Биохимия и разновидности строения ферментов

Содержание
  1. Определение ферментов
  2. Основные свойства ферментов
  3. Структурно-функциональная организация ферментов
  4. Схема строения ферментов
  5. Схема формирования сложного фермента
  6. Схема строения аллостерического фермента
  7. Изоферменты лактатдегидрогеназы
  8. Мультиферментные комплексы
  9. Причины изменения активности ферментов в крови
  10. Ферменты сыворотки крови
  11. Единицы измерения активности ферментов
  12. Аминотрансферазы
  13. Креатинфосфокиназа (КФК) или креатинкиназа
  14. Щелочная фосфатаза
  15. Кислая фосфатаза
  16. Амилаза
  17. Стереоспецифичность аспартазы к транс-изомеру субстрата
  18. Реакция расщепления мочевины
  19. Схематичное представление теории Фишера
  20. Влияние рН
  21. Общая характеристика
  22. Абзимы
  23. Концентрация
  24. Механизм активности
  25. Катализ
  26. Классификация
  27. Температура
  28. Вещества-регуляторы
  29. Ингибирование
  30. Ферменты: общая характеристика, функции, виды и механизмы действия
  31. Современная энзимология
  32. Ферменты: белковая природа
  33. Состав ферментов
  34. Активирование ферментов в организме
  35. Роль ферментов и практическое использование
  36. Ферменты: препараты для медицинского применения

Определение ферментов

Ферментами называются вещества белковой природы, которые значительно повышают скорость химических реакций благодаря своей способности к специфическому активированию других веществ. Роль ферментов для всего живого на Земле огромна, так как все реакции в живой клетке регулируются путем ферментативного катализа.

В настоящее время в литературе описано свыше 2000 ферментов, которые катализируют реакции шести основных типов. Именно тип катализируемой реакции лежит в основе системы классификации ферментов, рекомендованной Комиссией Международного Биохимического Союза по ферментам в 1961 году. Согласно этой классификации выделяют следующие классы ферментов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы (синтетазы).

Препараты ферментов широко используются в различных отраслях промышленности и сфера их применения неуклонно расширяется. Применение ферментных препаратов позволяет существенно усовершенствовать и интенсифицировать многие существующие технологии, а также создать принципиально новые высокоэффективные процессы. Следует отметить, что большинство ферментов, использующихся в отраслях, перерабатывающих биологическое сырье, относятся к классу гидролаз.

Основные свойства ферментов

Ферменты, как биокатализаторы обладают рядом свойств, которые отличают их от обычных неорганических катализаторов, в частности необычайно высокой каталитической эффективностью. Они способны повышать скорость катализируемых ими реакций в 108-1020 раз.

Другим важнейшим биологическим свойством ферментов является специфичность в отношении субстрата, характеризующая их способность катализировать строго определенные типы превращений. Выделяют четыре основные группы специфичности:

1. Абсолютную специфичность, когда фермент катализирует превращение только одного субстрата;

2. Групповую специфичность, когда фермент действует на группу родственных субстратов, обладающих определенными структурными особенностями;

3. Специфичность по отношению к определенным типам реакций – такие ферменты обнаруживают наименьшую специфичность и действуют независимо от того, какие группы присутствуют вблизи той связи, на которую направлено действие фермента;

4. Стереохимическую специфичность – когда фермент катализирует превращение только одной стереохимической формы субстрата.

Одним из отрицательных свойств ферментов является лабильность, обусловленная их белковой природой и сложной пространственной конфигурацией. Ферменты подвержены влиянию различных факторов и могут изменять свою активность под действием рН, температуры, а также присутствия активаторов и ингибиторов.

Молекулярная масса ферментов лежит в пределах от 9 до 1000 кДа. Установлено, что размеры молекул ферментов обычно во много раз превышают размеры молекул субстрата, на который действует фермент, что является одной из характерных особенностей ферментативного катализа. Вследствие значительного различия в размерах молекула субстрата может находиться в контакте лишь с ограниченной частью молекулы фермента – его активным центром. Активный центр фермента представляет собой комбинацию различных химических группировок в молекуле фермента, которые обуславливают его каталитическое действие, которые располагаются в углублении белковой молекулы, по форме комплиментарном субстрату. Понятие активного центра лежит в основе большинства теорий, объясняющих механизм действия ферментов.

Учитывая правила классической энзимологии, процесс взаимодействия фермента и субстрата протекает в три стадии: присоединение субстрата к макромолекуле фермента, непосредственно ферментативная реакция, и отделение продуктов превращения субстрата от фермента:

Е + SESP + E,

где Е – фермент, S – субстрат, ЕS – фермент-субстратный комплекс, Р – продукты реакции.

Стадия присоединения субстрата к молекуле фермента является самой быстрой стадией процесса, причем скорость ее протекания зависит от структур фермента и субстрата, природы среды, в которой осуществляется ферментативная реакция, рН и температуры. Взаимодействию фермента с субстратом предшествует сближение и ориентация субстрата по отношению к активному центру фермента, после чего образуются фермент-субстратные комплексы, существование которых доказано спектроскопическими методами и методами рентгеноструктурного анализа и электронного парамагнитного резонанса.

