Міністерство охорони здоров`я україни icon

Міністерство охорони здоров`я україни




НазваМіністерство охорони здоров`я україни
Сторінка1/4
Дата31.07.2012
Розмір0.65 Mb.
ТипКурс лекцій
  1   2   3   4



МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ`Я УКРАЇНИ


МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ


Л.І. Гребеник, І.Ю. Висоцький


КУРС ЛЕКЦІЙ З БІОХІМІЇ


Розділ

«БІОХІМІЯ ФЕРМЕНТІВ»


для студентів спеціальності 7.110101

денної форми навчання


Затверджено

на засіданні кафедри біохімії і фармакології як курс лекцій з дисципліни «Біологічна хімія».

Протокол №24 від 14.06.2011 р.




Суми

Сумський державний університет

2011



Курс лекцій з біохімії. Розділ «Біохімія ферментів» / укладачі: Л.І. Гребеник, І.Ю. Висоцький. – Суми: Сумський державний університет, 2011. – 7 с.


Кафедра біохімії і фармакології


Передмова


Біохімічна наука постійно розвивається і накопичує все нові і нові знання про молекулярну організацію живої матерії, складовою якої є ферменти (ензими). З детального розгляду цих молекул завжди починається вивчення біологічної хімії, тому що практично всі реакції в живих організмах відбуваються за їх участі. Про важливість знаходження ферментів у клітинах і значення їх нормального функціонування свідчать множинні факти існування тяжких спадкових захворювань різних видів обміну, що мають негативні наслідки для здоров’я організму.

Існує досить велика кількість літератури, як загальної, так і спеціальної, в якій розглянуті актуальні питання ензимології і медичної у тому числі. Метою написання цього розділу курсу лекцій була систематизація знань про ферменти, які будуть покладені в основу фундаментальних знань майбутніх лікарів для подальшого розуміння основних молекулярних процесів у курсі біохімії та вивчення інших клінічних дисциплін. Автори звернули увагу на загальні уявлення про ферменти і надали більш детальну інформацію про функціонування деяких із них (хімотрипсину, ацетилхолінестерази), систематизовано виклали інформацію про регуляцію ферментативних процесів та використання ферментів у медицині з введенням новітніх даних про роль ферментів у створенні біосенсорів.

Для студентів початок вивчення нової дисципліни завжди непростий, тому вони намагаються знайти навчальну літературу, яка б допомогла вчитися і правильно зорієнтувала в цьому процесі. Автори сподіваються, що курс лекцій стане «компасом», який студенти із задоволенням і користю будуть використовувати для того, щоб не загубитися у «безмежному морі» біохімічної інформації про ферменти.


Amat victoria curam (лат.)

Перемога любить терпіння (старання).


Вступ


Головним здобутком вивчення ферментів, який активно почався в 40-х роках ХХ ст., є можливість використання цих біокаталізаторів у клініці для діагностики захворювань внутрішніх органів. На сьогодні розділ біохімічної науки, яка вивчає ферменти – ензимологія, збагачений інформацією про структуру, особливості будови та фізико-хімічні властивості ензимів, що дає змогу використовувати їх у різних галузях науки та виробництва.

У живих організмах відбувається безліч різноманітних реакцій, сукупність яких має назву «метаболізм», або «обмін речовин». Ці реакції необхідні для розмноження, росту, відновлення, перетворення поживних речовин у структурні та енергетичні компоненти, знешкодження та виведення кінцевих продуктів обміну. Для того щоб подібні реакції відбувалися in vitro, потрібен значно більший час та значно екстримальніші умови (температура, рН, інші додаткові хімічні та фізичні чинники). У клітинах живих організмів метаболічні перетво-рення відбуваються дуже швидко, практично за частки секунди, та в оптимальних умовах (фізіологічних значеннях рН та температури). Цей феномен живих клітин пояснюється наявністю особливих білкових молекул – ферментів (ензимів).

