Лекция 14. Ферменты. План лекции: Общее понятие о

Лекция 14. Ферменты.
План лекции:
Общее понятие о ферментах.
Строение и действие ферментов.
Классификация ферментов
Факторы, действующие на активность ферментов.
Литература:
Классификация и номенклатура ферментов. М, изд‐во «Иностранная литература», 1962
Кретович В.Л. Введение в энзимологии. М, Наука, 1978.
Метлицкий Л.В. Основы биохимии плодов и овощей. М.,»Экономика»,1976,349 стр.
Кретович В.Л. Биохимия растений М. ,Высшая школа,1971,464 стр.
Гребинский С.О.Биохимия растений. Изд.Львовского Университета,г.Львов,1967,271 стр.
Физиологически активные вещества обуславливают нормальную жизнедеятельность клетки и всего организма в целом. Они обладают специфическим действием и неразрывно связаны с метаболизмом клетки.
К этим веществам принадлежат ферменты, витамины, фитогормоны, антибиотики, фитонциды, ингибиторы. Все эти вещества вырабатываются протопластом клетки.
Ферменты (энзимы) представляют собой сложные вещества белковой природы и являются биологическими катализаторами, присутствие которых необходимо для возбуждения и ускорения биохимических реакций, протекающих в клетке.
• Важнейшие жизненные процессы –
дыхание, фотосинтез, синтез и распад белков и др – могут совершаться только под воздействием определенных ферментов.
• Ферменты отличаются от неорганических катализаторов высокой специфичностью, то есть действие каждого фермента строго ограничено одним веществом или группой близких веществ.
• Специфичность действия ферментов является их важнейшим биологическим свойством, без которого невозможен нормальный метаболизм клетки. • Активность ферментов зависит от температуры, кислотности среды и от присутствия в окружающей среде различных веществ, усиливающих или подавляющих их каталитическое действие.
• Активность ферментов зависит от температуры, кислотности среды и от присутствия в окружающей среде различных веществ, усиливающих или подавляющих их каталитическое действие. В настоящее время известно свыше 800 различных ферментов.
• Начало изучения ферментов относится к 1814 году, когда русский ученый К.С.Кирхгоф показал, что в прорастающем зерне имеется вещество, способное превращать крахмал в сахар. В дальнейших исследованиях ферментов большая роль принадлежит советским ученым А.И.Опарину, А.Л.Курсанову, Н.М.Сисакяну, Б.Ф.Рубину и другим, впервые начавшим изучение ферментов в живых растениях и заложившим основу биологии ферментов.
• Изучение биохимической природы и биологического действия ферментов посвящен один из важнейших разделов биохимии‐энзимологии.
• Ферменты – особые белки, вырабатываемые живой клеткой, которые выполняют роль катализаторов и регуляторов всех биохимических процессов.
• Установлено, что в одной растительной клетке может находиться от 5 до 50×
молекул ферментов, которые обладают очень высокой каталитической активностью.
• Программа синтеза каждого фермента с величайшей точностью закодирована в генах.
• Материальным же носителем этой генетической информации является молекула ДНК. Каждый фермент действует только на определенное вещество или группу веществ.
• Из многих тысяч реакций, происходящих в живой клетке, каждый фермент ускоряет лишь одну или несколько однотипных.
• Благодаря этому в живой клетке поддерживается строго определенный обмен веществ, без которого невозможна жизнь. Высокая специфичность действия ферментов, обусловленная прежде всего их сложной белковой структурой, дала основание сравнить субстрат с замком, а фермент ключом.
• Дверь можно открыть лишь в том случае, если формы ключа и замочной скважины соответствуют друг другу.
• Однако, в отличие от замочной скважины и ключа, форма которых постоянна, молекулы фермента обладают некоторой эластичностью, благодаря которой субстрат может лишь при соответствующих условиях присоединиться к активному центру фермента.
• Одно только присоединение субстрата к ферменту еще не вызывает ферментной реакции. Для того, чтобы она произошла, нужна некоторая перестройка в расположении функциональных групп активного центра фермента. А для этого конформация молекулы фермента и его активного центра должна меняться под влиянием субстрата.
Строение ферментов (схема).
1. АПОФЕРМЕНТ – ТЕЛО ФЕРМЕНТА
2. ЦЕНТР КАТАЛИЗА
3. ЦЕНТР СУБСТРАТА
4. ЦЕНТР АКТИВАЦИИ
5. АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЙ ЦЕНТР
• . Хотя в ходе ферментативных реакций свойства фермента изменяются, но сам фермент не разрушается (как правило ферменты разрушаются от времени и неблагоприятных воздействий). Благодаря этому для активизирования химической реакции достаточно очень малого количества фермента (для разложения 5 млн перикиси водорода достаточно одной молекулы каталазы).
• Молекула фермента соединяется с субстратом непрочно и на очень короткий срок (в случае с каталазой – в течение миллионной доли секунды). Тем не менее за это время субстрат настолько изменяется, что из относительно стойкого состояния переходит в весьма реактивное.
• Активизация субстрата достигается разными способами, например за счет отнятия электрона и превращения молекулы субстрата в заряженный ион.
• 3. все ферменты делятся на две группы:
• Простые белки (протеины) и сложные белки (протеиды). Протеиды содержат органические группы – коферменты (коэнзимы) или металлы, важные для каталитической активности.
• Довольно много ферментов являются простыми белками, они не содержат коэнзимов или металлов. К таким ферментам относятся, в частности, гидролазы, ‐ ферменты, осуществляющие гидролиз то есть разрыв связей – C‐N‐, ‐C‐
O‐C‐ и других с присоединением воды
• . К ферментам, простым белкам относятся – папаин, гидролизирующий белки, уреаза, различные гликозидазы, гидролизирующие полисахариды и т.д.
• Большинство ферментов – это белки, соединенные с коэнзимами или металлами. Коферментом называют также простеической группой фермента, а белок – носителем фермента или апоферментом.
• . Органические коферменты разнообразны по строению и функциям. В отличие от белка они устойчивы к нагреванию и могут отделяться от белка.
• В настоящее время известно свыше 1000 различных ферментов. Классификация ферментов основана на типах реакций, которые они катализируют, на характере их действия.
• В соответствии с рекомендациями комиссии по ферментам Международного биохимического союза все ферменты могут быть отнесены к следующим шести основным классам:
• Оксидоредуктазы (окислительно‐
восстановительные ферменты). Ферменты относящиеся к этому классу, катализируют окислительно‐восстановительные реакции, происходящие в живом организме. • Прежде всего это дегидрогексазы, катализирующие реакцию дегидрирования, то есть отнятие водорода от данного органического соединения.
• Трансферазы (ферменты переноса). Они катализируют перенос целых атомных группировок, например остатков фосфорной кислоты, остатков моносахаридов и аминокислот, аминных
или метильных групп от одного соединения к другому.
• Например, под действие фосфотрансфераз
происходит перенос остатков фосфорной кислоты от аденозинтрифосфата на глюкозу или фруктозу. При этом образуется аденозиндифосфат и фосфорный эфир соответствующего сахара.
• . фосфотранфераза
• Аденозинтрифосфат = глюкоза↔глюкозо‐
6‐фосфат=аденозиндифосфат. Различия в энергии, освобождающейся при гидролизе простой и макроэргической фосфатной связи, ясно видны из данных:
Соединение
«запас энергии» фосфатной связи
Глюкозо‐6 фосфат 3000
Фруктозо‐6 фосфат
3500
Глюкозо ‐1 фосфат
4750
Фруктозо‐1,6 дифосфат
2000‐3000
3‐фосфороглицериновый
Альдегид
2000‐3000
3‐фосфоглицериновая кислота 2000‐3000
Адениловая кислота
2000‐
3000
Аденозиндифосфат(связь 1)
7300
Аденозинтрифосфат(связь 2)
7600
• Гидролазы. К классу гидролаз относится очень большое количество ферментов, катализирующих расщепление при участии воды различных сложных органических соединений на более простые.