Взаимодействие фермента с субстратом вызывает локальное конформационное изменение белковой макромолекулы фермента, в результате чего комплементарность его активного центра к субстрату повышается, что обеспечивает возможность осуществления каталитического процесса.

Структурно-функциональная организация ферментов

В составе фермента выделяют области, выполняющие различную функцию:

1. Активный центр – комбинация аминокислотных остатков (обычно 12-16), обеспечивающая непосредственное связывание с молекулой субстрата и осуществляющая катализ. Аминокислотные радикалы в активном центре могут находиться в любом сочетании, при этом рядом располагаются аминокислоты, значительно удаленные друг от друга в линейной цепи. В активном центре выделяют два участка:

  • якорный (контактный, связывающий) – отвечает за связывание и ориентацию субстрата в активном центре,
  • каталитический – непосредственно отвечает за осуществление реакции.

Схема строения ферментов

У ферментов, имеющих в своем составе несколько мономеров, может быть несколько активных центров по числу субъединиц. Также две и более субъединицы могут формировать один активный центр.

У сложных ферментов в активном центре обязательно расположены функциональные группы кофактора. Например, в реакции превращения пировиноградной кислоты (пируват) в молочную кислоту (лактат) сначала к апоферменту лактатдегидрогеназы присоединяется НАД, формируется активный центр, и только потом входит пируват.

Схема формирования сложного фермента

Аллостерический центр (allos – чужой) – центр регуляции активности фермента, который пространственно отделен от активного центра и имеется не у всех ферментов. Связывание с аллостерическим центром какой-либо молекулы, называемой активатором или ингибитором (или эффектором, модулятором, регулятором), вызывает изменение конфигурации белка-фермента и, как следствие, скорости ферментативной реакции.

Аллостерические ферменты являются полимерными белками, активный и регуляторный центры находятся в разных субъединицах.

Схема строения аллостерического фермента

В качестве такого регулятора может выступать продукт данной или одной из последующих реакций, субстрат реакции или иное вещество.

Изоферменты лактатдегидрогеназы

Также существует пять изоферментов лактатдегидрогеназы (роль ЛДГ) – фермента, участвующего в обмене глюкозы. Отличия между ними заключаются в разном соотношении субъединиц Н (англ. heart – сердце) и М (англ. muscle – мышца). Лактатдегидрогеназы типов 1 (Н4) и 2 (H3M1) присутствуют в тканях с аэробным обменом (миокард, мозг, корковый слой почек), обладают высоким сродством к молочной кислоте (лактату) и превращают его в пируват. Изоферменты ЛДГ-4 (H1M3) и ЛДГ-5 (М4) находятся в тканях, склонных к анаэробному обмену (печень, скелетные мышцы, кожа, мозговой слой почек), обладают низким сродством к лактату и катализируют превращение пирувата в лактат. В тканях с промежуточным типом обмена (селезенка, поджелудочная железа, надпочечники, лимфатические узлы) преобладает ЛДГ-3 (H2M2). Определение активности разных изоферментов ЛДГ в сыворотке крови имеет клинико-диагностическое значение.

Еще одним примером изоферментов является группа гексокиназ, которые присоединяют фосфатную группу к моносахаридам гексозам и вовлекают их в реакции клеточного метаболизма. Из четырех изоферментов выделяется гексокиназа IV (глюкокиназа), которая отличается от остальных изоферментов высокой специфичностью к глюкозе, низким сродством к ней и нечувствительностью к ингибированию продуктом реакции.

Мультиферментные комплексы

В мультиферментном комплексе несколько ферментов прочно связаны между собой в единый комплекс и осуществляют ряд последовательных реакций, в которых продукт реакции непосредственно передается на следующий фермент и является только его субстратом. Возникает туннельный эффект, т.е. субстрат попадает в созданный ферментами “туннель”. В результате промежуточные метаболиты избегают контакта с окружающей средой, снижается время их перехода к следующему активному центру и значительно ускоряется скорость реакции.

Причины изменения активности ферментов в крови

Степень изменения активности ферментов клеточного метаболизма в сыворотке крови зависит от массы пораженного органа, распределения ферментов между тканями, локализации ферментов во внутриклеточных органеллах. При воспалительных процессах из клетки в первую очередь выходят цитоплазматические ферменты, при прогрессировании заболевания наблюдается некроз клеток и происходит разрушение органелл. В плазме обнаруживаются ферменты митохондрий и лизосом. Например, аланинаминотрансфераза (АЛТ, АлАТ) локализована в цитоплазме, а аспартатаминотрансфераза (АСТ, АсАТ) и в цитоплазме, и в митохондриях, глутаматдегидрогеназа – митохондриальный фермент.

Повышение активности в сыворотке крови может быть результатом ускорения процессов:

  • синтеза – щелочная фосфатаза при рахите, гепатите,
  • некроза клеток – АлАТ, АсАТ, ЛДГ, КК при инфаркте миокарда, кислая фосфатаза при аденоме простаты, липаза, амилаза при панкреатитах,
  • понижения выведения – щелочная фосфатаза при желчнокаменной болезни,
  • повышения проницаемости клеточных мембран – АлАТ, АсАТ, ЛДГ при гепатите.

