Ферменты лекция по клинической биохимии. Кафедра биохимии

Субстрат (S) - вещество, химические превращения которого в продукт (Р) катализирует фермент (Е).

S + E --> P, фермент снижает энергию активации; за счет этого реакция ускоряется.

Активный центр фермента - участок поверхности молекулы фермента, непосредственно взаимодействующий с молекулой субстрата. Образован из остатков аминокислот, находящихся в составе различных участков полипептидной цепи или различных полипептидных цепей, пространственно сближенных. Возникает на уровне третичной структуры белка-фермента.

В его пределах различают три области:

1) каталитический центр - область (зона) активного центра фермента, непосредственно участвующая в химических преобразованиях субстрата. Формируется за счет радикалов 2–3 аминокислот, расположенных в разных местах полипептидной цепи фермента, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи. Если фермент - сложный белок, то в формировании каталитического центра нередко участвует простетическая группа молекулы фермента - кофермент (например, все водорастворимые витамины и жирорастворимый витамин K);

2) адсорбционный центр - участок активного центра молекулы фермента, на котором происходит сорбция (связывание) молекулы субстрата. Формируется 1, 2, чаще 3 радикалами аминокислот, расположенными рядом с каталитическим центром. Главная функция - связывание молекулы субстрата и передача этой молекулы каталитическому центру в наиболее удобном положении (для каталитического центра). Сорбция происходит только за счет слабых типов связей и потому обратима. По мере формирования этих связей происходит конформационная перестройка адсорбционного центра, которая приводит к более тесному сближению субстрата и активного центра фермента, более точному соответствию между их пространственными конфигурациями. Именно структура адсорбционного центра определяет субстратную специфичность фермента;

3) аллостерические центры - такие участки молекулы фермента вне его активного центра, которые способны связываться слабыми типами связей (значит - обратимо) с тем или иным веществом (лигандом). Это связывание приводит к такой конформационной перестройке молекулы фермента, которая распространяется и на активный центр, облегчая либо затрудняя (замедляя) его работу. Соответственно такие вещества называются аллостерическими активаторами, или аллостерическими ингибиторами данного фермента. Аллостерические центры найдены не у всех ферментов.

• 
  Строение ферментов фермент (Е).


• 
  Строение ферментов . Субстрат (S) - вещество, химические превращения которого в продукт (Р) катализирует фермент . (Ферменты как биологические катализаторы.


• 
  Субстратная специфичность - способность фермента катализировать превращения только одного определенного субстрата или же группы сходных по строению субстратов.


• 
  Разберем их строение на примере молекулы IgG.
  Классификация белков-ферментов плазмы крови: 1) ферменты плазмы - выполняют специфичные метаболические функции в плазме.


• 
  Строение молекулы белка. макромолекулы белка имеют вид шариков (глобул). каждому
  Номенклатура и классификаия ферментов ,В настоящее время известно более 2400 ферментов .


• 
  Строение ядра: В состав ядра входит ядерная оболочка(нуклеоплазма) содержащая хроматин и ядрышки.
  Нуклеоплазма содержит белки, ферменты , нуклеотиды, ионы и т.д. Функции ядра...


• 
  Используя знания о строении и функциях пищеварительной системы, раскройте роль ферментов в пищеварении, назовите профилактику пищевых отравлений, кишечных инфекций.

Утверждаю

Зав. каф. проф., д.м.н.

Мещанинов В.Н.

_____‘’_____________2005 г

Лекция № 1 Тема: Введение в биохимию. Ферменты: строение, свойства, локализация, номенклатура и классификация.

Факультеты: лечебно-профилактический, медико-профилактический, педиатрический.

Биохимия – наука, изучающая вещества, входящих в состав живых организмов, их превращения, а также взаимосвязь этих превращений с деятельностью органов и тканей.Биохимия – наука, о химических основах процессов жизнедеятельности.

Биохимия сформировалась как самостоятельная наука в конце 19 в. На стыке биологии и химии, хотя истоки её относятся к далёкому прошлому. С 1-й половины 16 в. свой вклад в развитие химии и медицины внесли химики-врачи: немецкий врач и естествоиспытатель Ф. Парацельс, голландские учёные Я. Б. ван Гельмонт, Ф. Сильвий и др., занимавшиеся исследованием пищеварительных соков, жёлчи, а также процессов брожения.

Биохимия делиться на: 1) статическую (анализирует химический состав организмов); 2) динамическую (изучает обмен веществ и энергии в организме); 3) функциональную (исследует молекулярные основы различных проявлений жизнедеятельности).

По объектам исследования, биохимия делиться на: 1) биохимию человека и животных; 2) биохимию растений; 3) биохимию микроорганизмов.

Мы с вами будем заниматься медицинской биохимией, одним из разделов биохимии человека и животных. Предметом медицинской биохимии является человек.

