ферменту, відносяться серин (ОН-група) та гістидин (N-імідазольного кільця).

Коферменти та простетичні групи.У зв'язуванні та подальшому перенесенні окремих фрагментів субстрату (наприклад, Н × ) поряд з ферментами беруть участь низькомолекулярні сполуки – коферменти та простетичні групи.

Коферменти (косубстрати чи переносники) зв'язуються з молекулою ферменту оборотно – приєднують фрагмент субстрату на ферменті, та був відокремлюються відйого, щоб передати цей фрагмент на іншому ферменті другому з'єднанню:

Простетичні групи (іони металів) міцно пов'язані з молекулами ферментів і не відокремлюються під час приєднання субстрату та перенесення фрагментів.

Багато вищих організмів не здатні синтезувати коферменти - отримують їх з їжею у вигляді вітамінів (потреба в них становить кілька мг на добу):

Піридиннуклеотиди.Нікотинамідаденіндінуклетід (NAD + ) і нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат (NAD(P) + ):

Групою, що визначає функцію цих коферментів, є амід нікотинової кислоти: перенесення Н + з субстрату разом з парою електронів (у вигляді гідрид-іону Н × на піридинове кільце, другий атом водню у вигляді Н + переходить у розчин).Малюнок (схема):

При 340 нм NAD×Н2 спостерігається максимальне поглинання.

Цей перенесення стереоспецифічний: так алкогольдегідрогеназу і лактатдегідрогеназу переносять атом водню на один бік піридинового кільця, а гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназу на іншу.

Відновлена форма NAD×Н2 від'єднується від одного ферменту і передається на інший, де бере участь у відновленні S або прямує в дихальний ланцюг. NAD(Р)×Н2 бере участь головним чином у відновлювальних етапах біосинтезу.

Номенклатура ферментів.Назва ферменту складається з:

1. Назви субстрату з додаванням суфікса-азу (аргіназа, фосфатаза – гідроліз відповідної групи);

2. Назви реакції з додаванням суфікса-аза (дегідрогеназа – відрив Н × , гідролаза, трансфераза).

Крім того, використовують:

-тривіальні назви ферментів (трипсин, пепсин, каталаза);

Наприклад, фермент 2.1.2. – трансфераза, що переносить одновуглецеві залишки – метильні.

Класифікаціяферментів.За типом каталітичної реакції ферменти поділяють на 6 класів: оксидоредуктази; трансферази; гідролази; ліази; ізомерази; лігази (синтетази).

1. Оксидоредуктази - беруть участь в окисно-відновних реакціях (переносять Н + або електрони). До їх складу входять коферменти. Вони поділяються відповідно до донора або акцептора е - .

2. Трансферази – здійснюють перенесення груп атомів (СН3, СООН, NH2, SO4, СНТ, РО4) за допомогою спеціальних переносників – коферментів.

3. Гідролази – здійснюють гідролітичне розщеплення субстрату. Назва ферменту будується відповідно до типу розривається зв'язку (пептидгідролази, глюкозидази).

4. Ліази – негідролітично відщеплюють від субстрату групи з утворенням подвійного зв'язку або приєднанням подвійного зв'язку СО2, Н2О, NH3 груп.

5. Ізомерази - каталізують перетворення ізомерів, в т.ч. рацемізацію, цис-транс, переміщення подвійного зв'язку, обмін груп асиметричного атома вуглецю, переміщення фосфатної групи.

6. Лігази - здійснюють синтез за рахунок макроергічних зв'язків (АТФ) (а також біотин у реакціях карбоксилювання).

Активність ферментів.Стандартна одиниця активності — кількість ферменту, що каталізує перетворення 1 мкмоль субстрату за хвилину за стандартних умов (українською та німецькою – Е, англійською, французькою, італійською, іспанською – U). Для деяких високомолекулярних речовин (білки, полісахариди) кількість мкмоль субстрату визначити не можна – використовують мікроеквівалент груп, що беруть участь у реакції. Для білка це кількість утворених вільних -СООН або -NH3 груп. Для полісахаридів – кількість прогідролізованих глікозидних зв'язків.