Снижение активности вызывается:

  • уменьшением числа клеток, секретирующих фермент (холинэстераза при циррозе печени),
  • недостаточностью синтеза,
  • увеличением выведения фермента,
  • торможением активности в результате действия протеиназ.

В ряде случаев определенное диагностическое значение имеет установление взаимоотношений между изменением активности отдельных ферментов и получение своеобразных ферментных спектров крови. При этом удается установить достоверные ферментные симптомы отдельных заболеваний.

Например,

  • острые гепатиты характеризуются резким увеличением активности аланин- и аспартатаминотрансфераз и альдолазы,
  • инфаркт миокарда сопровождается увеличением активности лактатдегидрогеназы, креатинкиназы, аспартатаминотрансферазы,
  • при механических желтухах характерным является нарастание содержания щелочной фосфатазы без большого увеличения активности аминотрансфераз и альдолазы.

Ферменты сыворотки крови

  1. Ферменты, секретируемые в плазму, и выполняющие в ней специфические функции – истинноплазменные ферменты. В плазме их активность много больше, чем в органах (церулоплазмин, псевдохолинэстераза, липопротеинлипаза, белковые факторы систем свертывания крови, фибринолиза и кининогенеза, ренин).
    Снижение активности этих ферментов в плазме будет свидетельствовать о снижении синтетической способности клеток или о накоплении ингибиторов в плазме крови.
  2. Ферменты, не характерные для плазмы – органоспецифичные. Именно определение активности этих ферментов чаще всего используют для верификации диагноза и контроля лечения. Выделяют две группы органоспецифичных ферментов:

1.Ферменты клеточного метаболизма (индикаторные) – их активность резко повышается в плазме крови в случае нарушения проницаемости клеточных мембран или их альтерации:

Например,

  • при изменениях со стороны сердечной мышцы происходит повышение активности сердечного изофермента креатинкиназы (КК-MB), изоферментов лактатдегидрогеназы 1 и 2 (ЛДГ-1 и ЛДГ-2), аспартатаминотрансферазы,
  • нарушения скелетных мышц – мышечного изофермента креатинкиназы (КК-MM), алкогольдегидрогеназы,
  • костной ткани – щелочной фосфатазы (ЩФ), альдолазы (АЛД),
  • предстательной железы – кислой фосфатазы,
  • гепатоцитов – аланинаминотрансферазы, глутаматдегидрогеназы, холинэстеразы, сорбитолдегидрогеназы,
  • желчевыводящих путей – щелочной фосфатазы, γ-глутамилтранспептидазы (γ-ГТП).

2. Ферменты, экскретируемые в выводные протоки желчных путей, панкреатические и слюнные протоки. В норме активность таких ферментов в плазме намного ниже, чем в клетках и имеет постоянное значение (α-амилаза, липаза поджелудочной железы). Изучение активности этих ферментов позволяет судить о функционировании соответствующего органа.

Единицы измерения активности ферментов

Активность ферментов выражают в каталах (1 катал = 1 моль/с), в единицах активности (1 Е = мкмоль/мин или 1 U, 1 unit – стандартная международная единица фермента), в производных от других единиц измерения (моль/с×л, мкмоль/с×л, мкмоль/ч×мл, мг/ч×мл, в мккат/л).

Аминотрансферазы

Аминотрансферазы катализируют процессы трансаминирования (перенос NH3-группы от аминокислоты , на кетокислоту), широко распространены во всех органах и тканях. В клинической лабораторной диагностике наиболее часто определяются два фермента из этого класса: аланинаминотрансфераза (АлАТ) и аcпартатаминотрансфераза (АсАТ). АлАТ выводится из кровотока несколько медленнее, чем АсАТ, поэтому активность АлАТ в норме выше, чем АсАТ. Более высокая активность АлАТ также связана с преимущественной локализацией фермента в цитоплазме, а АсАТ имеет и цитоплазматические, и митохо ндр иаль ные изоф ерменты.

Норма в сыворотке крови: АлАТ — 28- 191 нмоль/с-л, АсАТ — 28-125 нмоль/с-л. В Ед/л активность АлАТ и АсАТ составляет для лиц старше 17 лет у женщин — до 31 Ед/л, у мужчин — до 41 Ед/л.

    Причины повышенного АлАТ в сыворотке:
  • любое повреждение печени (гепатит, жировая дистрофия, цирроз, механическая желтуха, токсическое повреждение, опухоли)
  • гемолитические анемии
  • ожоговая болезнь
  • обширная травма и заболевания скелетных мышц
  • острый инфаркт миокарда, миокардит

АсАТ в высоких концентрациях присутствует в клетках сердечной и скелетных мышц, печени, почках, эритроцитах. Поражение любого из этих органов приведет к повышению уровня АсАТ в сыворотке. Причины повышения АсАТ представлены в таблице ниже.