Целью курса медицинской биохимии является изучение: 1) молекулярных основ физиологических функций человека; 2) молекулярные механизмы патогенеза болезней; 3) биохимические основы предупреждения и лечения болезней; 4) биохимические методы диагностики болезней и контроля эффективности лечения.

Задачи курса медицинской биохимии: 1) изучить теоретический материал; 2) получить практический навык биохимических исследований; 3) научиться интерпретировать результаты биохимических исследований.

Химическая природа, физико-химические свойства и биологическая роль ферментов .

Основу жизнедеятельности любого организма составляют химические процессы. Практически все реакции в живом организме протекают с участием природных биокатализаторов, называемых ферментами или энзимами.

Ферменты - это белки (установлено в 1922г), которые действуют как катализаторы в биологических системах.

Являясь веществами белкой природы, ферменты обладают всеми свойствами белков:

гидролизуются до аминокислот;

дают положительные цветные реакции на белки (биуретовую, ксантопротеиновую);

подобно белкам растворяются в воде с образованием коллоидных растворов;

являются амфотерными соединениями;

склонны к денатурации под влиянием тех же факторов: температуры, изменениях рН, действием солей тяжелых металлов, действием физических факторов (ультразвук, ионизирующее излучение и др.);

имеют несколько уровней организации макромолекул, что подтверждено данными рентгеноструктурного анализа, ЯМР, ЭПР.

Биологическая роль ферментов заключается в том, что они обеспечивают контролируемое протекание всех метаболических процессов в организме.

Ферменты и витамины

Роль биологических молекул, входящих в состав организма.

Лекция № 7

(2 часа)

Общая характеристика ферментов

Строение ферментов

Основные этапы ферментативного катализа

Свойства ферментов

Номенклатура и классификация ферментов

Ингибиторы и активаторы ферментов

Классификация витаминов

Жирорастворимые витамины

Витамины, растворимые в воде

Витамины группы В

Общие признаки ферментов и катализаторов неорганической природы:

Катализируют только энергетически возможные реакции,

Не изменяют направление реакции,

Не расходуются в процессе реакции,

Не участвуют в образовании продуктов реакции.

Отличия ферментов от небиологических катализаторов :

Белковое строение;

Высокая чувствительность к физико-химическим факторам среды, работают в более мягких условиях (Р атмосферное, 30-40 о С, рН близкое к нейтральному);

Высокая чувствительность к химическим реагентам ;

Высокая эффективность действия (могут ускорять реакцию в 10 8 -10 12 раз; одна молекула Ф может катализировать 1000-1000000 молекул субстрата за 1 мин);

Высокая избирательность Ф к субстратам (субстратная специфичность) и к типу катализируемой реакции (специфичность действия);

Активность Ф регулируется особыми механизмами.

По строению ферменты делятся на простые (однокомпонентные) и сложные (двукомпонентные). Простой состоит только из белковой части, сложный (холофермент ) - из белковой и небелковой частей. Белковая часть - апофермент , небелковая - кофермент (витамины В 1 , В 2 , В 5 , В 6 , Н, Q и др.). Отдельно апофермент и кофермент не обладают каталитической активностью. Участок на поверхности молекулы фермента, который взаимодействует с молекулой субстрата - активный центр.

Активный центр образован из остатков аминокислот, находящихся в составе различных участков полипептидной цепи или различных сближенных полипептидных цепей . Образуется на уровне третичной структуры белка-фермента. В его пределах различают субстратный (адсорбционный) центр и каталитический центр. Кроме активного центра встречаются особые функциональные участки - аллостерические (регуляторные) центры.

Каталитический центр - это область активного центра фермента, которая непосредственно участвует в химических преобразованиях субстрата. КЦ простых ферментов - это сочетание нескольких аминокислотных остатков, расположенных в разных местах полипептидной цепи фермента, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи (серин , цистеин , тирозин , гистидин , аргинин , асп. и глут. кислоты). КЦ сложного белка устроен сложнее, т.к. участвует простетическая группа фермента - кофермент (водорастворимые витамины и жирорастворимый витамин K).

Субстратный (адсорбционный) цент р - это участок активного центра фермента, на котором происходит сорбция (связывание) молекулы субстрата. СЦ формируется одним, двумя, чаще тремя радикалами аминокислот, которые обычно расположены рядом с каталитическим центром. Главная функция СЦ - связывание молекулы субстрата и ее передача каталитическому центру в наиболее удобном для него положении.

Аллостерический центр ("имеющий иную пространственную структуру") - участок молекулы фермента вне его активного центра, который обратимо связывается с каким-либо веществом. Такое связывание приводит к изменению конформации молекулы фермента и его активности. Активный центр либо начинает работать быстрее, либо медленнее. Соответственно такие вещества называют аллостерическими активаторами либо аллостерическими ингибиторами.

