ФЕРМЕНТЫ

ФЕРМЕНТЫ
ИЛЛЮСТРИРОВАННАЯ БИОХИМИЯ
(формулы, схемы, термины и алгоритм
познавания предмета)
Учебное
пособие
для
конспектирования лекций и
самостоятельной подготовки
к занятиям по биохимии
Тверь, 2018 г.
 История энзимологии
— Реомюр и Л. Спалланцани (XVIII в.— изучение ферментов
пищеварительных соков).
— К. С. Кирхгофф (Россия, 1814 г. — экстракты из солода, проросшего ячменя,
способны осахаривать крахмал с превращением его в мальтозу).
— Л. Пастер (Франция, конец XIX в. — спиртовое брожение — результат обмена
веществ в живых микроорганизмах).
— Д. Самнер и Д. Нортон (США, начало ХХ в. — впервые выделены ферменты
в кристаллическом виде. Доказано, что ферменты – это белки).
— Л. Мехаэлис, М. Ментен (начало ХХ в. — теория ферментативной кинетики:
при катализе образуется промежуточный фермент-субстратный комплекс).
 Химическая природа ферментов (докажите, что это белки)
—
—
—
—
—
—
—
—
—
молекулярная масса,
денатурация,
кристаллизация,
электрофорез,
диализ,
высаливание,
коллоидные свойства,
специфичность действия,
продукты гидролиза,
— искусственные ферменты (осуществлен синтез фермента рибонуклеазы).
 Ферменты - простые и сложные белки
— используя схему, опишите химическую природу и структурную организацию
составных частей энзимов и объясните их функции
ФЕРМЕНТ
СЛОЖНЫЙ БЕЛОК
(ХОЛОФЕРМЕНТ)
АПОФЕРМЕНТ
ПРОСТОЙ БЕЛОК
КОФАКТОР
МЕТАЛЛ
КОФЕРМЕНТ
НЕВИТАМИНЫЙ
ВИТАМИНЫЙ
Классификация коферментов

Коферменты витаминной природы (после изучения коферментов впишите в
таблицу витамин и дайте краткую характеристику биологической функции
кофермента):
Название
коферментов
Витамин, входящий в
кофермент
Биологическая
функция
Тиаминовые
Пантотеновые
Никотинамидные
Флавиновые
Фолиевые
Пиридоксиновые
Кобамидные
Биотиновые
Липоевые
Хиноновые
Карнитиновые
КОФЕРМЕНТЫ ВИТАМИННОЙ ПРИРОДЫ
1. Тиаминовые коферменты (основа–витамин В1, тиамин; кофермент ТДФтиаминдифосфат):

Химическая структура ТДФ:

Выделите отдельные фрагменты этой структуры и покажите пиримидиновые
и тиазоловые кольца, пирофосфат, витамин и кофермент.
Функции ТДФ (в составе энзимов участвует в окислительном
декарбоксилировании α-кетокислот, в трансальдолазных и транскетолазных
реакциях пентозофосфатного пути).

2
2. Никотинамидные коферменты (основа–витамин В5, РР, ниацин, никотинамид и
АМФ; кофермент НАД(Ф)-никотинамидадениндинуклеотид(фосфат)):

Химическая структура НАД(Ф):
++





Выделите фрагменты в этой структуре и покажите витамин В5, АМФ.
Докажите, что НАД(Ф) - это динуклеотиды.
Назовите функции НАД(Ф) (в составе энзимов участвует в окислительноОН
восстановительных реакциях).
— структуры
Покажите, к какой части
Р=О
НАД(Ф) присоединяются е- и Н+
Различия в функциях НАД иОН
НАДФ (реакции катаболизма и анаболизма).
3. Пантотеновые коферменты (основа–витамин В3-пантотеновая кислота и АДФ;
кофермент – КоА-SН-коэнзим-А):
— Химическая структура Коэнзима А:
H-S-
3



Выделите фрагменты в этой структуре и покажите: АДФ, пантотеновую
кислоту, -аланил, α,γ-дигидрокси, β,β -диметилбутирил, тиоэтаноламин.
Назовите функции НS-КоА (в составе энзимов участвует в образовании
ацил-КоА).
Покажите активную часть в структуре кофермента.
4. Флавиновые коферменты (витамин В2, рибофлавин)

Химическая структура ФАД и ФМН:


Дайте полное название ФМН и ФАД
Выделите в написанной структуре ФМН, ФАД. Покажите его фрагменты:
витамин, изоаллоксазиновое кольцо, рибитол, АМФ).
Функции ФМН и ФАД (в составе энзимов участвует в окислительновосстановительных реакциях).
Покажите, куда присоединяются е- и Н+.