Причины повышения АсАТ в сыворотке крови:
Артефактные Гемолиз эритроцитов in vitro
Физиологические У новорожденных активность в 1,5 раза выше, чем у взрослых
Патологические Недостаточность кровообращения при шоке и гипоксии, инфаркт миокарда, острый вирусный или токсический гепатит, инфаркт легких, брыжейки, почек, цирроз печени, механическая желтуха, метастазы опухоли в печень, поражение скелетной мускулатуры, травмы и оперативные вмешательства, выраженный внутрисосудистый гемолиз, панкреатит, дерматомиозит

Незначительное повышение аминотрансфераз может отмечаться после приема витамина С, антибиотиков (особенно из групп аминогликозидов и макролидов), холинэргических средств, морфия. Гиповитаминоз В6, повторный гемодиализ, почечная недостаточность и беременность могут приводить к снижению трансфераз.

Креатинфосфокиназа (КФК) или креатинкиназа

Принимает участие в энергетическом обмене клеток мышечной, нервной и других тканей. Катализирует обратимую реакцию фосфорилирования креатинина: креатинфосфат -> креатинин + АТФ.
Молекула креатинкиназьт является димером, состоящим из субъединиц двух типов: В (brain — мозговая) и М (muscle — мышечная). Комбинация субъединиц образует три изофермента: ВВ-КФК (мозговой), МВ-КФК (сердечный) и ММ-КФК (мышечный).

Норма содержания креатинкиназы в сыворотке крови 10-110 МЕ/л. Активность ММ-КФК в сыворотке крови составляет 94-96%, МВ-КФК — 4-6%. ВВ-КФК определяется лишь в следовых количествах или не выявляется в периферической крови.

Причины повышения ММ-КФКм сыворотке:
— повреждения и заболевания скелетных мышц;
— неотложные состояния (отравления, комы, ТЭЛА).
Причины повышения МВ-КФК в сыворотке:
— острый инфаркт миокарда;
— миокардит, миокардиодистрофия;
— нестабильная стенокардия;
— затяжные аритмии.
Причины появления ВВ-КФК в сыворотке:
— острые нарушения мозгового кровообращения;
— черепно-мозговая травма;
— рак мочевого пузыря, легкого, предстательной железы, кишечника, печени, матки, яичка;
— некоторые психические заболевания (шизофрения, эпилепсия, МДП).

Щелочная фосфатаза

Оптимум pH для щелочной фосфатазы (ЩФ) составляет 8,6 — 10,1. В сыворотке присутствует несколько изоферментов ЩФ.
1. Костная ЩФ.
Секретируется остеобластами — крупными одноядерными клетками, лежащими на поверхности костного матрикса в местах интенсивного формирования костной ткани. У детей костная фосфатаза повышена до периода полового созревания.
2. Печеночная ЩФ — маркер холестаза, высвобождается из эпителия поврежденных желчных протоков. Сывороточная активность ЩФ резко возрастает за счет печеночного изофермента при обтурационных желтухах, когда нарушение выведения фермента с желчью приводит к тому, что он вновь поступает в кровь.
3. Кишечная фосфатаза синтезируется энтероцитами, поступает впросвет тонкого кишечника и частично всасывается в кровь. Вклад изофермента в общую активность невелик. Кишечная ЩФ может быть увеличена у лиц с первой и третьей группами крови, особенно после приема пищи, а также при диарее.
4. Почечная ЩФ частично всасывается в кровь, но в основном выводится с мочой. Определение ее в моче используется для диагностики заболеваний почек (гломерулонефрит, пиелонефрит).
5. Плацентарная ЩФ появляется в сыворотке крови матери при беременности, особенно в третьем триместре. Данный показатель может применяться в качестве дополнительного критерия оценки функции плаценты при беременности, осложненной бактериальными или вирусными инфекциями.
6. Неидентифицированные изоферменты ЩФ (так называемые изоферменты Regan и Nagao) имеют опухолевое происхождение и наиболее часто определяются при раке легкого.
Норма содержания общей щелочной фосфатазы в сыворотке крови : 60-310 МЕ/л.
Наибольший вклад в сывороточную активность щелочной фосфатазы дают ее костный и печеночный изоферменты. В зависимости от возраста они составляют: до 18 лет костный — 85%, печеночный — 15%; 18-30 лег — 60 и 40% соответственно. После 30 лет активность печеночного изофермента составляет 60% и выше.

    Причины повышенной щелочной фосфатазы в сыворотке:
  • заболевания печени (гепатит, цирроз, рак, токсическое поражение)
  • болезни желчевыводящих путей (обтурационная желтуха, холециститы, холангиты)
  • поражение костей (рахит, переломы, остеомиелиты, остеомаляции)
  • повышение функции паращитовидных желез
  • лейкозы, миеломная болезнь
  • инфекционный мононуклеоз
    Причины пониженной щелочной фосфатазы в сыворотке:
  • гипотиреоз
  • гиповитаминоз С, гипервитаминоз Д
  • старческий остеопороз
  • выраженная анемия
  • гипофизарный нанизм

Кислая фосфатаза

Под этим названием подразумевается группа лизосомальных ферментов, имеющих оптимум pH действия ниже 7,0 и выявляющихся практически во всех органах и тканях. У мужчин половину содержащейся в крови кислой фосфатазы (КФ) составляет предстательный изофермент, остальную часть — печеночный, эритроцитарный и тромбоцитарный. У женщин КФ происходит преимущественно из печени, эритроцитов и тромбоцитов.