Аллостерические центры найдены не у всех ферментов. Они есть у ферментов, работа которых изменяется под действием гормонов, медиаторов и других биологически активных веществ.

Ферменты.

Ферменты – органические вещества белковой природы являющиеся биологическими катализаторами.

По химической природе – глобулярные белки ускоряют химические реакции в тысячи раз

Открыл Константин Кирхгоф, 1814г (превращал крахмал в сахар под действием амилазы) Некоторые ферменты состоят только из белков, но большинство кроме белковой части (апофермента) имеют и не белковый компонент (ко фактор). Ко фактором могут быть неорганические ионы или органические соединения. Если белковая часть фермента слабо связана с ко фактором и фермент активируется только при присоединении этой части, то ко фактор называют ко ферментом. Часто ко ферментом являются нуклеотиды и витамины, молекулы всех ферментов имеют 1 или несколько активных центров. Активным центром присоединяется к субстрату, остальная часть фермента служит для подержания структуры активного центра. В состав активного центра входят ко факторы и ко ферменты.

Действие фермента в клетке всегда строго согласовано происходит в определенной последовательности по принципу «ключа и замка».

1 Классификация ферментов.

1 Оксидоредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции (оксидазы, дегидрогеназы, пироксидазы)

2 Трансферазы – катализируют перенос атомных групп с одной молекулы на другую (аминотрансферазы – перенос NH2 группы при переаминировании аминокислот).

3 Гидролазы – ускоряют гидролиз (амилазы, липазы).

4 лиазы – ускоряют негидролитический распад по связям С-С, С-О (декарбоксилаза отщепляет СО2 от ПВК с образованием уксусного альдегида).

5 изомеразы – ускоряют превращение изомеров.

6 лигазы (синтетазы).

Классы подразделяются на подклассы и подподклассы. Каждый извлеченный фермент имеет свой шифр, содержащий 4 числа. Первая цифра указывает класс, вторая – подкласс, третья – подподкласс и четвертая указывает порядковый номер в подподклассе.

Пример: шифр 3.5.3.1.

3 подкласс гидролаз; 5 действующая на C-N связи; 3 расщепляющий эти связи в линейных, а не циклических соединениях.

2 механизмы катализа. Кинетика и регуляция ферментативных реакций.

Механизм действия ферментов:

Фермент + Субстрат---Субстрат комплекс---Фермент + Продукт реакции

В основе механизма лежит образование промежуточного фермент-субстратного комплекса, в котором вещество связано с активным центром фермента при образовании комплекса, молекула субстрата подвергается деформации, электрическое поле фермента меняет пространственную конфигурацию субстрата. Происходит перераспределение полярности, электронной плотности, связи субстрата разрыхляются, прочность снижается. Ферментный субстрат комплекс становится не стабильным превращаясь в комплекс ферментов - продукт, в котором продукт уже не соответствует активному центру и комплекс распадается на ферменты и продукты реакции.

3 Энергия активации.

Минимальное количество энергии которой должна обладать частица для того чтобы произошла химическая реакция называют Энергией активации. Чем больше эта энергия, тем меньше скорость реакции. Активация происходит при нагревании, поглощении лучистой энергии столкновения с возбужденными частицами, увеличение плотности в живых организмах, большие колебания температуры и плотности невозможны, поэтому энергетический барьер снижают ферменты, понижая энергию активации они увеличивают скорость реакции до 1012 раз.

4 Единицы измерения активности ферментов.

Ускорение реакции при участии ферментов очень велико, измеряется числом оборотов - числом молей субстрата, превращающих за 1 минуту 1 молем ферментов.. так число оборотов у альфа мелазы 40 тыс., изомеразы 500 тыс., каталазы 5млн.

Для оценки активности ферментативных препаратов используют понятие Молекула активации – число молекул субстрата превращаемых за 1 минуту 1 молекулой фермента. За стандартную единицу, для любого фермента, принимается такое количество ферментов, которое катализирует превращение1 микро моля субстрата за 1 минуту при оптимальных условиях(обычно 30 0С, оптимальная PH, оптимальная концентрация субстрата)

5 Зависимость скорости реакции от температуры и реакции среды.

1 от температуры.

Влияние температуры может быть выражено через температурный коэффициент Q10

Q10 =скорость реакции при (х+10)0С/скорость реакции при х ОС

В приделах интервала от 0-25-35 ОС Q10 = 2-3. при дальнейшем повышении температуры скорость увеличивается, и после достижения температурного порога, различного для каждого фермента, скорость начинает быстро падать. За пределами этого порога скорость снижается не смотря на увеличение частоты столкновения молекул. Причина – разрушение структуры белковой части ферментов (денатурация).