Ферменти (від лат. fermentum, грецьк. ζύμη, ἔνζυμον — закваска) – біологічні каталізатори білкової природи. Таке загальне визначення підкреслює хімічну природу практично всіх існуючих ензимів, тобто всі ферменти – білки. Хоча є і винятки із цього правила. У 80-х роках Томасом Чеком при вивченні сплайсингу в інфузорії Tetrahymena thermophila була встанов-лена ферментативна активність РНК. РНК, яка має фермента-тивну активність, називають рибозимом. Крім того, вище-наведене визначення вказує на особливу, каталітичну роль ензимів, які значно прискорюють хімічні реакції в організмі.

Термін «фермент» був запропонований ван Гельмонтом у XVII сторіччі для пояснення механізмів травлення. На сьогодні цей термін використовують в російській та німецькій літературі. В англо- та французькомовних наукових виданнях переважає синонім «ензим».

На сьогодні відомо близько 2000 ферментів та понад 4000 різноманітних біохімічних перетворень. Усі ферменти мають свої особливості функціонування, але можна виділити загальні властивості для всіх них:

  1. каталізують лише енергетично можливі реакції;

  2. прискорюють як пряму, так і зворотну реакцію, але не зміщують напрямку хімічної рівноваги;

  3. у ході реакції не змінюються та не входять до складу кінцевого продукту;

  4. мають високу специфічність дії (здатність каталізувати перетворення однієї або групи подібних молекул);

  5. значно більш ефективні, ніж звичайні небіологічні каталізатори – кожна молекула ферменту може виконувати від декількох тисяч до мільйонів «операцій» за секунду та прискорювати реакції у мільйони і мільярди разів;

  6. діють у відносно м'яких умовах (фізіологічних значеннях рН, температури, нормальному атмосферному тиску);

  7. вони є каталізаторами, активність яких може бути регульована, тобто збільшена або зменшена.


^ 1. Будова ферментів


Усі відомі ферменти (за винятком рибозима) – це білки, тому вони мають велику молекулярну масу і можуть мати три або чотири рівні структурної організації. Молекулярна маса ферментів знаходиться в межах від 10 000 до 2 000 000. Ферменти, для яких властива четвертинна структура, називають олігомерними.

Залежно від будови ферменти поділяють на дві групи:

1) прості;

2) складні.

Прості ферменти мають лише білкову частину, складні – білкову та небілкову складові. Значна кількість відомих ферментів – складні, робота яких потребує обов’язкової наявності небілкового компонента. Схематично структура складного ферменту зображена на рис.1.



Рисунок 1 - Будова складного ферменту


Таким чином, холофермент – це активний комплекс ферменту, обов’язковою складовою якого є кофактор. Залежно від хімічної природи та міцності зв’язків між білковою та небілковою частинами ферменту можна виділити три групи кофакторів:

  1. кофермент – небілкова органічна молекула, яка нековалентно зв’язана з апоферментом та може легко відділятися від нього;

  2. простетична група – небілкова органічна молекула, яка міцно, тобто ковалентно, зв’язана з білковою частиною ферменту, та не може бути відділена від неї;

  3. іони металів (K+, Fe++, Fe+++, Cu++, Co++, Zn++, Mn++, Mg++, Ca++, Mo+++ ), які називають кофакторами.

Для пояснення деталей будови та функціонування ферментів необхідно ввести такі поняття, як «субстрат» та «продукт» реакції.

Субстратом (S) називають молекулу, яка під дією ферменту перетворюється на кінцевий продукт реакції (P): S→P. Для утворення продукту фермент може зв’язувати один або декілька субстратів.

Відповідно формування третинної структури ферменту відбувається так, щоб утворювати щілину або заглиблення для зв’язування субстрату і перетворення його у продукт. Тобто кожний фермент має функціонально активну ділянку – активний центр (для зв’язування та перетворення субстрату). Як правило субстрат приєднується до функціональних груп в активному центрі нековалентно, іноді можуть утворюватися короткотривалі ковалентно зв’язані комплекси.