Норма содержания общей кислой фосфатазы в сыворотке крови: 0,05-0,13 ммоль/ч*л.

Чаще всего тест используется при наблюдении за течением рака простаты у мужчин. Однако, поскольку уровень КФ не повышен на ранних стадиях заболевания и при доброкачественной гипертрофии, тест не рекомендуется при скрининге.
Причины повышения кислой фосфатазы в сыворотке крови:
— рак простаты, особенно при метастазировании в кости;
— заболевания гепатобилиарной системы;
— сфинголипидозы (болезни Гоше, Нимана-Пика);
— гемолитические анемии.

Амилаза

Этот фермент осуществляет расщепление α-1,4-связей в молекулах гликогена и крахмала. Плазма крови человека содержит два изофермента — панкреатическую α-амилазу (тип Р) и слюнную (тип S). Амилолитическую активность проявляют также кишечник, печень, почки, легюте, жировая ткань. Содержание S-амилазы составляет 45-70% общей активности фермента в плазме. В отдельных случаях в сыворотке практически здоровых людей обнаруживается так называемая макроамилаза, образованная комплексом фермента с Ig.
Молекулярная масса панкреатической амилазы и амилазы слюны практически одинакова, но они отличаются зарядами. Изоамилаза слюны имеет больший «отрицательный» заряд и плохо фильтруется через почечный фильтр, а P-тип быстро выводится с мочой из организма. В связи с этим определение амилазы в моче можно использовать для оценки функции поджелудочной железы. В моче α-амилаза называется диастазой.

Норма активности α-амилазы в сыворотке крови составляет 13-32 г/ч*л.

    Причины повышения активности α-амилазы в сыворотке крови:
  • острый панкреатит в первые 3-4 суток заболевания
  • острые хирургические заболевания органов брюшной полости (острый аппендицит, кишечная непроходимость, мезен териальный тромбоз, перитонит, перфорация язвы и др)
  • эпидемический паротит
  • почечная недостаточность

Снижение активности α-амилазы наблюдается при панкреонекрозе, заболеваниях печени, ожоговой болезни, гипотиреозе, сахарном диабете.
Диастаза мочи в норме составляет 16-64 Ед.
Уровень фермента значительно нарастает при остром панкреатите (до 512-1024 Ед) и сохраняется повышенным до 2 недель после приступа острого панкреатита. Другие острые заболевания органов брюшной полости сопровождаются менее значительным увеличением диастазы.
Повышенный уровень α-амилазы в плазме и низкий уровень диастазы мочи отмечается на фоне почечной недостаточности и циркуляции в крови макроамилазы.

Стереоспецифичность аспартазы к транс-изомеру субстрата

Абсолютная специфичность – фермент производит катализ только одного вещества. Например, аргиназа расщепляет только аргинин, уреаза расщепляет только мочевину, глюкокиназа фосфорилирует только D-глюкозу.

Реакция расщепления мочевины

Групповая специфичность – катализ субстратов с общими структурными особенностями, т.е. при наличии определенной связи или химической группы, например:

  • наличие пептидной связи: • бактериальный фермент субтилизин специфичен к пептидной связи независимо от строения образующих ее аминокислот, • пепсин катализирует разрыв пептидной связи, образованной аминогруппами ароматических аминокислот, • тромбин в своих субстратах расщепляет пептидную связь только между аргинином и глицином,
  • наличие α1,4-гликозидных связей в крахмале и гликогене – их гидролизует α-амилаза слюнной и поджелудочной желез,
  • наличие ОН-группы: алкогольдегидрогеназа окисляет до альдегидов одноатомные спирты (этанол, метанол, пропанол).

Относительная групповая специфичность – превращение субстратов с некоторыми общими признаками. Например, цитохром Р450 окисляет только гидрофобные вещества, которых насчитывается около 7000.

Схематичное представление теории Фишера

Теория Кошланда (модель “индуцированного соответствия”, “рука-перчатка”) – подразумевает гибкость активного центра. Присоединение субстрата к якорному участку фермента вызывает изменение конфигурации каталитического центра таким образом, чтобы его форма соответствовала форме субстрата.

Влияние рН

От кислотности зависит заряд молекулы. Соответственно, рН влияет на деятельность активного центра и специфичность фермента. Оптимальный показатель кислотности для каждого вещества свой. Однако в большинстве случаев она составляет 4-7. К примеру, для альфа-амилазы слюны оптимальная кислотность составляет 6.8. Между тем есть и ряд исключений. Оптимальная кислотность пепсина, к примеру, 1.5-2.0, химотрипсина и трипсина – 8-9.

Общая характеристика

Проявление каталитической активности некоторых ферментов обуславливается присутствием ряда соединений небелковой природы. Их именуют кофакторами. Они разделены на 2 группы: ионы металлов и ряд неорганических веществ, а также коферменты (органические соединения).

Абзимы

Абзимами называются антитела, имеющие каталитическую функцию (англ. abzymes, antibodies as enzymes) и катализирующие конкретные реакции. Такая способность возникает в результате формирования промежуточного продукта при связывании антитела с антигеном (имитация переходного комплекса E-X ферментативной реакции).