5. Пиридоксиновые коферменты (витамин В6, пиридоксин):

Химическая структура коферментов:


Покажите: витамин, кофермент.
Объясните названия написанных коферментов (пиридоксальфосфат,
пиридоксаминфосфат)
Перечислите функции этих коферментов (в составе энзимов участвуют в
реакциях трансаминирования и декарбоксилирования аминокислот).

4
6. Фолиевые коферменты (витамин В9, фолиевая кислота):

Химическая структура:
Н
Н
Н
Н



Дайте название написанной структуры (ТГФК).
Покажите фрагменты, входящие в эту структуру: птеридин, nаминобензойная кислота и глутамат.
перечислите функции этого кофермента (в составе энзимов участвует в
переносе одноуглеродных фрагментов – формильной –СНО, метильной –
СН3, метиленовой –СН2-, метенильной –СН=, оксиметильной –СН2ОН,
формиминовой –СН=NН).
7. Кобамидные коферменты (витамин В12, кобаламин):

Химическая структура:
5



Покажите основные составляющие фрагменты молекулы: пирролльные
кольца, корриновое ядро, центральный атом кобальта, нуклеотидный лиганд.
Кобамидные
коферменты:
метилкобаламин
(СН3—В12),
дезоксиаденозилкобаламин (дезоксиаденозил—В12). В чем их химическое
различие?
Функции кобамидных коферментов - в составе энзимов участвуют в:
- реакциях трансметилирования (совместно с ТГФК):
СН3—В12
этаноламин
холин
- реакциях изомерации:
Дезоксиаде-окисление
ВЖК (нечет. ат. С)
метилмалонил-КоА нозил-В
сукцинил-КоА
12

ЦТК
Факторы Касла (внешний – В12, внутренний – гастромукопротеид).
8. Биотиновые коферменты (витамин Н, биотин):

Химическая структура:

Покажите фрагменты, входящие в эту структуру: тиофен, мочевину,
валериановую кислоту.
Функции биотиновых коферментов (в составе энзимов участвуют в реакциях
карбоксилирования при биосинтезе глюкозы и ВЖК).
Объясните образование активной формы СО2 (карбоксибиотина).


9. Липоевые коферменты (витамин N):

Химическая структура:
+ 2Н+ + 2е-
НS
S
ЛК
ЛК
НS
S

Функции липоевых коферментов (в составе энзимов участвуют в
окислительном декарбоксилировании α-кетокислот: пирувата до ацетил-КоА
и α-кетоглутарата до сукцинил-КоА).
6
10. Хиноновые коферменты (убихинон, коэнзим-Q):
 Химическая структура:
СН3
R = — (СН2 – СН = С – СН2)n – Н (изопрен, n= 6-10)
 Покажите фрагменты, входящие в эту структуру (хинон и изопреновую
—

цепь).
Что обозначают Ко-Q6 и Ко-Q10?
Функции хиноновых коферментов - обязательный компонент дыхательной
цепи:
 коллектор электронов и протонов в дыхательной цепи
 перенос 2е- на цитохромы
 передача 2Н+ в митохондриальный матрикс
11. Карнитиновые коферменты (витамин Вт, карнитин):
 Химическая структура:


Покажите основные компоненты, входящие в эту структуру (холин и
ацетат).
Функции карнитиновых коферментов (в составе энзимов участвуют в
переносе ВЖК через мембрану митохондрий).
КОФЕРМЕНТЫ НЕВИТАМИННОЙ ПРИРОДЫ
1. Нуклеотидные коферменты
НОСН2
Н
О
Н
Н
ОН
Н
НО
О
Н
CH3
|
H3C – N+ - CH2 – CH2 – O – ЦДФ
|
CH3
УДФ
Цитидиндифосфатхолин
ОН
(ЦДФ-холин)
Уридиндифосфатглюкоза
(УДФ-глюкоза)
7
2. Металлопорфириновые коферменты цитохромов
3. Пептидные коферменты: глутатион (Глу-Цис-Гли, см. раздел
«Обмен белков»)
4. Дифосфаты моносахаридов
6
СН2ОРО3Н2
Н
СООН
|2
НС — О — РО3Н2
|3
Н2С — О — РО3Н2
Н
ОН
О
Н
НО
2,3-дифосфоглицерат
Н
1
О
Н
РО3Н2
ОН
Глюкозо-1,6-дифосфат