У функціонуванні активного центру задіяні нуклеофільні групи бокових радикалів амінокислот (імідозольна гістидину, гідроксильна група серину або тирозину, іонізовані карбоксиль-ні групи аспартату та глутамату, тильна група цистеїну та ін.). В активному центрі складного ферменту розташований кофактор, без якого каталітичні перетворення неможливі.

Активний центр має дві ділянки:

  1. якірну (контактна), де відбувається зв’язування субстрату з функціональними групами активного центру;

  2. каталітичну – в цій ділянці безпосередньо відбуваються каталітичні перетворення.

У роботі активного центру прямо або опосередковано беруть участь 1/2 - 2/3 амінокислотних залишків білка-ферменту.


Крім активного центру деякі ферменти можуть мати алостеричний (регуляторний) центр – це функціонально активна ділянка ферменту, з якою зв’язуються модифікатори – молеку-ли, що впливають на роботу активного центру. До таких моле-кул належать активатори (підвищують активність ферменту) та інгібітори (гальмують роботу ферменту).

Ферменти, які мають алостеричний центр, називають алосте-ричними, або регуляторними. Особливості їх будови та функціо-нування будуть розглянуті нижче.


^ 2. Мультиферментні комплекси (мультиензимні, або поліферментні системи)


У клітинах метаболічні перетворення субстратів здійсню-ються послідовно декількома ферментами. Кожний з цих ферментів каталізує певну ділянку загального метаболічного шляху. Сукупність ферментів, які каталізують перетворення субстрату в продукт через ланцюг послідовних реакцій, має назву мультиферментний комплекс (мультиферментна система).

На рисунку 2 схематично показана мультиферментна система, яка каталізує перетворення субстрату А в продукт D і містить три ферменти E1, E2, E3.



E1

E2

E3


A

D

C

B




Рисунок 2 - Мультиферментна система ферментів E1, E2, E3


Виділяють декілька видів організації мультиферментних систем:

  1. функціональна організація – у цьому випадку ферменти структурно не зв’язані один з одним, але сумісно каталі-зують один процес. Зв’язувальним елементом у такій системі є метаболіти, які послідовно перетворюються під дією ферментів такої системи. Приклади: ферменти гліколізу, глікогенолізу, глікогенезу тощо;




  1. структурно-функціональна організація – у разі такої будови системи ферменти структурно і функціонально зв’язані один з одним та функціонують як єдиний комплекс. Приклади: піруватдегідрогеназний комплекс,


α-кетоглутаратдегідрогеназний комплекс, синтаза жирних кислот тощо.

  1. мішаний тип організації – у цьому випадку частина фер-ментів зв’язана структурно, частина лише функціональ-но, але всі вони функціонують як єдина система. Приклади: цикл лимонної кислоти (цикл Кребса), аероб-ний катаболізм глюкози тощо;

  2. мембрано-зв’язані – іноді ферменти мультиензимного комплексу поєднуються за допомогою мембран, в струк-туру яких вони вбудовані. Приклади: дихальний ланцюг мітохондрій, мікросомальний електронотранспортний ланцюг.

____________________________________________________

У прикладах мультиферментних систем, які були наведені вище, були вказані окремі метаболічні шляхи (гліколіз, цикл Кребса тощо). Ферменти, які працюють разом, утворюють надмолекулярні комплекси, які можуть бути асоційовані з клітинними структурами. Шрер (1985) запропонував визначення таких утворень і назвав їх метаболони. Метаболон – надмолекулярний комплекс ферментів, що каталізують реакції певного метаболічного шляху, та структурних елементів клітини (плазматичної або мітохондріальної мембран, ЕПР тощо). Так, наприклад, існує точка зору про те, що асоціація гліколітичних ферментів в еритроцитах відбувається на інтегральному мембрано-зв’язаному глікопротеїні. Іншим прикладом метаболону може бути інтеграція ферментів циклу Кребса і внутрішньої мембрани мітохондрій. Якірною ділянкою цієї системи буде один із ферментів – сукцинатдегідрогеназа – інтегральний білок-фермент мітохондріальної мембрани.