Концентрация

Чем больше будет присутствовать фермента, тем выше скорость реакции. Аналогичный вывод можно сделать и относительно концентрации субстрата. Однако теоретически для каждого вещества определено насыщающее содержание мишени. При ней все активные центры будут заняты имеющимся субстратом. При этом специфичность фермента будет максимальной, вне зависимости от последующего добавления мишеней.

Механизм активности

По своей химической природе ферменты относятся к группе белков. Однако, в отличие от последних, рассматриваемые элементы содержат активный центр. Он представляет собой уникальный комплекс функциональных групп остатков аминокислот. Они строго ориентированы в пространстве благодаря третичной либо четвертичной структуре фермента. В активном центре выделяют каталитический и субстратный участки. Последний – это то, чем обусловлена специфичность ферментов. Субстрат представляет собой то вещество, на которое действует белок. Ранее считалось, что их взаимодействие осуществляется по принципу “ключ к замку”. Другими словами, активный центр должен четко соответствовать субстрату. В настоящее время господствует иная гипотеза. Считается, что точное соответствие изначально отсутствует, однако оно появляется в ходе взаимодействия веществ. Второй – каталитический – участок влияет на специфичность действия. Другими словами, он определяет характер ускоряемой реакции.

Катализ

Возникновение любой химической реакции связано со столкновением молекул взаимодействующих веществ. Их движение в системе определяется наличием потенциальной свободной энергии. Для химической реакции нужно, чтобы молекулы приняли переходное состояние. Другими словами, у них должно быть достаточно силы для прохождения энергетического барьера. Он представляет собой минимальный объем энергии для придания всем молекулам реакционной способности. Все катализаторы, ферменты в том числе, способны снижать энергетический барьер. Это способствует ускоренному течению реакции.

Классификация

Существуют следующие виды специфичности ферментов:

  1. Стереохимическая. Она выражается в способности вещества влиять на один из возможных субстратных стереоизомеров. К примеру, фумаратгидротаза способна действовать на фумарат. При этом она не влияет на цис-изомер – малеиновую кислоту.
  2. Абсолютная. Специфичность ферментов этого типа выражается в способности вещества влиять только на конкретный субстрат. К примеру, сахараза реагирует исключительно с сахарозой, аргиназа – с аргинином и так далее.
  3. Относительная. Специфичность ферментов в этом случае выражена в способности вещества влиять на группу субстратов, имеющих связь одинакового типа. К примеру, альфа-амилаза реагирует с гликогеном и крахмалом. Они имеют связь гликозидного типа. Трипсин, пепсин, химотрипсин влияют на многие белки пептидной группы.

Температура

Ферменты обладают специфичностью в определенных условиях. Для большинства из них в качестве оптимальной принимают температуру +35…+45 град. При помещении вещества в условия с более низкими показателями, активность его будет снижаться. Это состояние именуется обратимой инактивацией. При повышении температуры его способности восстановятся. Стоит сказать, что при помещении в условия, где t будет выше указанных значений, также произойдет инактивация. Однако в этом случае она будет необратимой, поскольку не восстановится при понижении температуры. Это связано с денатурацией молекулы.

Вещества-регуляторы

Их можно разделить на ингибиторы и активаторы. Обе этих категории разделяются на неспецифические и специфические. К автиваторам последнего типа относят желчнокислые соли (для липазы в поджелужочной железе), хлорные ионы (для альфа-амилазы), соляную кислоту (для пепсина). Неспецифическими активаторами являются ионы магния, влияющие на киназы и фосфатазы, а специфическими ингибиторами – концевые пептиды проферментов. Последние представляют собой неактивные формы веществ. Они активируются при отщеплении концевых пептидов. Их определенные типы соответствуют каждому отдельному проферменту. К примеру, в неактивном виде трипсин вырабатывается в виде трипсиногена. Его активный центр закрывается концевым гексапептидом, который является специфическим ингибитором. В процессе активации происходит его отщепление. Активный центр трипсина в результате этого становится открытым. Неспецифическими ингибиторами являются соли от тяжелых металлов. К примеру, сульфат меди. Они провоцируют денатурацию соединений.

Ингибирование

Оно может быть конкурентным. Такое явление выражается в возникновении структурного сходства между ингибитором и субстратом. Они вступают в борьбу за связь с активным центром. Если содержание ингибитора выше, чем субстрата, формируется коплексфермент-ингибитор. При добавлении вещества-мишени соотношение поменяется. В результате ингибитор будет вытеснен. К примеру, сукцинат для сукцинатдегидрогеназы выступает как субстрат. Ингибиторами являются оксалоацетат или малонат. Конкурентными считаются влияния продуктами реакции. Зачастую они похожи на субстраты. К примеру, для глюкозо-6-фосфат продуктом является глюкоза. Субстратом же будет выступать глюкозо-6 фосфат. Неконкурентное ингибирование не предполагает структурного сходства между веществами. Ингибитор и субстрат одновременно могут связываться с ферментом. При этом идет образование нового соединения. Им является комплексфермент-субстрат-ингибитор. В ходе взаимодействия происходит блокирование активного центра. Это обуславливается связыванием ингибитора с каталитическим участком АЦ. Примером может служить цитохромоксидаза. Для этого фермента в качестве субстрата выступает кислород. Ингибиторами цитохромоксидазы являются соли синильной кислоты.