• Подобное расщепление называется гидролизом, а соответствующие ферменты поэтому называются гидролазами. Гидролазы катализируют реакции, которые могут быть выражены уравнением:
• RR’ +H‐OH↔R●OH+H●R’
• Лиазы. К этому классу относятся ферменты катализирующие реакции негидролитического отщепления каких‐
либо групп от субстратов. При этом происходит образование двойной связи (или наоборот присоединение группы к двойной связи). Некоторые из этих ферментов катализируют отщепление воды, другие – отщепление углекислого газа или аммиака и других.
• Изомеразы (ферменты изомерации).
• К этому классу принадлежат ферменты, катализирующие превращения органических соединений в их изомеры.
• Лигазы (синтетазы). К этому классу относятся ферменты катализирующие соединения двух молекул, связанные с расщепление пирофосфатной связи в АТФ или других нуклеозидтрифосфатах.
• Эти шесть классов ферментов в свою очередь подразделяются на подклассы и еще более мелкие группы. Систематическая классификация и номенклатура ферментов изложена в отчете Комиссии по ферментам Международного биохимического союза («Номенклатура ферментов», М,1966).
• Согласно новой классификации каждый фермент, кроме рабочего (тривиального) названия, имеет рациональное название и шифр, состоящий из четырех цифр. В шифре первая цифра обозначает класс, вторая подкласс, третья еще более мелкую группу ферментов (подклассы), четвертая цифра шифра обозначает данный конкретный фермент.
Факторы, действующие на активность ферментов. Все ферменты сильно реагируют на изменение условий внешней среды.
Наиболее высокая активность каждого фермента проявляется лишь при 1) определенных температурах 2)концентрациях субстрата 3) величины рН, 4)присутствия окислительных или восстановительных агентов и других.
• Например, многие ферменты проявляют оптимальную активность в нейтральной среде, то есть при рН около 7, но некоторые более активны в кислой среде – пепсин, или в щелочной среде – трипсин.
• С повышением температуры активность всех ферментов, как правило, возрастает, но с различной скоростью. Это дает возможность путем изменения условий внешней среды регулировать активность ферментов в свежих плодах и овощах при их хранении и переработке.
Влияние температуры на активность ферментов
• Насколько сильно влияют условия внешней среды на активность названных ферментов можно судить по результатам хранения яблок в различной по составу газовой среде. • Так, чрез 6 месяцев хранения яблок в среде, состоящей на 92% азота, 3% кислорода, и 5% углекислого газа, изоэнзимный состав – о ДФО оказался более близким к таковому незрелых яблок по сравнению с яблоками, хранившимися в обычной атмосфере.
• Позднеспелые сорта яблок, капусты и других видов плодов и овощей характеризуются как правило, более высокой активностью пероксидазы.
• Такого же рода корреляция установлена при изучении устойчивости лука к возбудителю серой или шейковой гнили (Botrytis allii). • Обнаружено, что она хорошо кореллирует
с активностью аллиназы, катализирующей превращение содержащегося в луке аллинина и аллицин. В отличие от аллинина аллицин обладает фунгитоксирующим действием. • Устойчивость лука к Botrytis allii связана не столько с общим содержанием эфирных масел, сколько с их превращением, в ходе которого образуются вещества, обладающие более фунгитоксическим
действием.
• Основная часть эфирных масел лука приходится на аллин, тогда как более сильной антибиотической активностью обладает аллицин, образующийся при распаде аллиина под действием фермента аллииназы.
• Экспериментально установлено, что инактивация аллииназы приводит к значительному снижению фунгитоксичности экстракта из луковиц.
Контрольные вопросы:
1.Дайте определение понятию «Фермент растений».
2.Когда и кто начал изучение ферментов?
3.Назовите основные особенности ферментов растений.
4.На каких особенностях ферментов построена их классификация?
5.Назовите классы ферментов.
6.Какие факторы среды действуют на активность ферментов растений, приведите примеры.