Чувствительность фермента к высокой температуре называют Термолабильность . Понижение температуры вызывает постепенную инактивацию фермента без его денатурации.

2 реакция среды.

При оптимальной температуре любой фермент наиболее эффективно работает в узких пределах PH. Большинство ферментов наиболее активны при PH=7, т. е. нейтральной среде. Даже незначительный сдвиг PH изменяет заряд ионизированных кислотных и основных групп, как самого фермента так и субстрата.

От резких сдвигов PH фермент может денатурировать.

Внутриклеточная PH всегда оптимальна для фермента, тем самым путем изменения клеткам удается регулировать активность ферментов.

6 Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента и субстрата.

1 концентрация фермента.

При увеличении количества ферментов скорость реакции повышается до того предела, который характеризуется количеством субстрата доступным действию ферментов. Ф оптимальных условиях скорость реакции пропорциональна концентрации ферментов. Многие ферменты могут не проявлять своей максимальной активности в клетках только из-за нехватки соответствующего субстрата.

2 концентрация субстрата.

При постоянной концентрации фермента увеличивается количество субстрата, что приводит в начале к быстрому, а затем более медленному росту скорости реакции, пока не достигается максимальная скорость, которая почти не изменяется при дальнейшем увеличении концентрации субстрата.

Скорость не изменяется так как активные центры фермента оказываются насыщенными субстратом в любой момент времени. Данная зависимость описывается уравнением Михаэлиса-Ментен.

Е+S---ЕS---Е+Р

V – скорость реакции;

Vmax – максимальная скорость реакции при бесконечно большой концентрации субстрата;

S – концентрация субстрата, моль/л;

Km – константа Михаэлиса-Ментен соответствующая концентрации субстрата при которой скорость реакции равна половине максимума;

Km - константа диссоциации комплекса фермента + субстрата: чем меньше диссоциация ферментного субстратного комплекса, тем выше скорость реакции.

7 Ингибиторы ферментативных реакций.

Ингибиторы - Вещества подавляющие действие ферментов.

Делятся на 2 класса:

1 общие ингибиторы (соли тяжелых металлов, свинца, ртути, вольфрама и серебра; трихлоруксусная кислота) эти соединения вызывают денатурацию белка, подавляют действие всех ферментов.

2 специфические – действуют на одну группу ферментативных реакций или группу близких реакций. Действие основано на специальном связывании с определенными химическими группировками в активном центре фермента. Все их делят на конкурентные и не конкурентные ингибиторы.

Конкурентное ингибирование.

Происходит когда ингибитор близок по своей структуре к обычному субстрату данного фермента. Сам ингибитор не может прореагировать, однако занимая активный центр преграждает к нему доступ настоящего субстрата.

В цикле Кребса фермент сукцинамдегидрогеназы катализирует окисление янтарной кислоты до фумаровой кислоты. Однако если в среду попадает малоновая кислота, то скорость окисления резко падает. Причина – близость по структуре этих кислот окислять.

Малоновую кислоту фермент не может и данный комплекс какое то время существует, т. е. происходит конкуренция кислот за активный центр фермента, при введении в среду большого количества янтарной кислоты повышается вероятность попадания в активный центр настоящего субстрата, а не ингибитора.

Не конкурентное ингибирование.

Как правило такое ингибирование не обратимо. Ингибиторы данного рода неродственны по структуре субстрату и в образовании комплекса с ферментом они занимают не активный центр, а другую часть молекулы фермента. При этом глобулярная структура фермента изменяется, изменяется полярность, и хотя субстрат присоединяется к активному центру реакция не происходит. Пример: цианид действует на ферменты дыхания (цитохромоксидазу) связываясь с входящими в ее состав ионами меди, реакция подавляется, дыхание прекращается, клетки погибают очень быстро.

8Активаторы ферментативных реакций. Активация и ингибирование по принципу обратной связи.

Активаторами часто являются ионы и соединения (К+, Са2+ ,СО2+ и др). Для пероксидазы и каталазы – Fe, для липазы –Са, для амилазы - CL. Многие ферменты вырабатываются клетками в не активной форме – проферменты. Переход проферментов в активные формы происходит под действием активаторов, механизм действия различный, в одних случаях активатор освобождает активные центры ферментов от ингибитора, в других – присоединяясь к белку изменяет его структуру, чем активирует активный центр. В третьих облегчает образование фермент-субстратного комплекса, когда конечный продукт начинает накапливаться, он сам может оказывать каталитические действия. Так небольшое количество пепсинов может стать катализатором превращения пепсиногена в пепсин.

Данный вид активации называют активным по принципу обратной связи или автоактивации.

Продукты реакции могут не только активировать, но и ингибировать ферментативный процесс, такое явление называют Ингибированием по принципу отрицательной обратной связи.