Ферменты: общая характеристика, функции, виды и механизмы действия

Различные химические процессы – основа жизнедеятельности любого организма. Главная роль в них отведена ферментам. Ферменты или энзимы являются природными биокатализаторами. В организме человека они принимают активное участие в процессе переваривания пищи, функционировании центральной нервной системы и стимуляции роста новых клеток. По своей природе ферменты относятся к белкам, предназначенным для ускорения различных биохимических реакций в организме. Расщепление белков, жиров, углеводов и минералов – процессы, в которых энзимы выступают одними из основных действующих компонентов.

Существует довольно много разновидностей ферментов, каждая из которых предназначена для воздействия на то или иное вещество. Белковые молекулы уникальны и не способны заменять друг друга. Для их активности необходим определенный температурный диапазон. Для ферментов человека идеальной является нормальная температура тела. Кислород и солнечный свет разрушает ферменты.

Современная энзимология

Для изучения ферментов и процессов, происходящих с их участием, предназначена отдельная область биохимической науки – энзимология. Впервые информация об особых белковых молекулах, действующих по принципу катализаторов, появилась в результате изучения пищеварительных процессов и реакций брожения, происходящих в организме человека. Существенный вклад в развитие современной энзимологии приписывается Л. Пастеру, который считал, что все биохимические реакции в организме происходят при участии исключительно живых клеток. О неживых «участниках» таких реакций впервые было заявлено Э. Бухнером в начале ХХ ст. В то время исследователю удалось определить, что катализатором в процессе сбраживания сахарозы с последующим выделением этилового спирта и диоксида углерода выступает бесклеточный дрожжевой экстракт. Данное открытие стало решительным толчком для подробного изучения так называемых катализаторов различных биохимических процессов в организме.

Уже в 1926 году был выделен первый фермент – уреаза. Автором открытия стал Дж. Самнер, сотрудник Корнеллского университета. После этого в течение одного десятилетия учеными был выделен ряд других энзимов, а белковая природа всех органических катализаторов – доказана окончательно. На сегодняшний день миру известно свыше 700 различных ферментов. Но при этом современная энзимология продолжает активное изучение, выделение и изучение свойств отдельных видов белковых молекул.

Ферменты: белковая природа

Так же как и белки , ферменты принято делить на простые и сложные. Первые представляют собой соединения, состоящие из аминокислот, например, трипсина, пепсина или лизоцима. Сложные энзимы, как упоминалось выше, состоят из белковой части с аминокислотами (апофермента) и небелковой составляющей, получившей названием кофактора. Только сложные ферменты могут участвовать в биореакциях. Кроме того, подобно белкам ферменты бывают моно- и полимерами, то есть состоят из одной или нескольких субъединиц.

Общими свойствами ферментов как белковых структур являются:

  • эффективность действия, подразумевающая значительное ускорение химических реакций в организме;
  • избирательность к субстрату и типу выполняемой реакции;
  • чувствительность к показателям температуры, кислотно-щелочного баланса и другим неспецифическим физико-химическим факторам среды, в которой действуют ферменты;
  • чувствительность к действию химических реагентов и др.

Состав ферментов

Состав ферментов объединяет в себе отдельные области, отвечающие за выполнение конкретных функций. Так, в составе ферментов, как правило, выделяют активный и аллостерический центры. Последний, к слову, есть далеко не у всех белковых молекул. Активный центр представляет собой сочетание остатков аминокислот, отвечает за контакт с субстратом и выполнение катализа. Активный центр в свою очередь делится на две части: якорную и каталитическую. Энзимы, состоящие их нескольких мономеров, могут содержать более одного активного центра.

Аллостерический центр отвечает за активность ферментов. Свое название такая часть ферментов получила из-за того что его пространственная конфигурация не имеет ничего общего с молекулой субстрата. Изменение скорости реакции, происходящей с участием фермента, обуславливается связыванием различных молекул именно с аллостерическим центром. Энзимы, содержащие в своем составе аллостерические центры, являются полимерными белками.

Активирование ферментов в организме

В отличие от ингибирования, активация ферментов подразумевает увеличение их действия в происходящих реакциях. Вещества, позволяющие получить необходимый результат, называются активаторами. Такие вещества могут иметь органическую и неорганическую природу. Например, органическими активаторами могут выступать желчные кислоты, глутатион, энтерокиназа, витамин С, разные тканевые ферменты и др. В качестве неорганических активаторов могут использоваться пепсиноген и ионы различных металлов, чаще всего двухвалентных.