Молекулярна активність – число мкмоль субстрату чи еквівалентів,порушених реакцією груп, що прореагували протягом 1 хв з 1 ммоль ферменту або число стандарних одиниць активності, що містяться в 1 ммоль ферменту.

Регуляція активності ферментів у клітині.В інтактній клітині всі біохімічні реакції, що протікають, регулюються. Це забезпечує економічне використання поживних речовин, запобігає надмірному синтезу метаболітів і дозволяє клітині адаптуватися до умов навколишнього середовища (змінюється швидкість синтезу конкретних метаболітів).

Оскільки реакції у клітині каталізуються ферментами, регуляція метаболізму зводиться до регуляції інтенсивності ферментативних реакцій рахунок зміни активності ферментів та його кількості у клітині.

Регуляція активності ферментів.Активність ферментів залежить від фіхічних та хімічних факторів. Фізичні чинники (температура, тиск, випромінювання, електромагнітне поле) менш специфічні, ніж хімічні. Механізм дії хімічних факторів може бути заснований на зв'язуванні певних груп (субстрат, кофактори, інгібітори) з АЦ ферменту; взаємодії із спеціальними ділянками на поверхні ферменту (відмінними від АЦ).

Активність деяких ферментів регулюється шляхом хімічної модифікації (ковалентне оборотне зв'язування з певним ферментом групування). Наприклад, приєднання до глутамінсинтетазиE. coliзалишку аденілової кислоти призводить до зниження активності ферменту:

глутамінсинтетаза + АМФ ↔ глутамінсинтетаза-АМФ

Аналогічний механізм ацетилювання (деацетилювання) характерний для цитратліази бактерій, що фотосинтезують,Rhodopseudomonas gelatinosa(активна ацетильована форма ферменту).

Найбільш швидким та точним є механізм регуляції певного типу ферментів – алостеричних. Вонизаймають ключові позиції в обміні речовин (розташовуються спочатку метаболічних шляхів, місцях їх розгалужень або в місцях сходження):

1. А → В → С → D → Е → F

Термін алостеричне інгібування запроваджено 1961 р. Ж. Моно і Ф. Жакобом у тому, щоб підкреслити особливість цього типу регуляції – інгібітор взаємодіє з ферментом, структурно відрізняється від субстрату.

Алостеричні ферменти - білки з високою молекулярною масою, що складаються з декількох субодиниць одного або декількох типів (загальна властивість - містять регуляторний центр). У першому випадку субодиниці містять каталітичний та регуляторний центри. Регуляторний центр називається алостеричним. У другому – одні субодиниці містять каталітичний, інші регуляторний центр. У тому іншому випадку ці центри розділені просторово, але функціонально пов'язані.

З алостеричним центром пов'язуються певні метаболіти – ефектори (модулятори, модифікатори). Ними можуть бути субстрати та деякі кінцеві продукти метаболічних шляхів. Якщо вплив ефектора призводить до зниження активності ферменту – негативний ефектор (інгібітор). Позитивний ефектор – активатор посилює активність ферменту.

Регуляторна дія пов'язана з початковими етапами ферментативних реакцій – утворення фермент-субстратного комплексу (зміна спорідненості ферменту до субстрату внаслідок конформаційних змін (зміна третинної структури ферменту)).

Випадки алостеричної регуляції.

1. Регуляція першого ферменту нерозгалуженого шляху біосинтезу кінцевим продуктом (найпростіший):

А → Ф1 В → Ф2 С → Ф3 D → Ф4 Е → Ф5 F

У цьому випадку, якщо продукт накопичується в клітині в надлишку, він інгібує активність першого ферменту.біосинтетичного шляху – ретроінгібування. Використовується клітиною синтезу деяких амінокислот. Наприклад, при синтезі L-ізолейцину (п'ять послідовних ферментативних реакцій). Алостеричний фермент – треоніндезаміназа.

