Изоферменты. Реферат изоферменты

Бесплатные курсовые, рефераты и дипломные работы

Большинство ферментов представлены в клетках организма в виде множественных молекулярных форм, называемых изоферментами или изоэнзимами. Изоферменты – это сходные по структуре белковые молекулы, способные катализировать одну и ту же биохимическую реакцию, но различающиеся по первичной структуре входящих в их состав полипептидов. Они имеют одинаковую структуру каталитического центра, вследствие чего обладают одним типом субстратной специфичности. Изоферменты одного и того же фермента отличаются оптимумами рН, температуры, других условий внешней среды, по их молярной активности, но все они катализируют одну и ту же реакцию. Когда из клеток организма выделяют какой-либо фермент и определяют его активность, то всегда имеют дело с конкретными изоферментами данного фермента.

Молекулы ферментов чаще всего представляют собой олигомеры, построенные … из двух или нескольких полипептидов, которые в той или иной степени различаются первичными структурами, но имеют однотипную третичную структуру и поэтому при взаимодействии образуют функционально родственные белки. Как было показано ранее, различающиеся первичными структурами полипептиды в составе олигомерных молекул кодируются разными генами, в связи с чем природа и набор изоферментов определяются генотипом организма.

Впервые механизм образования изоферментов был выяснен при изучении множественных молекулярных форм фермента лактатдегидрогеназы, катализирующего превращение молочной кислоты в пировиноградную в клетках человека и животных:

-2Н

СН3 – СН(ОН) – СООН ¾® СН3 – С – СООН

||

О

В ходе исследований были выделены кристаллические препараты лактатдегидрогеназы из клеток печени, сердечной мышцы и скелетных мышц и подвергнуты разделению методом электрофореза в щелочной буферной системе (рН 8,8). В таких условиях молекулы фермента имеют отрицательный заряд и в зависимости от величины заряда проявляют разную подвижность в направлении к аноду. В процессе электрофоретического разделения было выделено пять белковых фракций, каждая из которых представляла собой тетрамерные молекулы с молекулярной массой около 140 тыс., образованные из различных комбинаций двух типов полипептидов, обозначаемых Н и М. Полипептиды Н наиболее активно синтезируются в сердечной мышце и печени и больше содержат в своем составе остатков моноаминодикарбоновых кислот. Второй тип полипептидов М преимущественно синтезируется в скелетных мышцах и они характеризуются меньшим содержанием дикарбоновых аминокислот. С участием указанных типов полипептидов образуется пять разновидностей ферментных молекул, являющихся изоферментами лактатдегидрогеназы: Н4, Н3М, Н2М2, НМ3, М4. Каждая молекула изофермента как тетрамер состоит из 4 полипептидов, которые могут быть идентичными (Н4 и М4) или разными (Н3М, Н2М2, НМ3). Количественное содержание каждого изофермента в данной ткани зависит от концентрации в ней полипептидов Н и М.

Вследствие того, что полипептиды Н содержат больше в своем составе остатков дикарбоновых аминокислот, тетрамер Н4 при рН среды 8,8 имеет наибольший отрицательный заряд, вследствие чего быстрее движется к аноду в процессе электрофореза (рис. 19)

Тетрамер М4 характеризуется наименьшей подвижностью к аноду, так как его молекулы построены из полипептидов с меньшим содержанием дикарбоновых аминокислот. Другие изоферменты распределяются при электрофорезе между фракциями Н4 и М4 в зависимости от числа полипептидов Н и М в их молекулах.

На примере лактатдегидрогиназы мы видим, если молекула фермента — тетрамер, образованный из двух типов полипептидов, то возникают пять изоферментов. Но если молекулы тетрамерного фермента формируются из трех типов полипептидов, например А, Б и В, тогда возникают следующие комбинации полипептидов в молекуле: А4, Б4, В4, А3Б, А3В, А2Б2, А2В2, А2БВ, АБ3, АВ3, АБ2В, АБВ2, Б3В, В3Б, Б2В2. На этом примере видно, что набор изоферментов заметно возрастает при увеличении числа разных полипептидов, из которых строятся молекулы белка–фермента. Набор изоферментов также увеличивается при возрастании степени олигомерности молекулы фермента. Так, у лактатдегидрогиназы из двух разных полипептидов строятся тетрамерные молекулы и возникают 5 изоферментов, а у гексамерного белка из двух типов полипептидов образуются уже семь изоферментов, у октамерного белка – 9 и т.д. Таким образом, общий набор изоферментов данного ферментного белка определяется степенью олигомерности его молекулы и числом разных полипептидов, из которых образуются молекулы белка. Следует отметить, что к изоферментам не относятся молекулы фермента, измененные в результате повреждения структуры белка или модификации его молекул путем присоединения активных группировок (так называемая посттрансляционная модификация белков).

Поскольку изоферменты – это определенный набор белковых молекул, способных катализировать превращение одного и того же субстрата, то для их выявления используют методы разделения, принятые для белков, с последующим определением каталитической активности. Наиболее часто для разделения изоферментов используют метод электрофореза в полиакриламидном геле, который по сравнению с другими методами имеет наиболее высокую разрешающую способность. При разделении этим методом можно выявить изоферменты, различающиеся по суммарному заряду молекулы, который определяется содержанием в белке остатков моноаминодикарбоновых кислот. Если же в составе организма имеются генетические варианты молекул фермента, у которых различия в аминокислотном составе не приводят к изменению заряда молекулы, то для их разделения используют модификации электрофореза, основанные на других принципах, например, изоэлектрофокусирование белков.

Особенно большое разнообразие множественных молекулярных форм наблюдается у растительных ферментов. Практически каждый фермент представлен в растении в виде набора изоферментов, каждый из которых проявляет каталитическую активность в строго определенных условиях, зависящих от внутренней физиологической среды, что позволяет организму обеспечивать специфичность обмена веществ в данном органе, ткани или внутриклеточном компартменте (межклеточном отсеке). Так, например, в листьях и корнях растений разная физиологическая среда, но в них может проходить одна и та же реакция за счет того, что ее катализируют разные изоферменты данного фермента.

В процессе роста и развития растений постоянно изменяется внутренняя физиологическая среда и внешние условия, в соответствии с этим изменяется и набор изоферментов каждого фермента. Особенно заметно наблюдаются качественные и количественные изменения состава изоферментов при созревании и прорастании семян.

На рис. 21 показаны электрофореграммы изоферментов a-амилазы созревающего, зрелого и прорастающего зерна пшеницы, различающихся по их подвижности к аноду. При сравнении электорофореграмм видно, что в созревающем зерне пшеницы амилолитическую активность имеют четыре, изофермента с низкой подвижностью к аноду, а в прорастающем зерне также четыре, но уже других по электрофоретической подвижности изофермента. Вследствие того, что при созревании зерна происходит связывание амилаз белковыми ингибиторами в неактивный комплекс, в полностью созревшем зерне при благоприятных погодных условиях выявляется слабая амилолитическая активность только одного изофермента a-амилазы. Однако в зерновках, сформировавшихся при влажной погоде, активность большинства изоферментов a — амилаз, выявленных в созревающем зерне, сохраняется.