__________________________________________________


^ 3. Класифікація та номенклатура ферментів

Перша версія сучасної номенклатури з’явилася у 1961 році. Її запропонувала Міжнародна комісія з ферментів (Enzyme Commission), яка була створена у Брюсселі Міжнародним біохімічним конгресом (1955 р.). З кожним роком кількість ферментів, які були вивчені і включені в цю систему, зростала. Та якщо у 1961 році було класифіковано лише 900 ферментів, то у 1995 р - більш ніж 3500.

Ензимологія тривалий час залишалася без строгої номен-клатури ферментів. Ферменти отримували за випадковими ознаками (тривіальна номенклатура), за назвою субстрату (раціональна), за типом реакції або характеру субстрату. Наприклад, до тривіальної номенклатури слід віднести назви пепсин (від грецьк. пепсин – травлення) або трипсин (від грецьк. трипсис – розріджую). Іншим прикладом може бути назва цитохромів – забарвлених ферментів, які каналізують окисно-відновні реакції (від лат. citos – клітина, chroma – колір).

Найбільш поширеною стала раціональна номенклатура, основи якої були закладені учнем Л. Пастера - Е. Дюкло у 1883 році. Згідно з пропозиціями вченого робоча назва ферменту повинна містити назву субстрату та закінчення «аза». Наприклад, фермент, який каталізує гідролітичне розщеплення сахарози, має назву сахараза, гідроліз крохмалю – амілаза (від грецьк. амілон – крохмаль), гідроліз жирів – ліпаза (від грецьк. ліпос – жир) і т.п.

У 1961 році з’явилася номенклатура ферментів, яка базується на чітких наукових принципах. Згідно з цією номенклатурою назва будь-якого ферменту обов’язково містить назву субстрату (субстратів), тип реакції та закінчення –аза. Кожен фермент має робочу та систематичну назви.


Наприклад, лактатдегідрогеназа (ЛДГ або LDH) – це робоча назва ферменту, який каталізує зворотну окисно-відновну реакцію перетворення лактату в піруват (рис. 3). ЛДГ має систематичну назву - L-лактат:НАД+ -оксидоредуктаза.

Такі систематичні назви надають лише добре вивченим ферментам.



^ Піруват Лактат

Рисунок 3 - Лактатдегідрогеназна реакція

Залежно від типу реакції, яку каталізують ферменти, виділяють 6 класів, які поділяють на підкласи та підпідкласи. Кожен фермент має свій код або шифр (КФ) – це номер ферменту за міжнародною класифікацією.

Кожен такий номер містить скорочення КФ та послідовність із чотирьох цифр, які розділені комами. Перша цифра вказує на номер класу (один із шести). Друга – порядковий номер підкласу, який характеризує субстрат ферменту (за функціональної групою або зв’язком у складі субстрату, які є основними мішенями дії ферменту). Третя цифра – порядковий номер підпідкласу, який більш детально характеризує природу субстрату реакції. Четверте число – порядковий номер ферменту у підпідкласі. Наприклад, шифр КФ 1.1.1.1 належить алкогольдегідрогеназі, а КФ 1.1.1. 27 – лактатдегідрогеназі.


^ Таблиця 1 - Класи ферментів

Клас

Реакція

Тип реакції

Приклади підкласів

КФ 1
Оксидоре-дуктази


Окисно-відновні реакції (транспорт атомів Н, О, елек-тронів від однієї сполуки до іншої)

Відновлення: SH + A → S + AH Окиснення:
S + O → SO

дегідрогенази, оксидази, пероксидази, редуктази, монооксигенази, діоксигенази

^ КФ 2
Трансферази


Перенесення фун-кціональних груп (метильної, аце-тильної, аміно-групи, фосфат-ної) від одного субстрату на інший.

S1R + S2 → S1 + S2R

амінотрансферази, фосфотрансферази, C1-трансферази, глікозилтрансфера-зи

^ КФ 3
Гідролази


Розщеплення зв’язків у моле-кулах субстратів з приєднанням молекули води.

AB + H2O → AOH + BH

естерази, глікозил-гідролази, пептидази, амідази

КФ 4
Ліази


Розщеплення зв’язків (C-O, C-S, C-N ) у молекулах субстратів без приєднання молекул води

^ RCOCOOH → RCOH + CO2

C-O-ліаза, C-S-ліаза, C-N-ліаза, C-C-ліаза

КФ 5
Ізомерази


Внутрішньомо-лекулярні пере-будови, тобто ре-акції ізомеризації (перенесення функціональних груп у межах однієї молекули)

AB → BA

епімерази, цис-трансізомерази, внутрішньомоле-кулярна оксидоре-дуктаза та ін.

Клас

Реакція

Тип реакції

Приклади підкласів

КФ 6
Лігази (синтетази)


З’єднання двох молекул з утво-ренням C-O, C-S, C-N або C-C зв’язків (потріб-на енергія АТФ)

X + Y+ ATФ → XY + AДФ + Фн

C-O-лігаза, C-S-лігаза, C-N-лігаза, C-C-лігаза


^ 4. Механізм дії ферментів

4.1. Загальні уявлення. Термодинамічні закономірності


З термодинамічної точки зору ферменти прискорюють хімічні реакції в організмі завдяки тому, що знижують енергію активації (Ea).
Без ферменту


З ферментом

Еа


G реактантів


Напрямок реакції

G продуктів


Рисунок 4 - Зміна енергії активації (Еа) без ферменту та за наявності ферменту в реакції


Еа введена Сванте Августом Арреніусом для характе-ристики швидкості реакції. Еа – це мінімальна кількість енергії, яку слід надати молекулам речовини для того, щоб вони подолали енергетичний бар’єр, тобто вступили в реакцію. На рис. 4 наведена діаграма, яка ілюструє зниження енергії активації за наявності ферменту. Тобто за наявності ферменту в реакційному середовищі більша кількість молекул може подо-лати енергетичний бар’єр реакції і перетворитися в продукт.

Значну роль у розвитку уявлень про механізм дії ферментів відіграли праці німецьких вчених Л. Міхаеліса та М. Ментена. Саме вони розвинули положення про формування фермент-субстратного комплексу при біологічному каталізі. Згідно з уявленням Міхаеліса-Ментена весь процес фермента-тивного каталізу можна умовно поділити на три стадії:




  1. Утворення зворотного фермент-субстратного комплексу (ES). На цьому етапі субстрат певним чином орієнтується в активному центрі ферменту та нековалентно зв’язується з функціональними групами в ньому. Слабкі зв’язки, які утворюються в ході такої взаємодії, можуть руйнуватися, тому субстрат може відділятися від активного центру – стадія зворотна.

  2. Утворення однієї або декількох активних форм ES з подальшим утворенням продукту реакції (Р). Ця стадія відбувається найбільш повільно, тому швидкість цієї стадії визначає швидкість усієї ферментативної реакції.

  3. Відділення готового продукту реакції від ферменту. Ця стадія, як і друга, є незворотною.



4.2. Молекулярні механізми дії ферментів


Теорія формування фермент-субстратного комплексу дає пояснення загальної картини ферментативного каталізу без деталізації процесів, які відбуваються в активному центрі на молекулярному рівні. Кожен фермент має свої особливості функціонування, які можна узагальнити та виділити декілька основних механізмів дії ферментів. До найбільш вивчених молекулярних механізмів дії ферментів слід віднести такі:

  1. ^ Ефект зближення та орієнтації – найбільш поширений механізм. Пояснення процесу: правильна взаємодія молекули субстрату з контактною ділянкою активного центру дозволяє найкращим чином зорієнтувати S відносно каталітичної ділянки та зблизити з функціональними групами, які необхідні для його перетворення у продукт.