Так фермент фосфофруктокеназа участвует в реакциях гликолиза, ингибируется если концентрация АТФ высокая. Если уровень метаболизма высокий и качество АТФ понижается, то активность фермента восстанавливается.

9 Регуляция метаболизма. Мульти ферментные комплексы.

В типичной клетке более 500 ферментов, их активность и концентрация все время изменяется. Регуляция и согласованность процесса метаболизма обусловлены специфическим действием метаболизма, их пространственной организации и функциональности взаимодействия с клеткой компонентами.

Перечисленные особенности четко прослеживают существующих в клетках 2 типах метаболических путей:

1 линейный – некоторые ферменты действуют организованно будучи объединенными друг с другом в мульти ферментные комплексы, обычно эти комплексы связаны с мембраной. линейные расположения создают возможность саморегуляции путем ингибирования по принципу отрицательной обратной связи, т. е. скорость реакции зависит от концентрации конечного продукта.

Такая тесная связь понижает до минимума воздействие других реакций. Каждый фермент связан с соседними и продукт одного из них становится субстратом для следующего.

2 разветвленный метаболический путь.

Такой путь может привести к разным конечным продуктам и какой из них образуется зависит от условий существующих в клетке на данный момент. Регуляция образования конечного продукта осуществляется ингибированием по принципу обратной связи. Здесь также действуют мульти-ферментные системы, но ферменты находятся в растворе и тесно друг с другом не связаны.

Такую систему можно встретить в матриксе митохондрий, где происходят реакции цикла Кребса. Продукты некоторых реакций могут изыматься из ц. Кребса.

ЛЕКЦИЯ № 2

ГБОУ ВПО УГМУ Минздрава РФ
Кафедра биохимии
Дисциплина: Биохимия
ЛЕКЦИЯ № 2
Ферменты 2.
Лектор: Гаврилов И.В.
Факультет: лечебно-профилактический,
Курс: 2
Екатеринбург, 2015г

План лекции

1.
2.
3.
Кинетика ферментативных реакций.
Регуляция скорости ферментативных реакций.
Клеточная сигнализация

Энзимология – наука,
изучающая ферменты

1. Кинетика
ферментативных реакций
Кинетика ферментативных реакций направление энзимологии, исследующее
влияния реагирующих веществ (субстраты,
продукты, ингибиторы, активаторы и т.д.) и
условий (рН, t°, давление) на скорость
ферментативной реакции.

Теории о механизмах действия ферментов

Теории о специфичности
действия ферментов
1. Модель «ключ – замок»
Для объяснения высокой специфичности ферментов по
отношению к субстратам Эмиль Фишер в 1894г выдвинул
гипотезу о строгом соответствии геометрической формы
субстрата и активного центра фермента.
+
E+S
ES
E
Р1
+
Р2

2. Теория «индуцированного соответствия»
S
A
B
E
A
B
C
C
Существует не только
геометрическое, но и
электростатическое
соответствие
ES
Теория индуцированного (вынужденного) соответствия
Дениеля Кошланда (1959г): полное соответствие фермента
и субстрата наступает лишь в процессе их взаимодействия:
Субстрат индуцирует необходимые конформационные
изменения фермента, после чего они соеденяются.
Теория основана на данных кинетического анализа,
изучением фермент-субстратных комплексов методами
ренгено-структурного анализа, спектрографии и
кристаллографии и др.

3. Теория «индуцированного соответствия»
(современные представления)
S
A
B
A
C
B
C
E
ES
При взаимодействии фермента и субстрата оба
подвергаются модификации и подстраиваются друг под
друга. Возникающие в субстрате изменения способствуют
превращению его в продукт.

Теория переходных состояний
(промежуточных соединений)
P
S
E
ES
ES*
EP*
E
при взаимодействии фермента E с субстратом S образует
комплекс ES*, в котором реакционная способность
субстрата выше, чем в нативном состоянии. Через ряд
промежуточных соединений происходит превращение
субстрата в продукт реакции Р

Механизмы ферментативных реакции

При ферментативном катализе реализуются те
же механизмы, которые возможны без участия
ферментов:
1.
2.
3.
4.
Кислотно-основные реакции –в активном центре
фермента находятся группы -СОО- и -NН3+, которые
способны присоединять и отдавать Н.
Реакции присоединения (отщепления, замещения)
электрофильные, нуклеофильные – в активном центре
фермента находятся гетероатомы смещающие
электронную плотность.
Окислительно-восстановительные реакции – в
активном центре фермента находятся атомы,
имеющую разную электроотрицательность
Радикальные реакции.

Энергетика ферментативных реакций

Ферменты снижают энергию активации
Скорость химической реакции зависит от
концентрации реагирующих веществ
В комплексе с ферментами субстраты
превращаются в более устойчивые
промежуточные соединения, за счет чего их
концентрация резко повышается, что
способствует ускорению реакции

Неферментативная реакция
S
S*
P*
P
S
E
ES
ES*
Ферментативная реакция
EP*
E

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАРЬЕР РЕАКЦИИ –
кол-во энергии, которое необходимо
молекуле, чтобы вступить в химическую
реакцию.
ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ - кол-во энергии,
которое необходимо сообщить молекуле
для преодоления энергетического
барьера.

Свободная энергия системы
S*
Энергия активации
некатализируемой реакции
S
ES*
Энергия активации
катализируемой реакции
Исходное
состояние
P
Конечное состояние
Ход реакции

2Н2О + О2
2.
3.
Энергия
активации
1) 2Н2О2
Свободная энергия системы
Каталаза
1.
Ход реакции
Энергия активации:
1. В спонтанной реакции – 18 ккал/моль
2. При использовании катализатора Fe2+ – 12 ккал/моль
3. В присутствии фермента каталазы – 5 ккал/моль

Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата

Кинетика
ферментативных реакций
Зависимость скорости реакции
от концентрации субстрата
Vmax
Концентрация
фермента константа
[S]

Зависимость скорости реакции
от концентрации фермента
V
Концентрация
субстрата –
константа
концентрация
фермента

Влияние температуры на скорость ферментативной реакции

Повышение температуры на 10
градусов повышает скорость
химической реакции в 2-4 раза.
При повышение температуры фермент
подвергается денатурации и теряет
свою активность.

Скорость
ферментативной
реакции
V
Количество
активного
фермента
0
10
20
Скорость
реакции активного
фермента
30
40
50
60
T

Влияние рН на скорость ферментативной реакции

Изменение концентрации Н+ меняет
химический состав фермента, его
строение и каталитическую активность.
Изменение концентрации Н+ меняет
химический состав субстрата, его
строение и способность вступать в
ферментативную реакцию.
Денатурацией фермента при очень
высоких или очень низких рН.

Зависимость скорости ферментативной реакции от рН

V
0
4
5
6
7
8
9
pH

Константа Михаэлиса-Ментона

Km – концентрация субстрата [S], при которой
скорость ферментативной реакции V равна
половине от максимальной
Vmax
Vmax
2
Km
[S]

Уравнение скорости ферментативной реакции

Vmax [S]
V = -----Km + [S]
V – скорость реакции
Vmax – максимальная скорость реакции
Km – константа Михаэлиса
[S] – концентрация субстрата

Влияние активаторов и ингибиторов на скорость ферментативных реакций

Реакции ингибирования ферментативных
процессов
ТИПЫ ИНГИБИРОВАНИЯ ФЕРМЕНТОВ
I. Обратимое
II. Необратимое
Конкурентное
Неконкурентное
Бесконкуренетное
Смешанного типа
Для определения обратимости ингибирования проводят диализ
среды, где есть фермент и ингибитор.
Если после диализа восстанавливается активность фермента, то
ингибирование обратимое

Варианты взаимодействия
ингибитора с ферментом
1. Блокируют активный центр фермента
2. Меняют четвертичную структуру фермента
3. Соединяются с коферментом, активатором
4. Блокируют часть фермента, соединяющуюся с
коферментом
5. Нарушают взаимодействие фермента с
субстратом
6. Вызывают денатурацию фермента
(неспецифические ингибиторы)
7. Связываются с аллостерическим центром

Конкурентный тип ингибирования
Осуществляется веществом, близким по химическому
строению к субстрату
V
V max
V max / 2
Km
Kмi
[S]

Неконкурентный тип ингибирования
Ингибитор реагирует с ферментом иным образом, чем
субстрат, поэтому повышение концентрации субстрата не
может вытеснить ингибитор и восстановить активность
фермента
V
V max
V max
V max
V max
K
m
[S]

2. Регуляция скорости ферментативных реакций в организме

Важнейшим свойством живых организмов является способность к поддержанию гомеостаза. Гомеостаз в организме поддерживается за счет регуля

Важнейшим свойством живых организмов является
способность к поддержанию гомеостаза.
Гомеостаз в организме поддерживается за счет
регуляции скорости ферментативных реакций, которая
осуществляется за счет изменения:
I). Доступности молекул субстрата и кофермента;
II). Каталитической активности молекул фермента;
III). Количества молекул фермента.
E*
S
S
Кофермент
Витамин
Клетка
P
P

I. Доступность молекул субстрата и кофермента

Транспорт веществ через мембрану
АТФ
АДФ + Фн
антипорт
Диффузия Облегченная
Диффузия
Клетка
Первичноактивный
транспорт
Вторичноактивный
транспорт

Инсулин
Глюкоза
ГЛЮТ-4
ГЛЮТ-4
Адипоциты,
миоциты
E1, Е2, Е3…
Глюкоза
ПВК
Коферменты
Гепатоцит
Витамины
Ферменты
Коферменты

II. Регуляция каталитической активности фермента

Регуляция каталитической активности ферментов бывает:
1). Неспецифической. Каталитическая активность всех ферментов
зависит от температуры, рН и давления.
V
пепсин
V
0
50
100
t
0
аргиназа
7
14
рН
2). Специфической. Под действием специфических активаторов и
ингибиторов изменяется активность регуляторных ферментов,
которые контролируют скорость метаболических процессов в
организме.

Механизмы специфической регуляции
каталитической активности ферментов:
1). Аллостерическая регуляция;
2). Регуляция с помощью белок-белковых
взаимодействий;
3). Регуляция через ковалентную модификацию.
а). Регуляция путем
фосфорилирования/дефосфорилирования
фермента;
б). Регуляция частичным протеолизом.

1. Аллостерическая регуляция

Аллостерическими называют ферменты, активность которых
регулируется обратимым нековалентным присоединением
модулятора (активатора и ингибитора) к аллостерическому центру.
E1
S
E2
A
E3
B
E4
C
P
Активирование происходит по принципу прямой положительной
связи, а ингибирование - по принципу отрицательной обратной
связи.
Активность аллостерических ферментов изменяется очень
быстро

2. Регуляция каталитической активности ферментов с помощью белок-белковых взаимодействий

а). Активация ферментов в результате присоединения регуляторных белков.
АЦ
G
G
АЦ
АТФ цАМФ
б). Регуляция каталитической активности ферментов
ассоциацией/диссоциацией протомеров
цАМФ
цАМФ
R
R
C
R
C
ПК А
цАМФ
S
C
P
R
цАМФ
S
C
P

3). Регуляция каталитической активности ферментов путем их ковалентной модификации

Регуляция активности фермента осуществляется в результате
ковалентного присоединения или отщепления от него фрагмента.
Бывает 2 видов:
а). путем фосфорилирования и дефосфорилирования ферментов; .
АТФ
АДФ
ПК
ФЕРМЕНТ
H3PO4
ФПФ
*
ФЕРМЕНТ-Ф
субстрат
продукт
H2O
б). путем частичного протеолиза ферментов (внеклеточные)
Субстрат
Трипсиноген
Продукт
Трипсин

III. Механизмы регуляции количества ферментов
Индукторы
Репрессоры
гидролиз
биосинтез
Аминокислоты
Фермент
Аминокислоты
Индукторы - это вещества которые запускают синтез ферментов
Процесс запуска синтеза ферментов называется индукцией
Ферменты, концентрация, которых зависит от добавления
индукторов, называются индуцируемыми ферментами
Ферменты, концентрация которых постоянна и не регулируется
индукторами, называются конститутивными ферментами
Базовый уровень - это концентрация индуцируемого фермента
при отсутствии индуктора.

Репрессоры (точнее корепрессоры) - вещества,
которые останавливают синтез ферментов.
Процесс остановки синтеза ферментов называется
репрессией.
Дерепрессией – называется процесс
возобновления синтеза ферментов после удаления
из среды репрессора
В качестве индукторов и репрессоров выступают
некоторые метаболиты, гормоны и биологически
активные вещества.

3. Клеточная сигнализация

В многоклеточных организмах поддержание
гомеостаза обеспечивают 3 системы:
1). Нервная
2). Гуморальная
3). Иммунная
Регуляторные системы функционируют с участием
сигнальных молекул.
Сигнальные молекулы – это органические
вещества, которые переносят информацию.
Для передачи сигнала:
А). ЦНС использует нейромедиаторы
Б). Гуморальная система использует гормоны
В). Иммунная система использует цитокины.

Гормоны - это сигнальные молекулы беспроводного системного действия
Истинные гормоны в отличии от других сигнальных молекул:
1. синтезируются в специализированных эндокринных клетках,
2. транспортируются кровью
3. действуют дистантно на ткани мишени.
Гормоны по строению делятся: на
1. белковые (гормоны гипоталамуса, гипофиза),
2. производные аминокислот (тиреоидные, катехоламины)
3. стероидные (половые, кортикоиды).
Пептидные гормоны и катехоламины растворимы в воде,
они регулируют преимущественно каталитическую
активность ферментов.
Стероидные и тиреоидные гормоны водонерастворимы,
они регулируют преимущественно количество
ферментов.

Каскадные системы
Гормоны регулируют количество и каталитическую
активность ферментов не напрямую, а
опосредовано через каскадные системы
Гормоны
Каскадные системы
Ферменты
х 1000000
Каскадные системы:
1. Многократно усиливают сигнал гормона (повышают количество или
каталитическую активность фермента) так что 1 молекула гормона
способна вызвать изменение метаболизма в клетке
2. Обеспечивают проникновение сигнала в клетку (водорастворимые
гормоны в клетку самостоятельно не проникают)

каскадные системы состоят из:
1. рецепторов;
2. регуляторных белков (G-белки, IRS, Shc, STAT и т.д.).
3. вторичных посредников (messenger - посыльный)
(Са2+, цАМФ, цГМФ, ДАГ, ИТФ);
4. ферментов (аденилатциклаза, фосфолипаза С,
фосфодиэстераза, протеинкиназы А, С, G,
фосфопротеинфосфотаза);
Виды каскадных систем:
1. аденилатциклазная,
2. гуанилатциклазная,
3. инозитолтрифосфатная,
4. RAS и т.д.),

Рецепторы

Рецепторы - это белки, встроенные в клеточную мембрану или
находящиеся внутри клетки, которые, взаимодействуя с
сигнальными молекулами, меняют активность регуляторных белков.
По локализации рецепторы делятся на:
1) цитоплазматические;
2) ядерные;
3) мембранные.
По эффекту рецепторы делятся на:
активаторные (активируют каскадные системы)
ингибиторные (блокируют каскадные системы).
По механизму передачи сигнала рецепторы делятся на 4 типа:
1). Рецепторы, связанные с ионными каналами
2). Рецепторы, с ферментативной активностью.
Бывают 3 видов:
а). Рецепторы, с тирозинкиназной активностью (тирозиновые
протеинкиназы).
б). Рецепторы, с фосфатазной активностью (тирозиновые
протеинфосфотазы) (например, ФПФ).
в). Рецепторы с гуанилатциклазной активностью (ГЦ).
3). Рецепторы, сопряженные с G-белками по строению их еще
называют серпантинными.
4). Ядерные и цитоплазматические рецепторы.

Рецептор, связанный с ионным каналом

Работа рецептора связанная с G-белком (серпантинный)

Рецептор с ферментативной активностью (тирозинкиназный)
инсулин
a
a
инсулин
инсулин
a
a
a
b
b
b
b
тир
тир
тир
тир
АТФ
АДФ
b
a
b
тир-Ф* тир-Ф*
IRS-1
IRS-1-Ф*
АТФ АДФ
ФПФ
ФПФ*

Аденилатциклазная система
Гормоны:
Глюкагон, Вазопресин, Катехоламины (через β2-адренэргические рецепторы)
Гормоны гипофиза (АКТГ, ЛДГ, ФСГ, ЛТ, МСГ, ТТГ), паратгормон, Фактор роста
нервов
PGE1
Г
R
Цитоплазматическая мембрана
G
A
Ц
цитоплазма
АТФ цАМФ
ПК А
Фермент неакт
ПК А*
АТФ
АДФ
Фермент акт
субстрат
Ф
продукт
Имеются
αи
β-адренергические
рецепторы
мембран клеток печени, мышц и жировой ткани.
в
плазматических

Гуанилатциклазная система
Сигнальные молекулы:
ПНФ (расслабление тонуса сосудов),
Катехоламины (через α-адренэргические рецепторы)
Бактериальный эндотоксин (блокирует всасывание воды вызывает диарею)
NO, продукты ПОЛ (цитоплазматическая ГЦ)
Г
ГЦ
Цитоплазматическая мембрана
цитоплазма
ГТФ цГМФ
ПК G
Фермент неакт
ПК G*
АТФ
АДФ
Фермент акт
субстрат
Ф
продукт
Гуанилатциклазная система функционирует в легких, почках, эндотелии
кишечника, сердце, надпочечниках, сетчатке и др. Она участвует в регуляции
водно-солевого обмена и тонуса сосудов, вызывает релаксацию и т.д.

Инозитолтрифосфатная система
Гормоны:
гонадолиберин, тиролиберин, дофамин, тромбоксаны А2, эндоперекиси,
лейкотриены, агниотензин II, эндотелин, паратгормон, нейропептид Y,
адренергические катехоламины (через α1 рецепторы), ацетилхолин,
брадикинин, вазопрессин (через V1 рецепторы).
Г
R
G
ФЛ С
Цитоплазматическая мембрана
ФИФ2
ДГ
2+
ИТФ Са
субстрат
Кальмодулин -4Са2+
ПК С
цитоплазма
продукт
Фермент неакт
Са2+
Кальмодулин -4Са2+
Кальмодулин
Фермент акт
субстрат
продукт

Трансмембранная передача информации с участием
цитоплазматических рецепторов
белок
Г
шаперон
Цитоплазматическая
мембрана
ЦПР
белок
Г
шаперон
Гормоны:
Кортикоиды,
половые,
тиреоидные
Г
ЯДРО
ЦПР
Г
ЦПР
ДНК
цитоплазма
субстрат
продукт
Транскрипция
мРНК
Трансляция
мРНК
Фермент
рибосома