Наличие в клетках организма множественных молекулярных форм одного и того же фермента, проявляющих каталитическую активность при разных физиологических условиях позволяет организму осуществлять с необходимой интенсивностью биохимические процессы при изменении условий внешней среды.

Когда изменяются внешние условия, то они становятся неблагоприятными для проявления каталитической активности определенных изоферментов, но биохимическая реакция не прекращается, так как вступают в действие другие изоферменты, которые способны катализировать данное превращение в изменившихся условиях. Если появляется новый изофермент, то он расширяет диапазон выживаемости организма. Чем больше набор изоферментов, тем шире диапазон их действия и лабильнее происходит адаптация организма к неблагоприятным факторам внешней среды.

Изучение ферментных систем растений показывает, что специфичность обмена веществ у разных генотипов обеспечивается характерным для каждого генотипа набором изоферментов. Чем ближе генотипы растений в систематическом отношении, тем меньше различается у них изоферментный состав ферментов. В связи с этим изоферментный анализ довольно успешно применяется для уточнения систематики живых организмов, выявления филогенетического родства между видами и сортами растений, а также проверки генетической чистоты или, наоборот, генетического разнообразия растительной популяции.

refac.ru

Изоферменты

Количество просмотров публикации Изоферменты - 491

Схема строения ферментов

2. Аллостерический центр(allos – чужой) – центр регуляции активности фермента͵ который пространственно отделœен от активного центра и имеется не у всœех ферментов. Связывание с аллостерическим центром какой-либо молекулы (называемой активатором или ингибитором, а также эффектором, модулятором, регулятором) вызывает изменение пространственной конфигурации белка-фермента (активного центра) и, как следствие, скорости ферментативной реакции. В качестве такого регулятора может выступать продукт данной или одной из последующих реакций, субстрат реакции или иное вещество.

Аллостерические ферменты в большинстве случаев являются белками с четвертичной структурой, при этом активный и регуляторный центры могут находиться в разных субъединицах.

Изоферменты - ϶ᴛᴏ молекулярные формы одного и того же фермента͵ возникшие в результате небольших генетических различий в первичной структуре фермента. Изоферменты определяют скорость и направление реакции благодаря разному сродству к субстрату и лигандам. Могут располагаться в различных тканях.

К примеру, димерный фермент креатинкиназа(КК) представлен тремя изоферментными формами, составленными из двух типов субъединиц: M (англ. muscle – мышца) и B (англ. brain – мозг). Креатинкиназа-1 состоит из субъединиц типа B и локализуется в головном мозге, креатинкиназа-2 – по одной М и В субъединице, активна в миокарде, креатинкиназа-3 содержит две М-субъединицы, специфична для скелœетной мышцы.

Также существует пять изоферментов лактатдегидрогеназы (ЛДГ)– фермента͵ участвующего в обмене пировиноградной кислоты. Отличия между ними заключаются в разном соотношении субъединиц Н (англ. heart – сердце) и М (англ. muscle – мышца) в четвертичной структуре белка.

Лактатдегидрогеназы типов 1 (ЛДГ-1), имеющая четыре субъединицы Н (Н4) и ЛДГ-2 (h4M1) присутствуют в тканях с аэробнымобменом (миокард, мозг, корковый слой почек), обладают высоким сродством к молочной кислоте (лактату) и превращают его в пируват.

ЛДГ-4 (h2M3) и ЛДГ-5 (М4) находятся в тканях, склонных к анаэробномуобмену (печень, скелœетные мышцы, кожа, мозговой слой почек), обладают низким сродством к лактату и катализируют превращение пирувата в лактат.

В тканях с промежуточнымтипом обмена (селœезенка, поджелудочная желœеза, надпочечники, лимфатические узлы) преобладает ЛДГ-3 (h3M2).

C медицинской точки зрения появление в плазме крови изоферментов характерных для определённой ткани говорит о поражении клеток этого органа. К примеру, ЛДГ-1, ЛДГ-2 и КК-2 появляются при инфаркте миокарда, ЛДГ-5, ЛДГ-4 при травмах мышечной ткани.

Читайте также

referatwork.ru

Изоферменты и их роль

Варбург установил, что альдолазы дрожжей из различных животных тканей различаются по ряду св-в. Пепсин, трипсин, химотрипсин также различались по растворимости, рН, температурному оптимуму.

В конце пятидесятых годов биохимики Виланд и Пфлейдерер, а также другие исследователи выделяли из тканей животных чистые кристаллические препараты фермента лактатдегидрогеназы и подвергали их электрофорезу. В результате электрофореза фермент разделялся, как правило, на 5 фракций, имеющнх различную электрофоретическую подвижность. Все эти фракции обладали лактатдегидрогеназной активностью. Таким образом было установлено, что фермент лактатдегидрогеназа присутствует в тканях в виде нескольких форм. Эти формы в соответствии с их электрофоретпческой подвижностью получили обозначение ЛДГ1, ЛДГ2, ЛДГ3. ЛДГ4, ЛДГ5. (ЛДГ - сокращенное обозначекие лактатдегидрогеназы), причем номером 1 обозначают компонент с наибольшей элсктрофоретической подвижностью.

Исследования иэоферментов лактатдегидрогеназы, выделенных из разных органов животных, показали, что они различаются как по электрофоретическим и хроматографическим свойствам, так и по химическому составу, термостабильности, чувствительности к действию ингибитооров, Кm и по другим свойствам. При анализах лактатдегидрогеназы разных видов животных выявлены очень большие межвидовые различия, однако в пределах данного вида распределение изоферментов характеризуется большим постоянством.

Лактатдегидрогеназа была первым ферментом, отдельные компоненты которого были подвергнуты детальзому изучению. Несколько позднее были получены данные о множественных формах и молекулярной неоднородности ряда других фермеатов, а в 1959 г. было предложено называть такие формы изоферментами или изоэнзимами. Комиссия по ферментам Международного биохимического союза официально рекомендовала этот термин для обозначевия мвожествеинь форм ферментов, того же биологического вида.

Итак, изоферменты - это группа ферментов из одного и того же источника, обладающих одним типом субстратной специфичности, катализирующих одну и ту же химическую реакцию, но различающихся по ряду физико-химических свойств.

Наличие множественных форм ферментов, или изоферментов, установлено более чем для 100 ферментов, выделеаных из различных видов животных, растений и микроорганизмов. Изоферменты не всегда состоят из двух или нескольких субъединиц. У ряда ферментов отдельные изофермсаты представляют собой разные по химическому строению белки, обладающие одной и той же каталитической активностью, но состоящие только из одной субъединицы.

Основным критерием для номенклатуры изоферментов в настоящее время принята их электрофоретическая подвижвость. Это объясняется, тем, что по сравнению с другими способами характеристики изферментов электрофорез дает наиболее высокую разрешающую способность.

К настоящему времени в результате изучения растительных изоферментов установлено, что многие ферменты присутствуют в растениях в виде множественных форм. Познакомимся с некоторыми из этих ферментов.

М а л а т д е г и д р о г е н а з а ( 1.1.1.37 ) имеет довольно сложвый изофермецтный состав. В семенах хлопчатника и листьях шпината обнаружено по 4 изофермента малатдегидрогеназы, различающихся по электрофоретической подвижности, причем молекулярная масса каждого из четырех изофермевтов шпината равнялась примерно 60 тыс. Разные растения содержат неодинаковое число изоферментов малатдегидрогеназы. Например, в семенах различных сорта к пшеницы обнаружено 7-10 изоферментов, в корнях кукурузы - 4-5, а в различных органах горе (корень, семядоли, подсемядольное и надсемядольное колено) обнаруживали 9-12 изофермевтов малатдегидрогеназы, причем число изоферментов изменялось в зависимости от фазы развития растений.

Отмечалась, что молекулярные массы изоферментоэ малатдегидрогеназы иногда существенно различались. Например, в листьях хлопчатника содержится 7 изоферментов малатдегидрогеназы, из которых 4 изофермеета являются изоформами, имеющими различный электрический заряд, но одинаковую молекулярную массу, равную примерно 60 тыс. Пятый изофермент имел молекулярную массу около 500 тыс. и был олигомером по крайней мере одной из изо форм малатдегидрогеназы с молекулярной массой 60 тыс. Так как в этих исследованиях молекулярные массы определяли приближенно, то можао полагать, что этот изофермент состоит из 8 субъединиц изофермента с молекулярной массой 60 тыс.

Устойчивость и восприимчивость растений к болезням часто связана с регуляцией синтеза изоферментов. В качестве ответной реакции на внедрение инфекции у растениий усилива интенсивность обмена вв., прежде всего окислительно-восставовительньных. Поэтому активность ОВ ферментов и число их изоферментов при поражении растений увеличиваются.

Повышевие активности и увеличение числа изоферментов пероксидазы и о-дифенолоксидазы наблюдаются при различных заболеваниях кукурузы фасоли, табака, клевера, картофелям льна, овса и других растении. На рисунке 22 схематически показано изменение числа изоферментов пероксидазы и их активности при поражении томатов фитофторой. Если в листьях здоровых растений содержалось четыре изофермента пероксидазы, то в пораженных листьях их число возрастало до девяти, причем активность всех изо ферментов значительно повышалась.

При изучении изменений в изоферментном составе пероксидазы п полифенолоксидазы митохондрий при вирусном патогенезе устойчивого и неустойчивого к вирусу табачной мозаики видов табака установлено, что вирусная инфекция вызывает качественно различные изменения изо ферментного состава разных по устойчивости видов табака. У устойчивого вида активность ряда изоферментов повышается в большей степени, чем у восприимчивого. Таким образом, в зависимости от потенциальной способности растения к биосинтезу зоферментов изменяется восприимчивость растения к инфекционным заболевакиям.

Глутаматдегидрогеназы

Эстеразы

Амилазы

Сахараза

Биологическая роль изоферментов в растениях.

ИФ свидетельствуют о большой лабильности ферментативного аппарата растений, дает возможность осуществлять необходимые процессы обмена вв. в клетке при изменении условий внешней среды, обеспечивает специфику обмена вв. для данного органа или ткани растений. Способствует приспособляемости растений к изменяющимся условиям вн. среды.

Одновременное присутствие в клетках множественных форм одного и того же фермента, наряду с другими механизмами регуляции, способствует согласованности процессов обмена вв. в клетке и быстрой адаптации растений к изменяющимся условиям среды.

В самом деле мы отмечали, что отдельные изоерменты различаются по температурным оптимумам, оптимумам рН, отношению к ингибиторам и другим свойствам. Отсюда следует, что если, например, резко изменяются температурные условия, которые становятся неблагоприятными для проявления каталитической активности некоторых изоферментов, то их активность подавляется. Однако данный фермеатативный процесс в растениях не прекращается полностью, так как начинают проявлять каталитическую активность другие изоферменты того же фермента, для которых данная температура является благоприятной. Если в силу каких-либо причин изменяется рН реакционной среды, то также ослабляется активность некоторых изоферментов, но вместо них начинают проявлять каталитическую активность изоферменты, имеющие иной оптимум рН. Высокие концентр ации солей подавляют активность многих ферментов, что является одной из причин ухудшения роста растений на засоленных почвах. Однако даже при высоких концентрациях солей в клетках ферментативные процессы не прекращаются полностью, так как отдельные изоферменты неодинаково относятся к повышению концентрации солей: активность одних изоферментов снижается, других повышается..

Устойчивость и восприимчивость к болезням часто основана на регуляции синтеза ИФ.

Биосинтез изоферментов определяется генетическими факторами и каждый вид растений характеризуется специфическим для данного вида набором изоферментов, т.е. проявляется видовая специфичность по изоферментному составу.

Разные органы одного растения различаются по ИФ.Изучение свойств изоферментов лактатдегидрогеназы, выделенных из различных тканей животных показало, что все изофермевты имеют приблизительно одинаковую молекулярную массу (около 140 тыс ) вых условиях, например под действием обработки 42М мочевиной каждый из изоферментов диссоциирует на 4 субъедивицы с молекулярной массой около 35 тыс. Таким образом, каждый из пяти изоферментов лактатдегттдрогеназы представляет собой тетрамер. Установлено что все изоферменты лактатдегирогеназы представляют собой возможные комбинации всего лишь субъединиц двух типов, условно обозначаемых буквами А и В. Разные сочетания этих типов субъединиц образуют все пять изофермеатов лактатдегидрогеназы (рис. 18). Это показывает, что изоферменты лактатдегидрогеназы имеют строго упорядоченную структуру, причем отдельные субъединицы в молекуле этого белка-фермента соединевы водородными связями, которые могут быть разорваны под действием концентрированного раствора мочевивы.

Возникает вопрос, чем отличаются друг от друга отдельные субъединицы лактатдегидрогеаазы и с чем связава различная электрофоретическая подвижность отдельных из изоферментов ? На этот вопрос сейчас получены довольно определенные ответы. Оказалось, что субъединицы А и В т- ц аминокислот. Субъединица В содержит большее количество кислых мелочных аминокислот по сравнению с субъединицей А. В связи с этим все изоферменты лактатдегидрогеназы (ЛДГ1 - ЛДГ2) различаются по количеству этих аминокислот, молекулы их имеют разную величину электрического заряда и разную электрофоретическую подвижность. Изоферменты лактатдегидрогеаазы различаются и по ряду других свойств, в частности константам Михаэлиса Км, отношению к ряду ингибиторов, термостабильности.

studfiles.net

Изоферменты — Биохимия. Шпаргалка с картинками

Изоферменты – это изофункциональные белки. Они катализируют одну и ту же реакцию, но отличаются по некоторым функциональным свойствам в силу отличий по:

- аминокислотному составу;

- электрофоретической подвижности;

- молекулярной массе;

- кинетике ферментативных реакций;

- способу регуляции;

- стабильности и др.

Изоферменты – это молекулярные формы фермента, различия в аминокислотном составе обусловлены генетическими факторами.

Примеры изоферментов: глюкокиназа и гексокиназа.

+АДФ

Гексокиназа может фосфорилировать любой шестичленный цикл, гексокиназа – только превращение глюкозы. После приёма пищи, богатой глюкозой, глюкокиназа начинает работать. Гексокиназа – стационарный фермент. Он катализирует реакцию расщепления глюкозы при низких её концентрациях, поступающих в организм. Отличаются по локализации (глюкокиназа – в печени, гексокиназа – в мышцах и печени), физиологическому значению, константе Михаэльса.

Если фермент – олигомерный белок, то изоформы могут получаться в результате различной комбинации протомеров. Например, лактатдегидрогеназа состоит из 4-х субъединиц. Н – субъединицы сердечного типа, М – мышечного. Может быть 5 комбинаций этих субъединиц, а, следовательно, и 5 изоферментов: НННН (ЛДГ1 – в сердечной мышце), НННМ (ЛДГ2), ННММ (ЛДГ3), НМММ (ЛДГ4), ММММ (ЛДГ5 – в печени и мышцах). [рис. эти 4 буквы в кружочки.

Надо отличать изоферменты от множественных форм ферментов. Множественные формы ферментов – это ферменты, которые модифицированы после своего синтеза, например фосфорилаза A и B.

Общие черты ферментов и небиологических катализаторов:

1) и те, и другие катализируют только энергетически возможные реакции;

2) увеличивают скорость реакции;

3) не меняют направления реакции;

4) в ходе реакции не расходуются;

5) для обратимых процессов катализируют как прямую, так и обратную реакции, не смещая равновесия, а лишь ускоряя время его наступления.

Особые свойства ферментов:

1) высокая каталитическая активность. Металлы увеличивают скорость реакции в тысячи раз, а ферменты в миллионы раз. Например, уреаза ускоряет скорость реакции в 1014 раз. Каталаза ускоряет распад h3O2 в 1 млдр. раз! 2h3O2 2h3O +O2. Без катализатора выделения кислорода не видно. Металлический катализатор увеличивает скорость реакции в 1000 раз, а при добавлении каталазы – бурное вспенивание.

2) специфичность действия – наиболее характерная черта. Строение активного центра фермента, катализирующего реакции, различна. Структура активного центра фермента комплементарна структуре его субстрата, поэтому фермент из множества веществ присоединяет только свой субстрат – субстратная специфичность фермента. 

Каждый фермент катализирует не любое превращение субстрата, а какое либо одно – специфичность пути превращения. Например, на АК ГИС действуют 2 фермента: гистидаза (отщепляет Nh4) и гистидиндекарбоксилаза (отщепляет CO2).

Выделяют несколько видов специфичности:

а) абсолютная специфичность. Фермент действует только на один единственный субстрат. Пр.: уреаза разрушает мочевину: Nh3-CO-Nh3 (над стрелкой уреаза, под – вода) 2Nh4+ CO2. Аргиназа катализирует распад аргинина.

б) групповая специфичность. Фермент действует на определённую связь в разных субстратах. Пр.: пептидазы разрывают пептидные связи [-NH-CH(R)-CO--NH-CH(R)-CO-]. Пепсин действует только на связи, образованные карбоксильной группой ароматических АК (ФЕН, ТИР, ТРИ). Эстеразы разрывают сложно-эфирную связь [-CO-NH-] в различных липидах. Гликозидазы действуют на гликозидную связь. Действие ферментов, обладающих групповой специфичностью, позволяет организму содержать небольшое количество ферментов.

в) стереоспецифичность. Фермент действует на определённый стереоизомер (D- и L-, цис- и транс-). Пр.: бутен-2-диовая кислота имеет 2 стереоизомера: транс-изомер или фумаровая к-та, и цис-изомер или малеиновая кислота.

Фумараза действует на фумаровую к-ту с превращением последней в яблочную.

В стереоспецифичности выделяют оптическую специфичность – избирательное действие ферментов на оптические изомеры. Например, под действием ЛДГ разрушается только L-форма молочной к-ты.

3) Влияние температуры (правило Вант-Гоффа). При увеличении температуры на 10 градусов скорость реакции увеличивается в 1,5-2 раза. Но для фермента это правило действует только до 40 градусов, т.к. дальше наступает тепловая денатурация фермента. Большинство ферментов в организме человека имеет оптимальную температуру 25-40 градусов [рис. графика: по оси х – температура, по у – процент активности. Рисуем горочку, оптимум – на 37-40°С].

Повышение активности фермента при увеличении температуры объясняется увеличением кинетической энергии реагирующих молекул, что приводит к увеличению числа столкновений между молекулами. При дальнейшем повышении температуры энергия становится чрезмерной, и внутри молекулы разрываются слабые связи – водородные, гидрофильные взаимодействия; происходит нарушение вторичной, третичной, четвертичной структуры фермента.

Ряд ферментов термостабильны, например, гликопротеины.

4) Влияние рН. Для поддержания третичной или четвертичной структуры фермента часто может быть необходимо наличие заряда на группе, удаленной от области связывания субстрата. Если же заряд этой группы меняется, то может происходить частичное развертывание белковой цепи, или компактизация, или диссоциация (олигомерные белки). Поэтому при отклонении рН от оптимального значения, фермент может потерять свою нативную структуру, в результате чего не происходит полноценного связывания активного центра с субстратом. Также при изменении рН может происходить изменение заряда на субстрате.

[рис. график. По х – рН, по у – процент активности. Рисуем горочку.]

Пепсин – 1.5-2, амилаза слюны - 6.8-7.2, трипсин - 7.5-8.6. Для большинства ферментов оптимум рН лежит в среде, близкой к нейтральной.

5) Скорость ферментативной реакции прямо пропорциональна кол-ву фермента (для небиологических катализаторов такой зависимости нет). Недостаток фермента в живом организме, например при неполноценном питании, генетических нарушениях, приводит к уменьшению скорости превращения веществ и наоборот.

6) Ферменты являются регулируемыми катализаторами. Так под действием различных веществ (активаторов и ингибиторов) меняется скорость ферментативной реакции.

ifreestore.net

Изоферменты.

Количество просмотров публикации Изоферменты. - 253

Большинство ферментов представлены в клетках организма в виде множественных молекулярных форм, называемых изоферментами или изоэнзимами. Изоферменты - ϶ᴛᴏ сходные по структуре белковые молекулы, способные катализировать одну и ту же биохимическую реакцию, но различающиеся по первичной структуре входящих в их состав полипептидов. Οʜᴎ имеют одинаковую структуру каталитического центра, вследствие чего обладают одним типом субстратной специфичности. Изоферменты одного и того же фермента отличаются оптимумами рН, температуры, других условий внешней среды, по их молярной активности, но всœе они катализируют одну и ту же реакцию. Когда из клеток организма выделяют какой-либо фермент и определяют его активность, то всœегда имеют дело с конкретными изоферментами данного фермента.

Молекулы ферментов чаще всœего представляют из себяолигомеры, построенные из двух или нескольких полипептидов, которые в какой-либо степени различаются первичными структурами, но имеют однотипную третичную структуру и в связи с этим при взаимодействии образуют функционально родственные белки. Как было показано ранее, различающиеся первичными структурами полипептиды в составе олигомерных молекул кодируются разными генами, в связи с чем природа и набор изоферментов определяются генотипом организма.