Опишите химическую структуру каждого кофермента.
Охарактеризуйте биологическую роль каждого кофермента
- перенос глюкозы в синтезе гликогена (УДФ-глюкоза),
- перенос холина в синтезе фосфатидилхолина (ЦДФ-холин),
- перенос электронов по дыхательной цепи (металлопорфириновые
коферменты),
- является донором водорода в окислительно-восстановительных реакциях
(глутатион),
- 2,3-дифосфоглицерат — кофермент фосфоглицеромутазы, обеспечивает
превращение 3-фосфоглицерат  2-фосфоглицерат,
- глюкозо-1,6-дифосфат — кофермент, обеспечивает превращения
глюкозо-1-фосфат  глюкозо-6-фосфат.
КОФАКТОРЫ ФЕРМЕНТОВ - ИОНЫ МЕТАЛЛОВ:
Na+, K+, Mg2+, Mn2+, Ca2+, Zn2+, Cu2+, Fe2+, Mo6+ и другие

Функции ионов металлов в ферментах:
- стабилизируют третичную и четвертичную структуры энзимов,
- входят в состав активного центра фермента и способствуют
присоединению субстрата к активному центру,
- образуют с субстратом комплекс, на который действует энзим,
- выполняют коферментные функции:
 Na+, K+, Mg2+, Ca2+ - входят в состав АТФ-аз, которые транспортируют
соответствующие ионы,
 Zn2+ - входит в состав угольной ангидразы (карбоангидразы),
катализирующей биосинтез и распад угольной кислоты,
8
 Ионы металлов с переменной валентностью (Fe2+, Cu2+) - входят в состав
цитохромоксидаз и катализируют перенос электронов на кислород.
- Кофермент выступает в роли акцептора или донора химических
группировок атомов, электронов.
- Апофермент обеспечивает специфичность действия энзима.
ОРГАНИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ФЕРМЕНТА
Аллостерический
центр
Активный
центр
 Первичная, вторичная, третичная, четвертичная структуры
апофермента
(линейная
последовательность
аминокислот,
преимущественно α-спираль,
олигомерную структуру)
глобула,
объединение
субъединиц
в
 Активный центр фермента (уникальная комбинация функциональных
групп аминокислотных остатков полипептидной цепи, обеспечивающая
прикрепление субстрата и акт катализа):
- акцепторный участок,
- каталитический участок.
 функциональные группы активного центра фермента (уникальная
комбинация 12-16 радикалов аминокислот из различных участков
полипептидной цепи):
Сер
О
R—CН2— ОН
Глу — С
О—
Цис R—CН2— SН
Н
Лиз — N — Н
Н
+
Гис
R—CН2— С = СН
NН
N:
СН
Гидрофобные группы Фен, Лей, Вал и др.
9

Аллостерические ферменты - ферменты, имеющие аллостерический
центр, расположенный не в активном центре.
 Аллостерический
центр (комбинация радикалов нескольких
аминокислот)
- роль аллостерических центров в регуляции активности фермента
- положительные и отрицательные модификаторы аллостерических
центров (промежуточные метаболиты обмена веществ и
лекарственные препараты).
 Изоферменты – группа ферментов, катализирующих одну химическую
реакцию, но обладающих различными свойствами:
- аминокислотным составом,
- сродством к субстрату,
- электрофоретической подвижностью,
- каталитической активностью,
- локализаций в тканях.
 Пример изоферментов - лактатдегидрогеназы (ЛДГ):
- реакции катализируемые изоферментами ЛДГ
ЛДГ4, ЛДГ5
Пируват
+ НАДН2
Распределение изоферментов ЛДГ
разных тканей при электрофорезе
Миокард
Скелетные
мышцы
Лактат
+ НАД+
ЛДГ1, ЛДГ2
Набор
субъединиц
10
Обозначение
набора
субъединиц
Название
изофермента,
принятое в
медицине
Н4
ЛДГ1
М1Н3
ЛДГ2
М2Н2
ЛДГ3
М3Н1
ЛДГ4
М4
ЛДГ5
- биологическое значение распределения изоферментов ЛДГ по органам и
тканям:
- ЛДГ1 преимущественно в миокарде (аэробных условия
функционирования),
- ЛДГ5 преимущественно в скелетных мышцах (функционирующих не
редко в анаэробных условиях);
- диагностическое значение определения изоэнзимного спектра
сыворотки крови при различных заболеваниях:
- инфаркт миокарда – некроз кардиомиоцитов – вымывание ЛДГ в
плазму – повышение активности преимущественно ЛДГ1 в плазме
крови;
- гепатит - ………….?

Полиферментные системы (совокупность ферментов, объединенных
единым метаболическим процессом).
Метаболизм – совокупность всех протекающих в клетках химических реакций.
В клетках продукт одной реакции служит субстратом для другого энзима, и таким
образом формируются метаболические пути (“конвейеры”). Структура метаболических
путей: они бывают линейные (гликолиз) и циклические (ЦТК).
Реакции, катализируемые энзимами, согласованы между собой по времени, скорости,
разделены по месту действия.
Компартментализация ферментов:
- в цитоплазме – ферменты гликолиза;
- в лизосомах – гидролитические ферменты;
- в ядре – ферменты синтеза ДНК и РНК;
- в матриксе митохондрий – ферменты ЦТК;
- в мембране митохондрий – ферменты переноса электронов и протонов.
Органоспецифичность ферментов:
- аргиназа – синтез мочевины в печени;
- кислая фосфатаза – гидролиз фосфорных эфиров в простате;
- креатинкиназа МВ – биоэнергетика миокарда;
- GOT – трансаминирование в миокарде;
- GPT - трансаминирование в печени.

Формы организации полиферментных систем:
- функциональные (объединены по функции, свободно диффундируют в
цитоплазме клетки - энзимы гликолиза),
- структурно-функциональные (объединены по функции и закреплены на
структуре - энзимы дыхательной цепи митохондрий),
- смешанные (часть ферментов метаболического пути свободна в матриксе
митохондрий, а другая часть закреплена на мембране - энзимы ЦТК).
 Теория катализа (термодинамика катализа)
- все процессы самопроизвольно протекают в сторону уменьшения
свободной энергии (второй закон термодинамики),
11
- в любой реакционной смеси все молекулы значительно различаются по
содержанию потенциальной и кинетической энергии:
число
молекул
энергия молекул
- скорость химической реакции зависит от энергии исходных веществ и
величины энергетического барьера (молекулярные силы отталкивания),
- чтобы повысить скорость химической реакции, необходимо увеличить
энергию реагирующих веществ (сообщить энергию активации) либо
уменьшить величину энергетического барьера,
- энергия активации (энергия, которая необходима, чтобы все молекулы 1
моля вещества могли бы преодолеть энергетический барьер и вступить в
химическую реакцию),

графическое изображение энергии реагирующих веществ, энергии
активации и энергетического барьера:
G
Средняя энергия
исходных
вещества (S)
энергия
активации в
присутствии
катализатора
энергетический
барьер без
катализатора
энергия
активации без
катализатора
энергетический
барьер в
присутствии
катализатора
энергия продуктов
реакции (Р)
динамика химической
реакции (t)
12

способы повышения скорости химической реакции:
- температура (повышение температуры на 10 0С увеличивает скорость
реакции в 2-3 раза),
- катализаторы: неорганические и органические (ферменты).
 Сходства и отличия в действии ферментов и неорганических
катализаторов


Сходства:
- катализируют энергетически возможные реакции,
- не изменяют направление реакций,
- не смещают равновесие реакций,
- ферменты и неорганические катализаторы не расходуются в ходе
химической реакции.
Отличия:
- энзимы обладают значительно большей каталитической активностью,
- энзимы действуют в «мягких» условиях (рН, температура, давление),
- энзимы обладают специфичностью действия,
- энзимы являются катализаторами с регулируемой активностью.
 Гипотезы механизма действия ферментов


Адсорбционная (Бейлис, Варбург)
Гипотеза промежуточных соединений (Михаэлис, Ментен):
- сближение и ориентация субстрата и активного центра энзима,
- образование E-S комплекса, эффект напряжения (индуцированное
напряжение и дестабилизация, при которых энергетический барьер
химической реакции становится ниже),
- акт катализа (кислотно-щелочной или ковалентный):
- кислотно-основной катализ (фермент и субстрат реагируют, как
кислота и щелочь),
- ковалентный катализ (при взаимодействии фермента и субстрата
образуются ковалентные связи, которые не устойчивы и быстро
распадаются с образованием новых продуктов реакции),
- выход конечных продуктов реакции из активного центра фермента.
13
 Кинетика ферментативных реакций
 Кинетика химических реакций зависит от:

количества субстрата,
количества фермента,
температуры,
рН среды,
активности фермента,
и многих других причин.
Влияние количества субстрата (Кm - константа Михаэлиса):
- Кm - это концентрация субстрата, при
которой скорость химической реакции
составляет
1⁄2
от
максимально
возможной.Km для каждого энзима
величина постоянная, она отражает
сродство энзима и субстрата;
- Кm гексокиназы=0,1 мМ ⁄л,
- Кm глюкокиназы=10 мМ ⁄л.
- Биологических
смысл
различного
сродства
(Кm)
гексокиназы
и
глюкокиназы к глюкозе и распределения
этих ферментов по тканям (сохранение
гомеостаза глюкозы).
Влияние количества фермента:
скорость реакции

количество фермента
- Зависимость прямо пропорциональная, т.е.
чем больше фермента в клетке, тем выше
скорость ферментативной реакции.
- Количество энзима в клетке зависит от ее
потребности в ферменте (гипотеза Жакоба и
Моно.
- В покое в клетке функционирует лишь
небольшая часть энзимов.
- В ситуации стресса в кинетике химической
реакции участвует максимальное количество
энзимов, что обеспечивает адаптацию клетки
к экстремальным условиям.
14


Влияние температуры,
- При увеличении температуры до 400С
скорость ферментативной реакции возрастает
0
(повышение
температуры
на
10
С
увеличивает скорость реакции в 1,5-2 раза),
- возрастание скорости ферментативной
реакции при повышении температуры
используется организмом как защитный
механизм,
- понижение
температуры
(гипотермия
организма и его отдельных тканей)
используется в медицине для замедления
ферментативных реакций при консервации
органов и выполнении хирургических
операций на «сухом» органе.
- Выше
400С
скорость
некоторых
ферментативных реакций замедляется, т.к.
начинается денатурация фермента.
- Каждый
фермент
проявляет
максимальную
активность
при
оптимальном для него значении рН среды.
- Оптимум рН среды для большинства
ферментов лежит в нейтральной среде.
Имеются исключения:
- пепсин – оптимум рН=1,5-2,
- щелочная фосфатаза – оптимум
рН=9-10.
- Изменение
рН
в
организме
при
патологиях нарушает функцию энзимов
(изменяется
степень
ионизации
функциональных групп активного и
аллостерического
центров
и
их
архитектоника).
Влияние рН среды,
 Принципы регуляции метаболических путей
 Изменением количества фермента (на уровне транскрипции и трансляции и
протеолиза белка фермента);
 Доступностью молекул субстрата и кофермента (т.е. проницаемостью
мембран, а также активностью транслоказ);
 Изменением каталитической активности фермента (наиболее эффективный и
быстрый способ регуляции метаболизма).

Активность фермента

Может увеличиваться или понижаться.
15

Активность фермента в клетке изменяется под действием на него
активаторов и ингибиторов.
 Понятие об активаторах и ингибиторах ферментов:
- активатор увеличивает скорость ферментативной реакции,
- ингибитор уменьшает скорость ферментативной реакции.
 Использование ингибиторов и активаторов в медицине (лекарственные
препараты в большинстве случаев являются активаторами или ингибиторами
ферментов).


Активирование ферментов
Способы активирования ферментов:
- Витаминами и коферментами,
- субстратами,
- ионами металлов,
- активацией профермента (профермент  активный фермент: частичный
протеолиз пепсиногена с образованием активного пепсина),
- активацией по принципу ковалентной модификации
(фосфорилирование/дефосфорилирование ферментов: фосфорилаза
активируется, а гликогенсинтетаза ингибируется в первом случае и
наоборот при дефосфорилировании),
- ассоциацией и диссоциацией протомеров: например, протеинкиназа
неактивная – тетрамер (2R-регуляторные и 2G-каталитические
субъединицы) + 4 ц-АМФ  диссоциация олигомера с освобождением 2G
субъединиц, обладающих каталитической активностью.
- положительными модификаторами аллостерических ферментов.
 Ингибирование ферментов

Виды ингибирования (необратимое и обратимое)

Необратимое ингибирование (активность фермента не восстанавливается);
например при действии диизопропилфторфосфата (ДФФ) на
ацетилхолинэстеразу:
H
CH
CH33
C
H
CH3
CH3
ФЕРМЕНТ
O
C
CH3
O
ФЕРМЕНТ
F
CH2O H
P
O
CH2O
O
CH3
C
P
O
O
CH3
CH3
H
C
HF
CH3
H
ДФФ
16
НЕАКТИВНЫЙ
ФЕРМЕНТ

ацетилхолин является медиатором при синаптической передаче
нервного импульса,
холинэстераза катализирует распад ацетилхолина, прерывая передачу
нервного импульса,
при необратимом ингибировании холинэстеразы передача нервного
импульса не прерывается, что вызывает тетанию и паралич дыхания,
на принципах необратимого ингибирования основано действие
многих боевых отравляющих веществ,




Обратимое ингибирование (после отделения ингибитора от фермента его
активность восстанавливается)
Виды обратимого ингибирования:

конкурентное ингибирование:
- Конкурентный ингибитор сходен по
структуре с субстратом.
- Субстрат и ингибитор конкурируют за
активный центр фермента образуются
комплексы ЕS и EI. Последний
препятствует взаимодействию энзима
с истинным субстратом.
- Конкурентными ингибиторами могут
быть метаболиты (например, ЩУК,
малат),
антиметаболиты,
антикоферменты, антивитамины и
лекарственные препараты (например,
прозерин,
физостигмин,
присоединяясь к активному центру
ацетилхолинэстеразы, препятствуют
гидролизу ацетилхолина и усиливают
проведение нервного импульса при
лечении мышечной дистрофии.)
действие малоновой кислоты на
сукцинатдегидрогеназу

неконкурентное ингибирование:
- Субстрат и ингибитор не конкурируют
за активный центр фермента.
- Ингибитор
обратимо
изменяет
структуру энзима. В связи с этим,
последний не может эффективно
катализировать реакцию превращения
субстрата.
- Неконкурентными ингибиторами могут
быть
промежуточные
метаболиты,
которые ингибируют энзим по принципу
отрицательной обратной связи, а также
ионы тяжелых металлов в небольших
количествах.
S
S
H
S
H
-
S
Hg2+
Е
S
Hg2+ I
Е + S + I ———————— ESI
17

субстратное ингибирование:
- Избыток субстрата ингибирует
энзим, т.к к активному центру
фермента
присоединяются
одновременно
2
молекулы
субстрата.
- Ингибирование
снимается
простым
уменьшением
концентрации субстрата.
E
2S
S
Е
S
Е + S + S ———————— ESS
 Аллостерическая регуляция активности ферментов
(ферменты "дирижеры", регуляторные, ключевые ферменты )
- возможна в группе ферментов с аллостерическими центрами,
- аллостерическими эффекторами в организме являются метаболиты,
гормоны, металлы, коферменты,
благодаря аллостерической регуляции активности энзимов,
аллостерические ферменты являются «дирижерами» метаболических
процессов, как правило, катализируют самые медленные реакции и
располагаются в начале и конце метаболического пути,
пример аллостерической регуляции (энзимы гликолиза):
-
-
Схема гликолиза:
—
Е2
Е1
Е3
Е10
Е11
г  г-6-ф  ф-6-ф  ф-1,6-диф …… феп пируват  лактат




аллостерическими ферментами этого пути являются Е3 и Е10
(фосфофруктокиназа и пируваткиназа),
Е3 и Е10 , увеличивая или уменьшая свою активность, контролируют
скорость гликолиза,
положительными модификаторами Е3 и Е10 являются АМФ и АДФ,
отрицательными модификаторами Е3 и Е10 являются АТФ, цитрат и
ВЖК.
18

биологический смысл аллостерической регуляции (клетка тонко
реагирует на изменения окружающей среды и в режиме
саморегуляции изменяет метаболизм в нужном направлении),
ингибирование по принципу отрицательной обратной связи
(ретроингибирование) – разновидность аллостерической регуляции:
- осуществляется продуктами реакции (лактат); они ингибируют
энзим (Е11) , катализирующий их образование.

 Специфичность действия ферментов:
—
В основе специфичности лежит структурное и химическое
соответствие субстрата и активного центра фермента.
 Гипотезы:

гипотеза Фишера ("ключ-замок"),
гипотеза Кошланда (вынужденного соответствия).
Виды специфичности ферментов: субстратная и каталитическая.
 субстратная
специфичность
(в порядке
убывания степени
специфичности):
- стереохимическая – фермент специфичен к стереоизомерам (Lаминокислоты, d-сахара),
- абсолютная субстратная специфичность – фермент катализирует
превращение только одного субстрата (уреаза катализирует
превращение только мочевины, аргиназа – распад аргинина),
- абсолютная групповая специфичность – фермент специфичен к
функциональным группам субстрата (алкогольдегидрогеназа –
катализирует окисление различных спиртов),
- относительная групповая специфичность - фермент специфичен к
химическим связям определенной группы субстратов (пепсин, трипсин
- катализируют пептидные связи белков),
- относительная субстратная специфичность- фермент мало специфичен
(монооксидазы в присутствии цитохрома Р450 окисляет тысячи
различных веществ, лекарств, ядов).
– Каталитическая специфичность, например глюкозо-6-Ф является субстратом 4
энзимов: глюкозо-6-фосфатазы, фосфогексоизомеразы, фосфоглюкомутазы и
глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы.
 Номенклатура ферментов (название ферментов):



тривиальная (произвольная, исторически сложившаяся: пепсин, трипсин,
химотрипсин),
номенклатура, предложенная Дюкло (название субстрата с заменой его
окончания на «аза»: сахароза- сахараза, лактоза-лактаза),
предложения Международного конгресса по энзимологии (1961 г.):
- рабочее название фермента (название субстрата + тип реакции +
окончание «аза»: лактатдегидрогеназа = ЛДГ1-5?) – удобное для
повседневного использования.
19
- систематическое название фермента (названия субстратов + тип
реакций + окончание «аза»: L-лактат:НАД-оксидоредуктаза = ЛДГ5) –
используется для однозначной идентификации энзима.
 Классификация ферментов
-
I.
II.
несколько тысяч ферментов разделены на 6 классов,
название класса фермента определяется типом химической реакции,
катализируемой ферментом:
Оксидоредуктазы:
- катализируют окислительно-восстановительные реакции: с участием
кислорода, а также перенос электронов и атомов водорода с одного
субстрата на другой,
- в природе обнаружено около 500 ферментов этого класса,
- их разделяют на 17 подклассов (оксидазы, оксигеназы и др.),
- каждый подкласс делят на подподклассы (оксидазы делят на
анаэробные и аэробные дегидрогеназы),
- каждому ферменту присваивают номер,
1.- класс фермента
1.- подкласс
- код (шифр) фермента: ЛДГ1 = КФ 1.1.1.27.
(окисляемая ОНгруппа )
1.- подподкласс
МДГ = КФ 1.1.1.38.
(кофермент НАД)
27.- порядковый
Трансферазы:
номер фермента
- катализируют перенос групп атомов,
- делят на 8 подклассов:
- аминотрансферазы (переносят аминогруппу),
- метилтрансферазы (переносят метильную группу),
- фосфотрансферазы (переносят остаток фосфорной кислоты) и др.
III.
Гидролазы:
катализируют расщепление внитримолекулярных связей с участием
воды,
- в природе обнаружено около 460 ферментов этого класса,
- делят на 11 подклассов:
- пептидазы (гидролизуют пептидные связи в белках),
- эстеразы (гидролизуют сложноэфирные связи),
- гликозидазы (гидролизуют гликозидные связи в полисахарах) и др.,
-
IV.
-
V.
Лиазы:
катализируют разрыв связей (С─О, С─С, С─N и др.) без участия воды,
в природе обнаружено около 230 ферментов этого класса,
делят на 4 подкласса:
- декарбоксилазы (катализируют отрыв СО2-группы, например, от
аминокислот с образованием биологически активных аминов.)
Изомеразы:
20
-
VI.
катализируют реакции изомеризации,
в природе обнаружено около 80 ферментов этого класса,
делят на 5 подклассов,
примеры изомераз:
- триозофосфатизомераза (дигидроксиацетонфосфат↔
глицеральдегид-3-ф.),
- фосфогексоизомераза (глюкозо-6-ф ↔ фруктозо-6-ф),
- фосфоглюкомутаза (глюкозо-1-ф  глюкозо-6-ф).
Лигазы (синтетазы):
- катализируют реакции биосинтеза молекул с участием макроэргов,
- в природе обнаружено около 80 ферментов этого класса,
- делят на 5 подклассов,
- примеры лигаз:
- аминоацил-тРНК-синтетаза (активирует аминокислоты при
биосинтезе белков),
- ацил-КоА-синтетаза (активирует ВЖК при биосинтезе
триглицеридов).
 Методы определения активности ферментов

Активность фермента определяется в стандартных (оптимальных) условиях по:
- убыли концентрации исходных субстратов или
- приросту продуктов реакции,
при определении активности энзимов до сих пор используется
оптический тест Варбурга - НАД(Ф) ─ НАД(Ф)Н2:
ЛДГ
Пируват
НАДН
-
Лактат
НАД
2
контроль за изменением в инкубационной среде концентрации НАДН2
(при 340 нм с увеличением НАДН+ возрастает оптическая плотность
инкубационной среды) используется для расчета активности фермента;
 Единицы активности ферментов
-
1 Е (U) = 1 мкмоль/мин (т.е. 1 единица активности энзима – это то его
количество, которое катализирует превращение 1 мкмоль субстрата за 1
мин при оптимальных условиях),
Е (единица активности фермента) - русское обозначение,
U (единица активности фермента) - английское обозначение;
-
1 катал = 1 моль/сек (выражение активности фермента по
Международной системе единиц СИ), 1 катал = 6∙107 МЕ;
-
удельная активность фермента = мкмоль/(мин  мг белка).
21
-



число оборотов фермента (молярная активность)  это количество
молекул субстрата, превращенного в продукт за одну секунду одной
молекулой фермента.
 Медицинская энзимология
энзимопатология:
- универсальная концепция энзимопатологии гласит, что абсолютно все
заболевания являются результатом нарушения функции ферментов,
- энзимопатии подразделяют на первичные (наследуемые) и вторичные
(приобретеные),
- наследуемые энзимопатии являются следствием мутаций генов:
- фенилкетонурия – результат мутации гена, кодирующего энзим
фенилаланингидроксилазу,
- приобретенные энзимопатии являются следствием изменения
конформации энзима под влиянием факторов окружающей среды,
энзимодиагностика:
- энзимы широко используются для:
- дифференциальной диагностики заболеваний,
- оценки интенсивности и величины патологического процесса,
- для установления прогноза заболевания и др.
- наиболее часто анализируются с диагностической целью ферменты
сыворотки крови, которые подразделяют на:
- секреторные (энзимы свертывающей и антисвертывающей системы
крови),
- экскреторные (энзимы поджелудочной железы – диастаза, липаза),
- клеточные, которые подразделяют на:
- неспецифические,
- органоспецифические, которые называют маркерные, или
индикаторные, ферменты (аргиназа),
- изоэнзимы, которые неравномерно распределены по органам и
тканям (ЛДГ1 преимущественно в миокарде, а ЛДГ5 – в печени и
скелетных мышцах), что тоже используется в диагностике,
- концентрация клеточных и экскреторных энзимов в сыворотке крови
на несколько порядков ниже, чем в соответствующих органах и
тканях,
- при патологиях (воспалении, некрозе) энзимы в большом количестве
вымываются в кровь, что является свидетельством повреждения
соответствующего органа.
энзимотерапия:
- использование ферментов в качестве лекарственных препаратов:
- пепсин, трепсин, химотрипсин применяют для лечения болезней
желудочно-кишечного тракта,
- коллагеназу, эластазу, гиалуронидазу применяют для обработки ран
с интенсивным воспалением с целью предотвращения образования
келоидных рубцов,
- стрептокиназу,
урокиназу,
фибринолизин
применяют
для
растворения сгустков крови (тромбов), сформировавшихся в
кровеносных сосудах.
22