2. Регуляція першого ферменту розгалуженого шляху біосинтезу. Для розгалужених шляхів біосинтезу механізм регуляції за принципом зворотний зв'язок ускладнюється – надвиробництво однієї з продуктів шляху має інгібувати синтез інших. У регулюванні активності беруть участь усі кінцеві продукти розгалуженого шляху. Алостеричний фермент має кілька алостеричних центрів, а кожний кінцевий продукт виконує роль ефектора. Наприклад, синтез амінокислот сімейства аспартату.

У разі розгалуженого шляху можливі такі варіанти регулювання:

-Кожен ефектор окремо не впливає на активність алостеричного ферменту - мультивалентне інгібування;

-кожен ефектор викликає часткове інгібування активності алостеричного ферменту – кумулятивне (адитивне) інгібування;

-Активність початкового ферменту інгібується проміжним продуктом, накопичення якого контролюється кінцевими продуктами - послідовне інгібування.

Деякі алостеричні ферменти існують у клітині як ізоферментів – каталізують одну реакцію, які активність контролюється різними продуктами внаслідок відмінності в алостерических центрах. Це дозволяє кінцевим продуктам незалежно один від одного інгібувати активність свого ізоферменту. Це найдосконаліший механізм регуляції шляхів біосинтезу.

Регуляція синтезу ферментів у клітині.В основному це регуляція на рівні транскрипції (можлива також регуляція на рівні трансляції, посттрансляційні процеси,регуляція розпаду ферментів). Цей тип регуляції заснований на тому, що «зчитування» інформації, закладеної в генах, відбувається вибірково і швидкість синтезу мРНК, а отже і подальша трансляція, знаходяться під складним механізмом контролю.

Репресія синтезу ферменту кінцевим продуктом.Даний тип регуляції характерний для більшості анаболічних ферментів. Він здійснюється білками-репресорами, а фактори, що модифікують їхню активність – ефектори (кінцеві та проміжні продукти біосинтетичних шляхів). Інформація про структуру репресорів закладена у генах-регуляторах.

Репресор – алостеричний білок, який має центр зв'язування з ефектором та центр зв'язування з певною ділянкою ДНК – геном-оператором. Гени-регулятори розташовані певній відстані від структурних генів. У бактеріальних хромосомах структурні гени часто об'єднуються у групи, які перебувають під контролем одного гена-оператора – оперони або під контролем одного гена-регулятора – регулони. Гени, об'єднані в регулон, можуть знаходитися в різних ділянках бактеріальної хромосоми. Наприклад, структурні гени, відповідальні за синтез аргініну уE. coli.

Репресія синтезу ферментів. Малюнок (схема):

Індукція синтезу ферментів.Індукція синтезу ферментів лактозного оперону. Малюнок (схема):

Катаболітна репресія.У разі катаболітної репресії субстрат, що швидко використовується клітиною, здатний пригнічувати синтез ферментів інших шляхів катаболізму, що беруть участь у перетворенні порівняно повільно використовуваних джерел вуглецю та енергії. Наприклад, за наявності в середовищі одночасно глюкози та лактози, клітиниE. coliспочатку використовують глюкозу, а транскрипція лактозного оперону починається тоді, коли всяглюкоза у середовищі буде використана. Це пов'язано з наявністю в клітині циклічного АМФ (3¢,5¢цАМФ):

АТФ® цАМФ + ФФн (реакція каталізується мембранозв'язаним ферментом – аденілатциклазою)

цАМФ здатний зв'язуватися з низькомолекулярним білком – катаболітним активатором, який у вільному стані не є активним. Комплекс цАМФ-катаболітний активатор приєднується до промотору лактозного оперону, підвищуючи спорідненість РНК-полімерази до промотору. Кількість цАМФ залежить від того, чи фосфориловані білки-переносники глюкози. За відсутності глюкози у середовищі вони фосфорильовані і у цьому стані підвищують активність аденілатциклази. Дефосфорильовані переносники знижують активність аденілатциклази.