Впервые механизм образования изоферментов был выяснен при изучении множественных молекулярных форм фермента лактатдегидрогеназы, катализирующего превращение молочной кислоты в пировиноградную в клетках человека и животных:

-2Н

СН3 – СН(ОН) – СООН ¾® СН3 – С – СООН

||

О

В ходе исследований были выделœены кристаллические препараты лактатдегидрогеназы из клеток печени, сердечной мышцы и скелœетных мышц и подвергнуты разделœению методом электрофореза в щелочной буферной системе (рН 8,8). В таких условиях молекулы фермента имеют отрицательный заряд и исходя из величины заряда проявляют разную подвижность в направлении к аноду. В процессе электрофоретического разделœения было выделœено пять белковых фракций, каждая из которых представляла собой тетрамерные молекулы с молекулярной массой около 140 тыс., образованные из различных комбинаций двух типов полипептидов, обозначаемых Н и М. Полипептиды Н наиболее активно синтезируются в сердечной мышце и печени и больше содержат в своем составе остатков моноаминодикарбоновых кислот. Второй тип полипептидов М преимущественно синтезируется в скелœетных мышцах и они характеризуются меньшим содержанием дикарбоновых аминокислот. С участием указанных типов полипептидов образуется пять разновидностей ферментных молекул, являющихся изоферментами лактатдегидрогеназы: Н4, Н3М, Н2М2, НМ3, М4. Каждая молекула изофермента как тетрамер состоит из 4 полипептидов, которые бывают идентичными (Н4 и М4) или разными (Н3М, Н2М2, НМ3). Количественное содержание каждого изофермента в данной ткани зависит от концентрации в ней полипептидов Н и М.

Вследствие того, что полипептиды Н содержат больше в своем составе остатков дикарбоновых аминокислот, тетрамер Н4 при рН среды 8,8 имеет наибольший отрицательный заряд, вследствие чего быстрее движется к аноду в процессе электрофореза (рис. 19)

Тетрамер М4 характеризуется наименьшей подвижностью к аноду, так как его молекулы построены из полипептидов с меньшим содержанием дикарбоновых аминокислот. Другие изоферменты распределяются при электрофорезе между фракциями Н4 и М4 исходя из числа полипептидов Н и М в их молекулах.

На примере лактатдегидрогиназы мы видим, в случае если молекула фермента - тетрамер, образованный из двух типов полипептидов, то возникают пять изоферментов. Но если молекулы тетрамерного фермента формируются из трех типов полипептидов, к примеру А, Б и В, тогда возникают следующие комбинации полипептидов в молекуле: А4, Б4, В4, А3Б, А3В, А2Б2, А2В2, А2БВ, АБ3, АВ3, АБ2В, АБВ2, Б3В, В3Б, Б2В2. На этом примере видно, что набор изоферментов заметно возрастает при увеличении числа разных полипептидов, из которых строятся молекулы белка–фермента. Набор изоферментов также увеличивается при возрастании степени олигомерности молекулы фермента. Так, у лактатдегидрогиназы из двух разных полипептидов строятся тетрамерные молекулы и возникают 5 изоферментов, а у гексамерного белка из двух типов полипептидов образуются уже семь изоферментов, у октамерного белка – 9 и т.д. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, общий набор изоферментов данного ферментного белка определяется степенью олигомерности его молекулы и числом разных полипептидов, из которых образуются молекулы белка. Следует отметить, что к изоферментам не относятся молекулы фермента͵ измененные в результате повреждения структуры белка или модификации его молекул путем присоединœения активных группировок (так называемая посттрансляционная модификация белков).

Поскольку изоферменты - ϶ᴛᴏ определœенный набор белковых молекул, способных катализировать превращение одного и того же субстрата͵ то для их выявления используют методы разделœения, принятые для белков, с последующим определœением каталитической активности. Наиболее часто для разделœения изоферментов используют метод электрофореза в полиакриламидном гелœе, который по сравнению с другими методами имеет наиболее высокую разрешающую способность. При разделœении этим методом можно выявить изоферменты, различающиеся по суммарному заряду молекулы, который определяется содержанием в белке остатков моноаминодикарбоновых кислот. В случае если же в составе организма имеются генетические варианты молекул фермента͵ у которых различия в аминокислотном составе не приводят к изменению заряда молекулы, то для их разделœения используют модификации электрофореза, основанные на других принципах, к примеру, изоэлектрофокусирование белков.

Особенно большое разнообразие множественных молекулярных форм наблюдается у растительных ферментов. Практически каждый фермент представлен в растении в виде набора изоферментов, каждый из которых проявляет каталитическую активность в строго определœенных условиях, зависящих от внутренней физиологической среды, что позволяет организму обеспечивать специфичность обмена веществ в данном органе, ткани или внутриклеточном компартменте (межклеточном отсеке). Так, к примеру, в листьях и корнях растений разная физиологическая среда, но в них может проходить одна и та же реакция за счёт того, что ее катализируют разные изоферменты данного фермента.

В процессе роста и развития растений постоянно изменяется внутренняя физиологическая среда и внешние условия, в соответствии с этим изменяется и набор изоферментов каждого фермента. Особенно заметно наблюдаются качественные и количественные изменения состава изоферментов при созревании и прорастании семян.

На рис. 21 показаны электрофореграммы изоферментов a-амилазы созревающего, зрелого и прорастающего зерна пшеницы, различающихся по их подвижности к аноду. При сравнении электорофореграмм видно, что в созревающем зерне пшеницы амилолитическую активность имеют четыре, изофермента с низкой подвижностью к аноду, а в прорастающем зерне также четыре, но уже других по электрофоретической подвижности изофермента. Вследствие того, что при созревании зерна происходит связывание амилаз белковыми ингибиторами в неактивный комплекс, в полностью созревшем зерне при благоприятных погодных условиях выявляется слабая амилолитическая активность только одного изофермента a-амилазы. При этом в зерновках, сформировавшихся при влажной погоде, активность большинства изоферментов a - амилаз, выявленных в созревающем зерне, сохраняется.

Наличие в клетках организма множественных молекулярных форм одного и того же фермента͵ проявляющих каталитическую активность при разных физиологических условиях позволяет организму осуществлять с крайне важно й интенсивностью биохимические процессы при изменении условий внешней среды.

Когда изменяются внешние условия, то они становятся неблагоприятными для проявления каталитической активности определœенных изоферментов, но биохимическая реакция не прекращается, так как вступают в действие другие изоферменты, которые способны катализировать данное превращение в изменившихся условиях. В случае если появляется новый изофермент, то он расширяет диапазон выживаемости организма. Чем больше набор изоферментов, тем шире диапазон их действия и лабильнее происходит адаптация организма к неблагоприятным факторам внешней среды.

Изучение ферментных систем растений показывает, что специфичность обмена веществ у разных генотипов обеспечивается характерным для каждого генотипа набором изоферментов. Чем ближе генотипы растений в систематическом отношении, тем меньше различается у них изоферментный состав ферментов. В связи с этим изоферментный анализ довольно успешно применяется для уточнения систематики живых организмов, выявления филогенетического родства между видами и сортами растений, а также проверки генетической чистоты или, напротив - генетического разнообразия растительной популяции.

referatwork.ru

Изоферменты

Количество просмотров публикации Изоферменты - 102

Схема строения ферментов

Структурно-функциональная организация ферментов

Ферменты имеют белковую природу

Давно выяснено, что всœе ферменты являются белками и обладают всœеми свойствами белков. По этой причине подобно белкам ферменты делятся на простые и сложные.

Простые ферменты состоят только из аминокислот – к примеру, пепсин, трипсин, лизоцим.

Сложные ферменты (холоферменты) имеют в своем составе белковую часть, состоящую из аминокислот –апофермент, и небелковую часть – кофактор. Кофактор, в свою очередь, может называться коферментомили простетическойгруппой. Примером бывают сукцинатдегидрогеназа(содержит ФАД) (в цикле трикарбоновых кислот), аминотрансферазы(содержат пиридоксальфосфат) (функция), пероксидаза(содержит гем). Для осуществления катализа необходим полноценный комплекс апобелка и кофактора, по отдельности катализ они осуществить не могут.

Как многие белки, ферменты бывают мономерами, ᴛ.ᴇ. состоят из одной субъединицы, и полимерами, состоящими из нескольких субъединиц.

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 линœейной цепи.

У ферментов, имеющих в своем составе несколько мономеров, должна 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.

В свою очередь в активном центре выделяют два участка:

· якорный (контактный, связывающий) – отвечает за связывание и ориентацию субстрата в активном центре,

· каталитический– непосредственно отвечает за осуществление реакции.

2. Аллостерический центр(allos – чужой) – центр регуляции активности фермента͵ который пространственно отделœен от активного центра и имеется не у всœех ферментов. Связывание с аллостерическим центром какой-либо молекулы (называемой активатором или ингибитором, а также эффектором, модулятором, регулятором) вызывает изменение конфигурации белка-фермента и, как следствие, скорости ферментативной реакции. В качестве такого регулятора может выступать продукт данной или одной из последующих реакций, субстрат реакции или иное вещество (см "Регуляция активности ферментов").

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

Изоферменты - ϶ᴛᴏ молекулярные формы одного и того же фермента͵ возникшие в результате небольших генетических различий в первичной структуре фермента. Различные изоферменты определяют скорость и направление реакции благодаря разному сродству к субстрату.

К примеру, димерный фермент креатинкиназа(КК) представлен тремя изоферментными формами, составленными из двух типов субъединиц: M (англ. muscle – мышца) и B (англ. brain – мозг). Креатинкиназа-1 состоит из субъединиц типа B и локализуется в головном мозге, креатинкиназа-2 – по одной М и В субъединице, активна в миокарде, креатинкиназа-3 содержит две М-субъединицы, специфична для скелœетной мышцы.

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 (h4M1) присутствуют в тканях с аэробнымобменом (миокард, мозг, корковый слой почек), обладают высоким сродством к молочной кислоте (лактату) и превращают его в пируват. ЛДГ-4 (h2M3) и ЛДГ-5 (М4) находятся в тканях, склонных к анаэробномуобмену (печень, скелœетные мышцы, кожа, мозговой слой почек), обладают низким сродством к лактату и катализируют превращение пирувата в лактат. В тканях с промежуточнымтипом обмена (селœезенка, поджелудочная желœеза, надпочечники, лимфатические узлы) преобладает ЛДГ-3 (h3M2).

referatwork.ru

Реферат Фермент

Реферат на тему:

План:

Введение
• 1 История изучения
• 2 Функции ферментов
• 3 Классификация ферментов
• 4 Соглашения о наименовании ферментов
• 5 Кинетические исследования
• 6 Структура и механизм действия ферментов
  • 6.1 Специфичность
    • 6.1.1 Модель «ключ-замок»
    • 6.1.2 Модель индуцированного соответствия
  • 6.2 Модификации
  • 6.3 Кофакторы ферментов
  • 6.4 Регуляция работы ферментов
    • 6.4.1 Ингибирование конечным продуктом
  • 6.5 Влияние условий среды на активность ферментов
• 7 Множественные формы ферментов
• 8 Медицинское значение
• 9 Практическое использование
ПримечанияЛитература

Введение

Модель фермента нуклеозид-фосфорилазы

Ферме́нты или энзи́мы (от лат. fermentum, греч. ζύμη, ἔνζυμον — закваска) — обычно белковые молекулы или молекулы РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах. Реагенты в реакции, катализируемой ферментами, называются субстратами, а получающиеся вещества — продуктами. Ферменты специфичны к субстратам (АТФаза катализирует расщепление только АТФ, а киназа фосфорилазы фосфорилирует только фосфорилазу). Ферментативная активность может регулироваться активаторами и ингибиторами (активаторы — повышают, ингибиторы — понижают). Белковые ферменты синтезируются на рибосомах, а РНК — в ядре.

Термины «фермент» и «энзим» давно используют как синонимы (первый в основном в русской и немецкой научной литературе, второй — в англо- и франкоязычной).Наука о ферментах называется энзимологией, а не ферментологией (чтобы не смешивать корни слов латинского и греческого языков).

1. История изучения

Термин фермент предложен в XVII веке химиком ван Гельмонтом при обсуждении механизмов пищеварения.

В кон. ХVIII — нач. XIX вв. уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком, а крахмал превращается в сахар под действием слюны. Однако механизм этих явлений был неизвестен[1]

В XIX в. Луи Пастер, изучая превращение углеводов в этиловый спирт под действием дрожжей, пришел к выводу, что этот процесс (брожение) катализируется некой жизненной силой, находящейся в дрожжевых клетках.

Более ста лет назад термины фермент и энзим отражали различные точки зрения в теоретическом споре Л. Пастера с одной стороны, и М. Бертло и Ю. Либиха — с другой, о природе спиртового брожения. Собственно ферментами (от лат. fermentum — закваска) называли «организованные ферменты» (то есть сами живые микроорганизмы), а термин энзим (от греч. ἐν- — в- и ζύμη — дрожжи, закваска) предложен в 1876 году В. Кюне для «неорганизованных ферментов», секретируемых клетками, например, в желудок (пепсин) или кишечник (трипсин, амилаза). Через два года после смерти Л. Пастера в 1897 году Э. Бухнер опубликовал работу «Спиртовое брожение без дрожжевых клеток», в которой экспериментально показал, что бесклеточный дрожжевой сок осуществляет спиртовое брожение так же, как и неразрушенные дрожжевые клетки. В 1907 году за эту работу он был удостоен Нобелевской премии. Впервые высокоочищенный кристаллический фермент (уреаза) был выделен в 1926 году Дж. Самнером. В течение последующих 10 лет было выделено еще несколько ферментов, и белковая природа ферментов была окончательно доказана.

Каталитическая активность РНК впервые была обнаружена в 1980-е годы у пре-рРНК Томасом Чеком, изучавшим сплайсинг РНК у инфузории Tetrahymena thermophila. Рибозимом оказался участок молекулы пре-рРНК Tetrahymena, кодируемый интроном внехромосомного гена рДНК; этот участок осуществлял аутосплайсинг, то есть сам вырезал себя при созревании рРНК.

2. Функции ферментов

Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ (субстратов) в другие (продукты). Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех биохимических реакциях, протекающих в живых организмах — ими катализируется более 4000 разных биохимических реакций[2]. Ферменты играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ организма.

Подобно всем катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону. Отличительной особенностью ферментов по сравнению с небелковыми катализаторами является их высокая специфичность — константа связывания некоторых субстратов с белком может достигать 10−10 моль/л и менее. Каждая молекула фермента способна выполнять от нескольких тысяч до нескольких миллионов «операций» в секунду. Например, одна молекула фермента ренина, содержащегося в слизистой оболочке желудка теленка, створаживает около 106 молекул казеиногена молока за 10 мин при температуре 37 °C. При этом эффективность ферментов значительно выше эффективности небелковых катализаторов — ферменты ускоряют реакцию в миллионы и миллиарды раз, небелковые катализаторы — в сотни и тысячи раз.

3. Классификация ферментов

По типу катализируемых реакций ферменты подразделяются на 6 классов согласно иерархической классификации ферментов (КФ, EC — Enzyme Comission code). Классификация была предложена Международным союзом биохимии и молекулярной биологии (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Каждый класс содержит подклассы, так что фермент описывается совокупностью четырёх чисел, разделённых точками. Например, пепсин имеет название ЕС 3.4.23.1. Первое число грубо описывает механизм реакции, катализируемой ферментом:

• КФ 1: Оксидоредуктазы, катализирующие окисление или восстановление. Пример: каталаза, алкогольдегидрогеназа
• КФ 2: Трансферазы, катализирующие перенос химических групп с одной молекулы субстрата на другую. Среди трансфераз особо выделяют киназы, переносящие фосфатную группу, как правило, с молекулы АТФ.
• КФ 3: Гидролазы, катализирующие гидролиз химических связей. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипаза
• КФ 4: Лиазы, катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов.
• КФ 5: Изомеразы, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата.
• КФ 6: Лигазы, катализирующие образование химических связей между субстратами за счет гидролиза АТФ. Пример: ДНК-полимераза

Будучи катализаторами, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакции, поэтому, например, лиазы способны катализировать и обратную реакцию — присоединение по двойным связям.

4. Соглашения о наименовании ферментов

Обычно ферменты именуют по типу катализируемой реакции, добавляя суффикс -аза к названию субстрата (например, лактаза — фермент, участвующий в превращении лактозы). Таким образом, у различных ферментов, выполняющих одну функцию, будет одинаковое название. Такие ферменты различают по другим свойствам, например, по оптимальному pH (щелочная фосфатаза) или локализации в клетке (мембранная АТФаза).

5. Кинетические исследования

Кривая насыщения химической реакции, иллюстрирующая соотношение между концентрацией субстрата [S] и скоростью реакции v

Простейшим описанием кинетики односубстратных ферментативных реакций является уравнение Михаэлиса — Ментен (см. рис.). На сегодняшний момент описано несколько механизмов действия ферментов. Например, действие многих ферментов описывается схемой механизма «пинг-понг».

6. Структура и механизм действия ферментов

Активность ферментов определяется их трёхмерной структурой[3].

Как и все белки, ферменты синтезируются в виде линейной цепочки аминокислот, которая сворачивается определённым образом. Каждая последовательность аминокислот сворачивается особым образом, и получающаяся молекула (белковая глобула) обладает уникальными свойствами. Несколько белковых цепей могут объединяться в белковый комплекс. Третичная структура белков разрушается при нагревании или воздействии некоторых химических веществ.

Чтобы катализировать реакцию, фермент должен связаться с одним или несколькими субстратами. Белковая цепь фермента сворачивается таким образом, что на поверхности глобулы образуется щель, или впадина, где связываются субстраты. Эта область называется сайтом связывания субстрата. Обычно он совпадает с активным центром фермента или находится вблизи него. Некоторые ферменты содержат также сайты связывания кофакторов или ионов металлов.

Фермент, соединяясь с субстратом:

• очищает субстрат от водяной «шубы»
• располагает реагирующие молекулы субстратов в пространстве нужным для протекания реакции образом
• подготавливает к реакции (например, поляризует) молекулы субстратов.

Обычно присоединение фермента к субстрату происходит за счет ионных или водородных связей, редко — за счет ковалентных. В конце реакции её продукт (или продукты) отделяются от фермента.

В результате фермент снижает энергию активации реакции. Это происходит потому, что в присутствии фермента реакция идет по другому пути (фактически происходит другая реакция), например:

В отсутствии фермента:

В присутствии фермента:

• А+Ф = АФ
• АФ+В = АВФ
• АВФ = АВ+Ф

где А, В — субстраты, АВ — продукт реакции, Ф — фермент.

Ферменты не могут самостоятельно обеспечивать энергией эндергонические реакции (для протекания которых требуется энергия). Поэтому ферменты, осуществляющие такие реакции, сопрягают их с экзергоническими реакциями, идущими с выделением большего количества энергии. Например, реакции синтеза биополимеров часто сопрягаются с реакцией гидролиза АТФ.

Для активных центров некоторых ферментов характерно явление кооперативности.

6.1. Специфичность

Ферменты обычно проявляют высокую специфичность по отношению к своим субстратам (субстратная специфичность). Это достигается частичной комплементарностью формы, распределения зарядов и гидрофобных областей на молекуле субстрата и в центре связывания субстрата на ферменте. Ферменты обычно демонстрируют также высокий уровень стереоспецифичности (образуют в качестве продукта только один из возможных стереоизомеров или используют в качестве субстрата только один стереоизомер), региоселективности (образуют или разрывают химическую связь только в одном из возможных положений субстрата) и хемоселективности (катализируют только одну химическую реакцию из нескольких возможных для данных условий). Несмотря на общий высокий уровень специфичности, степень субстратной и реакционной специфичности ферментов может быть различной. Например, эндопептидаза трипсин разрывает пептидную связь только после аргинина или лизина, если за ними не следует пролин, а пепсин гораздо менее специфичен и может разрывать пептидную связь, следующую за многими аминокислотами.

6.1.1. Модель «ключ-замок»

Гипотеза Кошланда об индуцированном соответствии

Более реалистичная ситуация в случае индуцированного соответствия. Неправильные субстраты — слишком большие или слишком маленькие — не подходят к активному центру

В 1890 г. Эмиль Фишер предположил, что специфичность ферментов определяется точным соответствием формы фермента и субстрата [4]. Такое предположение называется моделью «ключ-замок». Фермент соединяется с субстратом с образованием короткоживущего фермент-субстратного комплекса. Однако, хотя эта модель объясняет высокую специфичность ферментов, она не объясняет явления стабилизации переходного состояния, которое наблюдается на практике.

6.1.2. Модель индуцированного соответствия

В 1958 г. Дениел Кошланд предложил модификацию модели «ключ-замок» [5]. Ферменты, в основном, — не жесткие, а гибкие молекулы. Активный центр фермента может изменить конформацию после связывания субстрата. Боковые группы аминокислот активного центра принимают такое положение, которое позволяет ферменту выполнить свою каталитическую функцию. В некоторых случаях молекула субстрата также меняет конформацию после связывания в активном центре. В отличие от модели «ключ-замок», модель индуцированного соответствия объясняет не только специфичность ферментов, но и стабилизацию переходного состояния. Эта модель получила название «рука-перчатка».

6.2. Модификации

Многие ферменты после синтеза белковой цепи претерпевают модификации, без которых фермент не проявляет свою активность в полной мере. Такие модификации называются посттрансляционными модификациями (процессингом). Один из самых распространенных типов модификации — присоединение химических групп к боковым остаткам полипептидной цепи. Например, присоединение остатка фосфорной кислоты называется фосфорилированием, оно катализируется ферментом киназой. Многие ферменты эукариот гликозилированы, то есть модифицированы олигомерами углеводной природы.

Еще один распространенный тип посттранляционных модификаций — расщепление полипептидной цепи. Например, химотрипсин (протеаза, участвующая в пищеварении), получается при выщеплении полипептидного участка из химотрипсиногена. Химотрипсиноген является неактивным предшественником химотрипсина и синтезируется в поджелудочной железе. Неактивная форма транспортируется в желудок, где превращается в химотрипсин. Такой механизм необходим для того, чтобы избежать расщепления поджелудочной железы и других тканей до поступления фермента в желудок. Неактивный предшественник фермента называют также «зимогеном».

6.3. Кофакторы ферментов

Некоторые ферменты выполняют каталитическую функцию сами по себе, безо всяких дополнительных компонентов. Однако есть ферменты, которым для осуществления катализа необходимы компоненты небелковой природы. Кофакторы могут быть как неорганическими молекулами (ионы металлов, железо-серные кластеры и др.), так и органическими (например, флавин или гем). Органические кофакторы, прочно связанные с ферментом, называют также простетическими группами. Кофакторы органической природы, способные отделяться от фермента, называют коферментами.

Фермент, который требует наличия кофактора для проявления каталитической активности, но не связан с ним, называется апо-фермент. Апо-фермент в комплексе с кофактором носит название холо-фермента. Большинство кофакторов связано с ферментом нековалентными, но довольно прочными взаимодействиями. Есть и такие простетические группы, которые связаны с ферментом ковалентно, например, тиаминпирофосфат в пируватдегидрогеназе.

6.4. Регуляция работы ферментов

У некоторых ферментов есть сайты связывания малых молекул, они могут быть субстратами или продуктами метаболического пути, в который входит фермент. Они уменьшают или увеличивают активность фермента, что создает возможность для обратной связи.

6.4.1. Ингибирование конечным продуктом

Метаболический путь — цепочка последовательных ферментативных реакций. Часто конечный продукт метаболического пути является ингибитором фермента, ускоряющего первую из реакций данного метаболического пути. Если конечного продукта слишком много, то он действует как ингибитор для самого первого фермента, а если после этого конечного продукта стало слишком мало, то первый фермент опять активируется. Таким образом, ингибирование конечным продуктом по принципу отрицательной обратной связи — важный способ поддержания гомеостаза (относительного постоянства условий внутренней среды организма).

6.5. Влияние условий среды на активность ферментов

Активность ферментов зависит от условий в клетке или организме — давления, кислотности среды, температуры, концентрации растворенных солей (ионной силы раствора) и др.

7. Множественные формы ферментов

Множественные формы ферментов можно разделить на две категории:

• 1. Изоферменты
• 2. Собственно множественные формы (истинные)

Изоферменты - это ферменты, синтез которых кодируется разными генами, у них разная первичная структура и разные свойства, но они катализируют одну и ту же реакцию. Виды изоферментов:

• Органные - ферменты гликолиза в печени и мышцах.
• Клеточные - малатдегидрогеназа цитоплазматическая и митохондриальная (ферменты разные, но катализируют одну и ту же реакцию).
• Гибридные - ферменты с четвертичной структурой, образуются в результате нековалентного связывания отдельных субъединиц (лактатдегидрогеназа - 4 субъединицы 2 типов).
• Мутантные - образуются в результате единичной мутации гена.
• Аллоферменты - кодируются разными аллелями одного и того же гена.

Собственно множественные формы (истинные) - это ферменты, синтез которых кодируется одним и тем же аллелем одного и того же гена, у них одинаковая первичная структура и свойства, но после синтеза на рибосомах они подвергаются модификации, становятся разными, хотя и катализируют одну и ту же реакцию.

Изоферменты разные на генетическом уровне и отличаются от первичной последовательности, а истинные множественные формы становятся разными на посттрансляционном уровне.

8. Медицинское значение

Связь между ферментами и наследственными болезнями обмена веществ была впервые установлена А. Гэрродом в 1910-е гг. Гэррод назвал заболевания, связанные с дефектами ферментов, «врожденными ошибками метаболизма».

Если происходит мутация в гене, кодирующем определенный фермент, может измениться аминокислотная последовательность фермента. При этом в результате большинства мутаций его каталитическая активность снижается или полностью пропадает. Если организм получает два таких мутантных гена (по одному от каждого из родителей), в организме перестает идти химическая реакция, которую катализирует данный фермент. Например, появление альбиносов связано с прекращением выработки фермента тирозиназы, отвечающего за одну из стадий синтеза темного пигмента меланина. Фенилкетонурия связана с пониженной или отсутствующей активностью фермента фенилаланин-4-гидроксилазы в печени.

В настоящее время известны сотни наследственных заболеваний, связанные с дефектами ферментов. Разработаны методы лечения и профилактики многих из таких болезней.

9. Практическое использование

Ферменты широко используются в народном хозяйстве — пищевой, текстильной промышленности, в фармакологии.

Еще шире область использования ферментов в научных исследованиях и в медицине.

Примечания

1. Williams, Henry Smith, 1863—1943. A History of Science: in Five Volumes. Volume IV: Modern Development of the Chemical and Biological Sciences - etext.lib.virginia.edu/toc/modeng/public/Wil4Sci.html
2. Bairoch A. The ENZYME database in 2000 Nucleic Acids Res 28:304-305(2000). - www.expasy.org/NAR/enz00.pdf
3. Anfinsen C.B. Principles that Govern the Folding of Protein Chains Science 20 July 1973: 223—230
4. Fischer E, «Einfluss der Configuration auf die Wirkung der Enzyme» Ber. Dt. Chem. Ges. 1894 v27, 2985—2993.
5. Koshland DE, Application of a Theory of Enzyme Specificity to Protein Synthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1958 Feb;44(2):98-104.

Литература

• Волькенштейн М. В., Догонадзе Р. Р., Мадумаров А. К., Урушадзе З. Д., Харкац Ю. И. Теория ферментного катализа / Молекулярная биология. 1972. 431—439.
• Koshland D. The Enzymes, V. I, Ch. 7. New York, Acad. Press, 1959.
• Диксон, М. Ферменты / М. Диксон, Э. Уэбб. — В 3-х т. — Пер. с англ. — Т.1-2. — М.: Мир, 1982. — 808 с.

wreferat.baza-referat.ru

Смотрите также

• 
  Реферат гипертекст
• 
  Бронхоскопия реферат
• 
  Реферат көмірсулар
• 
  Тонометр реферат
• 
  Реферат антропометрия
• 
  Көмірсулар реферат
• 
  Электромиография реферат
• 
  Партеногенез реферат
• 
  Реферат партеногенез
• 
  Реферат брекеты
• 
  Реферат пирометры