  2. ^ Ефект деформації субстрату (так звана «теорія диби»). Пояснення процесу: після зв’язування S з активним центром відбувається розтягнення зв’язків (напруження та деформа-ція) в молекулі субстрату. Такі зв’язки або ділянки в молеку-лі субстрату легше атакуються, наприклад, молекулами води та розщеплюються.

  3. ^ Ефект кислотно-лужного каталізу. Пояснення процесу: в активному центрі ферменту є амінокислотні залишки, які відіграють роль акцептора або донора протонів і, таким чином, беруть участь у перетворенні S. Найбільш активними є функціональні групи амінокислотних залишків Цис, Глу, Асп, Гіс, Тир та ін. (табл. 2).

  4. ^ Ефект ковалентного каталізу. Пояснення процесу: у активному центрі деяких ферментів між молекулою субстрату та функціональними групами активного центру утворюються нестійкі ковалентні зв’язки, після руйнації яких утворюється новий продукт або продукти. Формування ковалентних зв’язків відбувається завдяки атаці нуклео-фільних (негативно заряджених) або електрофільних (пози-



тивно заряджених) функціональних груп активного центру ферменту молекулами субстрату.

  1   2   3   4

Схожі:

Міністерство охорони здоров`я україни iconМіністерство охорони здоров'я України
Міністерство охорони здоров'я України, Київ, 1994 р.) та "Програми виробничої та переддипломної практики" за спеціальністю 11020101...
Міністерство охорони здоров`я україни iconМіністерство охорони здоров'я України
Міністерство охорони здоров'я України, Київ, 1994 р.) та "Програми виробничої та переддипломної практики" за спеціальністю 11020101...
Міністерство охорони здоров`я україни iconМіністерство охорони здоров'я україни
Міністру охорони здоров'я Автономної Республіки Крим, начальникам управлінь охорони здоров'я обласних, Севастопольської
Міністерство охорони здоров`я україни iconЛекція: “ Правові основи організації охорони здоров'я
Міністерство охорони здоров‘я україни вднзу «українська медична стоматологічна академія» Кафедра соціальної медицини, організації,...
Міністерство охорони здоров`я україни iconМіністерство охорони здоров’я України Національн ий медичн ий університет ім ені О. О. Богомольця Головне управління охорони здоров’я Ки ївської міської держа вної а дміністрації Науково-практичний семінар
Начальник Головного управління охорони здоров’я Київської міської державної адміністрації
Міністерство охорони здоров`я україни iconМіністерство охорони здоров’я України Національний медичний університет імені О. О. Богомольця Головне управління охорони здоров’я Київської міської державної адміністрації Науково-практичний семінар
Начальник Головного управління охорони здоров’я Київської міської державної адміністрації
Міністерство охорони здоров`я україни iconМіністерство охорони здоров’я України Національний медичний університет імені О. О. Богомольця Головне управління охорони здоров’я Київської міської державної адміністрації Науково-практичний семінар
Начальник Головного управління охорони здоров’я Київської міської державної адміністрації
Міністерство охорони здоров`я україни iconМіністерство охорони здоров’я україни
Пропедевтики дитячих хвороб. Програми навчальної дисципліни для студентів вищих медичних закладів освіти III-IV рівнів акредитації”...
Міністерство охорони здоров`я україни iconМіністерство охорони здоров’я України
Дитяча неврологія”, схваленої Кординаційною науково-методичною радою з післядипломної освіти лікарів І провізорів при Головному управлінні...
Міністерство охорони здоров`я україни iconМіністерство охорони здоров'я україни донецький національний медичний університет ім. М. Горького збірник алгоритмів стоматологічних маніпуляцій
Рекомендовано цмк з вищої медичної освіти Міністерства охорони здоров`я України як навчальний посібник для студентів стоматологічних...
Міністерство охорони здоров`я україни iconМіністерство охорони здоров`я України Міністерство охорони здоров’я України дз ”Луганський державний медичний університет”
«Актуальні питання експериментальної, клінічної медицини та фармації», яка відбудеться 25-26 жовтня 2012 р у Дз ”Луганський державний...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи