Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Курс лекцій з біохімії розділ «біохімія ферментів» для студентів спеціальності 110101

Курс лекцій з біохімії розділ «біохімія ферментів» для студентів спеціальності 110101




Сторінка1/4
Дата конвертації18.05.2017
Розмір0.65 Mb.
ТипКурс лекцій
  1   2   3   4
    Навігація по даній сторінці:
  • Суми



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.
Біохі́мія (від грец. βίος - «життя» і єгип. kēme - «Земля», також біологічна або фізіологічна хімія) - наука про хімічний склад організмів та їхніх складових частин та про хімічні процеси, що протікають в організмах.
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.
Спадко́ві хворо́би - захворювання, обумовлені порушеннями в процесах збереження, передачі та реалізації генетичної інформації. З розвитком генетики людини, у тому числі й генетики медичної, встановлена спадкова природа багатьох захворювань і синдромів, що вважалися раніше хворобами з невстановленою етіологією.

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.

Орган (від др.-грец. ὄργανον - знаряддя, інструмент) - частина тіла певної форми, що складається з однакових груп тканин і виконує певні функції.
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).

Метаболі́ти (від грец. μεταβολίτης, metabolítes) - речовини, що утворюються в клітинах, тканинах та органах живих організмів в процесі проміжного обміну. Вони беруть участь у подальших процесах асиміляції та дисиміляції.
Поживна речовина - необхідна для життя і росту організму, хімічна речовина, яку організм отримує з навколишнього середовища. Тварини споживають поживні речовини з їжею, а рослини безпосередньо з ґрунту та повітря.
Біоло́гія (дав.-гр. βίοσ - життя, дав.-гр. λόγος - слово; наука) - система наук, що вивчає життя в усіх його проявах й на всіх рівнях організації живого, про живу природу, про істот, що заселяють Землю чи вже вимерли, їхні функції, розвиток особин і родів, спадковість, мінливість, взаємини, систематику, поширення на Землі; про зв'язки істот та їхні зв'язки з неживою природою.
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.

Хімі́чна реа́кція - це перетворення речовин, при якому молекули одних речовин руйнуються і на їхньому місці утворюються молекули інших речовин з іншим атомним складом. Усі хімічні реакції зображують хімічними рівняннями.
Німецька література, або німецькомовна література - літературні твори німецькою мовою, написані в межах німецькомовного простору (Німеччина, Австрія, Швейцарія, Ліхтенштейн), а також твори, написані німецькими письменниками в еміграції (Німецька екзильна література, 1933-1945).
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;
    Хімічна рівновага - різновид термодинамічної рівноваги в системах, де відбуваються хімічні реакції, такий стан коли концентрації реагентів залишається незмінним. У стані хімічної рівноваги процеси утворення хімічних сполук та їхнього розпаду в прямих та зворотніх реаціях, відповідно, зрівноважені.


  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);
    Атмосферний тиск - тиск, з яким атмосфера Землі діє на земну поверхню і всі тіла, що на ній розташовані.


  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.
Молекуля́рна (фо́рмульна) ма́са (молекулярна вага) - маса молекули, виражена в атомних одиницях маси. Дорівнює сумі мас усіх атомів, що входять в дану молекулу. За молекулярну масу часто беруть середню масу молекули з урахуванням ізотопного складу всіх елементів, що утворюють хімічну сполуку.
Молекулярна маса ферментів знаходиться в межах від 10 000 до 2 000 000. Ферменти, для яких властива четвертинна структура, називають олігомерними.
Четвертинна структура - спосіб укладання в просторі окремих поліпептидних ланцюгів, що володіють однаковою (або різною) первинною, вторинною або третинною структурою, і формування єдиного в структурному і функціональному відношеннях макромолекулярного утворення.

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.

Третинна структура в хімії та біохімії - тривимірна структура макромолекули (білка, РНК або іншої), зазвичай визначена координатами її атомів.
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.).

Функціона́льні гру́пи (функці́йні гру́пи) - це специфічні групи атомів всередині молекул, які відповідають за властивості цих молекул в хімічних реакціях. Одна і та ж функціональна група однаково себе поводить в хімічних реакціях, незважаючи на розмір молекули, частиною якої є ця група..
Активний центр - особлива частина молекули ферменту, що визначає його специфічність і каталітичну активність.
Гідрокси́л (від гідр(оген) і окси(ген)) - одновалентна група ОН, входить до складу багатьох хімічних сполук, наприклад, води, лугів, спиртів. Інша назва - гідроксильна група.
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.
Амі́нокисло́ти - органічні сполуки, які одночасно містять у своєму складі аміно- (-NH2) та карбоксильну (-СООН) групи. Амінокислоти є мономерними одиницями білків, у складі яких залишки амінокислот з'єднані пептидними зв'язками.

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.
О́бмін речови́н або метаболі́зм - сукупність хімічних реакцій, що відбуваються в живих організмах. Метаболізм поділяється на дві гілки: катаболізм (дисиміляція або енергетичний обмін), що включає реакції розщеплення складних органічних речовин до простіших, яке супроводжується їх окисненням і виділенням корисної енергії, та анаболізм (асиміляція або пластичний обмін) - реакції синтезу необхідних клітині речовин, у яких енергія, отримана у катаболічних реакціях, використовується.
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;
    Жи́рні кисло́ти - органічні сполуки, що складаються з вуглецевого ланцюжка, довжиною до 24 атомів вуглецю з карбоксильною групою (-СООН) на одному кінці.
    Лимо́нна кислота́, цитри́нова кислота́ (2-гідрокси-1,2,3-пропантрикарбонова кислота, C6H8O7) - кристалічна речовина білого кольору, температура плавлення 153 °C, добре розчинна в воді, розчинна в етанолі, малорозчинна в діетиловому етері.


  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).
Цикл трикарбо́нових кисло́т (цикл Кре́бса, цитра́тний цикл) - центральна частина загального шляху катаболізму, циклічний біохімічний процес аеробних організмів, в ході якого відбувається перетворення двох- і трьохвуглецевих сполук, що утворюються як проміжні продукти в живих організмах при розпаді вуглеводів, жирів і білків, до CO2.
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.
Аспект (лат. aspectus - вигляд, погляд) - поняття філософії (онтології, теорії пізнання). У філософії аспект розглядається
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.

О́кисно-відно́вна реа́кція (заст. оки́снювально-відно́вна реа́кція) - хімічна реакція, яка відбувається із зміною ступеня окиснення атомів, що входять до складу реагентів, і реалізується перерозподілом електронів між атомом-окисником та атомом-відновником.
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).
А́томний но́мер (протонне число,зарядове число, порядковий номер, Z) - властивість атома (нукліда, атомного ядра), яка вказує на загальну кількість протонів, що містяться в його ядрі, отже одночасно вказує на його заряд в одиницях елементарного заряду, а також на порядкове місце хімічного елемента в періодичній системі хімічних елементів.
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
  1   2   3   4



  • Суми