Роль ферментов и практическое использование

Различные ферменты, реакции, происходящие с их участием, а также их результат нашли свое широкое применения в многообразных сферах. На протяжении многих лет действие ферментов активно используется в пищевой, кожевенной, текстильной, фармацевтической и многих других промышленных отраслях. Например, с помощью природных энзимов исследователи пытаются повысить эффективность спиртового брожения при изготовлении алкогольных напитков, улучшить качество продуктов питания, разработать новые методы похудения и др. Но стоит отметить, что использование ферментов в различных отраслях промышленности по сравнению с применением химических катализаторов значительно проигрывает. Ведь основная сложность воплощения такой задачи на практике является термическая неустойчивость энзимов и их повышенная чувствительность к воздействию различных факторов. Также невозможно многократное использование ферментов в производстве из-за сложности их отделения от готовых продуктов выполненных реакций.

Кроме того, свое активное применение действие ферментов обрело в медицине, сельскохозяйственной и химической отрасли. Рассмотрим подробнее, как и где может использоваться действие ферментов:

  • Пищевая промышленность. Всем известно, что хорошее тесто при выпекании должно подняться и разбухнуть. Но далеко не все понимают, как именно это происходит. В муке, из которой и готовится тесто, имеется множество различных ферментов. Так, амилаза в составе муки участвует в процессе разложения крахмала, при котором активно выделяется углекислый газ, способствующий так называемому «разбуханию» теста. Клейкость теста и удерживание в нем СО2 обеспечивается за счет действия фермента под названием протеаза, который также содержится в муке. Получается, что такие, казалось бы. простые вещи, как приготовление теста для выпечки, подразумевают под собой сложнейшие химические процессы. Также особую востребованность некоторые ферменты, реакции, происходящие с их участием, обрели в области производства алкоголя. Различные энзимы используются в составе дрожжей, обеспечивающих качество процесса брожения спирта. Кроме того, некоторые ферменты (например, папаин или пепсин) помогают растворять осадок в спиртосодержащих напитках. Также активно применяются ферменты в производстве кисломолочных продуктов и сыра в том числе.
  • В кожевенной отрасли ферменты используются для эффективного расщепления белков, что наиболее актуально при выведении стойких пятен от различных продуктов питания, крови и др.
  • В производстве стиральных порошков может использоваться целлюлаза. Но при использовании таких порошков для получения заявленного результата необходимо соблюдать допустимый температурный режим стирки.

Кроме того, в производстве кормовых добавок ферменты используются с целью увеличения их питательной ценности, гидролиза белков и некрахмальных полисахаридов. В текстильной промышленности ферменты позволяют изменять свойства поверхности текстильных изделий, а в целлюлозно-бумажной промышленности – удалять чернила и тонеры в процессе вторичной переработки бумаги.

Огромная роль ферментов в жизни современного человека неоспорима. Уже сегодня их свойства активно используются различными сферами, но также непрерывно ведутся поиски новых вариантов применения уникальных свойств и функций ферментов.

Ферменты: препараты для медицинского применения

В современной медицине особое место отводится использованию различных ферментов в диагностических и терапевтических целях. Также энзимы нашли свое применение в качестве специфических реактивов, позволяющих с точностью определять разные вещества. Например, выполняя анализ на определение уровня глюкозы в моче и сыворотке крови, в современных лабораториях используется глюкозооксидаза. Уреаза применяется для оценки количественного содержания мочевины в анализах мочи и крови. Разные виды дегидрогеназ позволяют с точностью определять наличие различных субстратов (лактат, пируват, этиловый спирт и т.д.).

Высокая иммуногенность ферментов значительно ограничивает их использование в терапевтических целях. Но, несмотря на это, так называемая энзимотерапия активно развивается, используя ферменты (препараты с их содержанием), как средство заместительной терапии или элемент комплексного лечения. Заместительная терапия применяется при заболеваниях ЖКТ, развитие которых вызвано недостаточной выработкой пищеварительного сока. При дефиците панкреатических энзимов их недостаток может компенсироваться посредством перорального приема лекарственных препаратов, в составе которых они присутствуют.

В роли дополнительного элемента в комплексном лечении ферменты могут использоваться при различных заболеваниях. Например, такие протеолитические энзимы, как трипсин и химотрипсин применяются при обработке гнойных ран. Препараты с ферментами дезоксирибонуклеазой и рибонуклеазой используются при лечении аденовирусных конъюнктивитов или герпетических кератитов. Ферментные препараты также применяются при лечении тромбозов и тромбоэмболий, онкологических заболеваний и др. Их использование актуально для рассасывания контрактур ожоговых и послеоперационных рубцов.

Применение ферментов в современной медицине весьма многообразно и данное направление постоянно развивается, что позволяет постоянно находить новые и более эффективные методы лечения тех или иных заболеваний.

Источники

  • http://foodtechnologist.ru/2016/03/01/opredelenie-fermentov-spetsifichnost/
  • https://biokhimija.ru/fermenty/stroenie-fermentov.html
  • https://biokhimija.ru/azot-krovi/fermenty-krovi.html
  • https://infolibrum.ru/analysis/ferments/organospetsificheskie-fermenty-v-krovi.html
  • https://biokhimija.ru/fermenty/specifichnost.html
  • https://FB.ru/article/283680/spetsifichnost-fermenta-vidyi-i-osobennosti-deystviya
  • https://yandex.ru/health/turbo/articles?id=4522

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: