Ферменти лекції з клінічної біохімії. Кафедра біохімії

Субстрат (S) - речовина, хімічні перетворення якої продукт (Р) каталізує фермент (Е).

S + E -> P, фермент знижує енергію активації; за рахунок цього реакція пришвидшується.

Активний центр ферменту - ділянка поверхні молекули ферменту, що безпосередньо взаємодіє з молекулою субстрату. Утворений із залишків амінокислот, що знаходяться у складі різних ділянок поліпептидного ланцюга або різних поліпептидних ланцюгів, просторово зближених. Виникає лише на рівні третинної структури білка-ферменту.

У межах розрізняють три области:

1) каталітичний центр - область (зона) активного центру ферменту, що безпосередньо бере участь у хімічних перетвореннях субстрату. Формується за рахунок радикалів 2-3 амінокислот, розташованих у різних місцях поліпептидного ланцюга ферменту, але просторово зближених між собою за рахунок вигинів цього ланцюга. Якщо фермент – складний білок, то у формуванні каталітичного центру нерідко бере участь простетична група молекули ферменту – кофермент (наприклад, всі водорозчинні вітаміни та жиророзчинний вітамін K);

2) адсорбційний центр - ділянка активного центру молекули ферменту, де відбувається сорбція (зв'язування) молекули субстрату. Формується 1, 2, частіше 3 радикалами амінокислот, розташованими поряд з каталітичним центром. Головна функція – зв'язування молекули субстрату та передача цієї молекули каталітичному центру у найбільш зручному положенні (для каталітичного центру). Сорбція відбувається лише з допомогою слабких типів зв'язків і тому оборотна. У міру формування цих зв'язків відбувається конформаційна перебудова адсорбційного центру, яка призводить до більш тісного зближення субстрату та активного центру ферменту, більш точної відповідності між їх просторовими конфігураціями. Саме структура адсорбційного центру визначає субстратну специфічність ферменту;

3) алостеричні центри - такі ділянки молекули ферменту поза його активним центром, які здатні зв'язуватися слабкими типами зв'язків (означає - оборотно) з тією чи іншою речовиною (лігандом). Це зв'язування призводить до такої конформаційної перебудови молекули ферменту, яка поширюється і активний центр, полегшуючи чи ускладнюючи (сповільнюючи) його. Відповідно такі речовини називаються алостеричними активаторами або алостеричними інгібіторами даного ферменту. Алостеричні центри знайдено не у всіх ферментів.

• 
  Будова ферментів фермент(Е).


• 
  Будова ферментів. Субстрат (S) - речовина, хімічні перетворення якої продукт (Р) каталізує фермент. (Ферментияк біологічні каталізатори


• 
  Субстратна специфічність – здатність ферментукаталізувати перетворення тільки одного певного субстрату або групи подібних по будовоюсубстратів.


• 
  Розберемо їх будована прикладі молекули IgG.
  Класифікація білків- ферментівплазми крові: 1) ферментиплазми – виконують специфічні метаболічні функції у плазмі.


• 
  Будовамолекули білка. макромолекули білка мають вигляд кульок (глобул). кожному
  Номенклатура та класифікація ферментів,В даний час відомо більше 2400 ферментів.


• 
  Будоваядра: До складу ядра входить ядерна оболонка (нуклеоплазма), що містить хроматин і ядерця.
  Нуклеоплазма містить білки, ферменти, Нуклеотиди, іони і т.д. Функції ядра...


• 
  Використовуючи знання про будовута функціях травної системи, розкрийте роль ферментіву травленні, назвіть профілактику харчових отруєнь, кишкових інфекцій.

стверджую

Зав. кав. проф., д.м.н.

Мєщанінов В.М.

_____‘’_____________2005 р

Лекція №1 Тема: Введення у біохімію. Ферменти: будова, властивості, локалізація, номенклатура та класифікація.

Факультети: лікувально-профілактичний, медико-профілактичний, педіатричний.

Біохімія - Наука, що вивчає речовини, що входять до складу живих організмів, їх перетворення, а також взаємозв'язок цих перетворень з діяльністю органів і тканин. Біохімія - Наука, про хімічні основи процесів життєдіяльності.

Біохімія сформувалася як самостійна наука наприкінці 19 в. На стику біології та хімії, хоча витоки її відносяться до далекого минулого. З 1-ї половини 16 ст. свій внесок у розвиток хімії та медицини внесли хіміки-лікарі: німецький лікар і дослідник природи Ф. Парацельс, голландські вчені Я. Б. ван Гельмонт, Ф. Сільвій та ін, що займалися дослідженням травних соків, жовчі, а також процесів бродіння.

Біохімія поділяється на: 1) статичну (аналізує хімічний склад організмів); 2) динамічну (вивчає обмін речовин та енергії в організмі); 3) функціональну (досліджує молекулярні засади різних проявів життєдіяльності).

За об'єктами дослідження, біохімія ділиться на: 1) біохімію людини та тварин; 2) біохімію рослин; 3) біохімію мікроорганізмів.

Ми з вами займатимемося медичною біохімією, одним із розділів біохімії людини та тварин. Предметом медичної біохімії є людина.

Метою курсу медичної біохімії вивчення: 1) молекулярних основ фізіологічних функцій людини; 2) молекулярні механізми патогенезу хвороб; 3) біохімічні основи попередження та лікування хвороб; 4) біохімічні методи діагностики хвороб та контролю ефективності лікування.

Завдання курсу медичної біохімії: 1) вивчити теоретичний матеріал; 2) отримати практичну навичку біохімічних досліджень; 3) навчитися інтерпретувати результати біохімічних досліджень.

Хімічна природа, фізико-хімічні властивості та біологічна роль ферментів.

Основу життєдіяльності будь-якого організму становлять хімічні процеси. Практично всі реакції в живому організмі протікають за участю природних біокаталізаторів, які називають ферментами або ензимами.

Ферменти це білки (встановлене в 1922 р), які діють як каталізатори у біологічних системах.

Будучи речовинами білкою природи, ферменти мають всі властивості білків:

гідролізуються до амінокислот;

дають позитивні кольорові реакції на білки (біуретову, ксантопротеїнову);

подібно до білків розчиняються у воді з утворенням колоїдних розчинів;

є амфотерними сполуками;

схильні до денатурації під впливом тих самих факторів: температури, змінах рН, дією солей важких металів, дією фізичних факторів (ультразвук, іонізуюче випромінювання та ін.);

мають кілька рівнів організації макромолекул, що підтверджено даними рентгеноструктурного аналізу, ЯМР, ЕПР.

Біологічна роль ферментів полягає в тому, що вони забезпечують контрольоване перебіг всіх метаболічних процесів в організмі.

Ферменти та вітаміни

Роль біологічних молекул, що входять до складу організму.

Лекція №7

(2 години)

Загальна характеристика ферментів

Будова ферментів

Основні етапи ферментативного каталізу

Властивості ферментів

Номенклатура та класифікація ферментів

Інгібітори та активатори ферментів

Класифікація вітамінів

Жиророзчинні вітаміни

Вітаміни, розчинні у воді

Вітаміни групи В

Загальні ознаки ферментівта каталізаторів неорганічної природи:

Каталізують лише енергетично можливі реакції,

Не змінюють напрямок реакції,

Не витрачаються в процесі реакції,

Не беруть участі у освіті продуктів реакції.

Відмінності ферментіввід небіологічних каталізаторів:

Білкова будова;

Висока чутливість до фізико-хімічних факторів середовища, що працюють у більш м'яких умовах (Ратмосферне, 30-40 про С, рН близьке до нейтрального);

Висока чутливість до хімічних реагентів;

Висока ефективність дії (можуть прискорювати реакцію в 108-1012 разів; одна молекула Ф може каталізувати 1000-1000000 молекул субстрату за 1 хв);

Висока вибірковість Ф до субстратів (субстратна специфічність) і типу каталізованої реакції (специфічність дії);

Активність Ф регулюється спеціальними механізмами.

За будовою ферменти поділяються на прості(однокомпонентні) та складні(Двокомпонентні). Простий складається тільки з білкової частини, складний ( холофермент) - з білкової та небілкової частин. Білкова частина - апофермент, небілкова - кофермент(Вітаміни В 1, В 2, В 5, В 6, Н, Q та ін). Окремо апофермент і кофермент не мають каталітичної активності. Ділянка на поверхні молекули ферменту, що взаємодіє з молекулою субстрату. активний центр.

Активний центрутворений із залишків амінокислот, що знаходяться у складі різних ділянок поліпептидного ланцюга або різних зближених поліпептидних ланцюгів. Утворюється лише на рівні третинної структури білка-ферменту. У його межах розрізняють субстратний (адсорбційний) і каталітичний центр. Крім активного центру зустрічаються особливі функціональні ділянки – алостеричні (регуляторні) центри.

Каталітичний центр- це область активного центру ферменту, яка бере участь у хімічних перетвореннях субстрату. КЦ простих ферментів - це поєднання кількох амінокислотних залишків, розташованих у різних місцях поліпептидного ланцюга ферменту, але просторово зближених між собою за рахунок вигинів цього ланцюга (серин, цистеїн, тирозин, гістидин, аргінін, асп. і глут. кислоти). КЦ складного білка влаштований важче, т.к. бере участь простетична група ферменту - кофермент (водорозчинні вітаміни та жиророзчинний вітамін K).

Субстратний (адсорбційний) центр - це ділянка активного центру ферменту, де відбувається сорбція (зв'язування) молекули субстрату. СЦ формується одним, двома, найчастіше трьома радикалами амінокислот, які зазвичай розташовані поряд з каталітичним центром. Головна функція СЦ - зв'язування молекули субстрату та її передача каталітичному центру найбільш зручному йому положенні.

Алостеричний центр("має іншу просторову структуру") - ділянка молекули ферменту поза його активним центром, який оборотно зв'язується з якоюсь речовиною. Таке зв'язування призводить до зміни конформації молекули ферменту та його активності. Активний центр починає працювати швидше, або повільніше. Відповідно такі речовини називають алостеричними активаторами чи алостеричними інгібіторами.

Алостеричні центризнайдені в усіх ферментів. Вони є у ферментів, робота яких змінюється під впливом гормонів, медіаторів та інших біологічно активних речовин.

Ферменти.

Ферменти –органічні речовини білкової природи є біологічними каталізаторами.

За хімічною природою – глобулярні білки прискорюють хімічні реакції у тисячі разів

Відкрив Костянтин Кірхгоф, 1814 р (перетворював крохмаль на цукор під впливом амілази) Деякі ферменти складаються лише з білків, але більшість крім білкової частини (апоферменту) мають і не білковий компонент (ко фактор). До фактором можуть бути неорганічні іони або органічні сполуки. Якщо білкова частина ферменту слабо пов'язана з фактором і фермент активується тільки при приєднанні цієї частини, то фактор називають до ферментом. Нерідко до ферментом є нуклеотиди і вітаміни, молекули всіх ферментів мають один або кілька активних центрів. Активним центром приєднується до субстрату, решта ферменту служить для утримання структури активного центру. До складу активного центру входять до фактори та ферменти.

Дія ферменту в клітині завжди строго узгоджено відбувається у певній послідовності за принципом «ключа та замку».

1 Класифікація ферментів.

1 Оксидоредуктази – каталізують окисно-відновні реакції (оксидази, дегідрогенази, піроксидази)

2 Трансферази – каталізують перенесення атомних груп з однієї молекули в іншу (амінотрансферази – перенесення NH2 групи при переамінуванні амінокислот).

3 Гідролази – прискорюють гідроліз (амілази, ліпази).

4 ліази – прискорюють негідролітичний розпад зв'язків С-С, С-О (декарбоксилаза відщеплює СО2 від ПВК з утворенням оцтового альдегіду).

5 ізомерази - прискорюють перетворення ізомерів.

6 лігази (синтетази).

Класи поділяються на підкласи та підпідкласи. Кожен видобутий фермент має свій шифр, що містить 4 числа. Перша цифра вказує клас, друга – підклас, третя – підпідклас та четверта вказує порядковий номер у підпідкласі.

Приклад: Шифр ​​3.5.3.1.

3 підклас гідролаз; 5 діє на C-N зв'язку; 3 розщеплює ці зв'язки в лінійних, а не циклічних сполуках.

2 механізми каталізу. Кінетика та регуляція ферментативних реакцій.

Механізм дії ферментів:

Фермент + Субстрат---Субстрат комплекс---Фермент + Продукт реакції

В основі механізму лежить утворення проміжного ферменту-субстратного комплексу, в якому речовина пов'язана з активним центром ферменту при утворенні комплексу, молекула субстрату піддається деформації, електричне поле ферменту змінює просторову конфігурацію субстрату. Відбувається перерозподіл полярності, електронної густини, зв'язки субстрату розпушуються, міцність знижується. Ферментний субстрат комплекс стає стабільним перетворюючись на комплекс ферментів - продукт, у якому продукт не відповідає активному центру і комплекс розпадається на ферменти і продукти реакції.

3 Енергія активації.

Мінімальна кількість енергії якої повинна володіти частка для того, щоб відбулася хімічна реакція, називають Енергія активації.Чим більша ця енергія, тим менша швидкість реакції. Активація відбувається при нагріванні, поглинанні променистої енергії зіткнення з збудженими частинками, збільшення щільності в живих організмах, великі коливання температури та щільності неможливі, тому енергетичний бар'єр знижують ферменти, знижуючи енергію активації, вони збільшують швидкість реакції до 1012 разів.

4 Одиниці виміру активності ферментів.

Прискорення реакції за участю ферментів дуже велике, вимірюється числом оборотів - числом молей субстрату, що перетворюють за 1 хвилину 1 молем ферментів.

Для оцінки активності ферментативних препаратів використовують поняття Молекула активації- Число молекул субстрату перетворюваних за 1 хвилину 1 молекулою ферменту. За стандартну одиницю, для будь-якого ферменту, приймається така кількість ферментів, що каталізує перетворення 1 мікро моля субстрату за 1 хвилину за оптимальних умов (зазвичай 30 0С, оптимальна PH, оптимальна концентрація субстрату)

5 Залежність швидкості реакції від температури та реакції середовища.

1 від температури.

Вплив температури може бути виражений через температурний коефіцієнт Q10

Q10 = швидкість реакції при (х+10)0С/швидкість реакції при х ОС

У межах інтервалу від 0-25-35 ОС Q10 = 2-3. при подальшому підвищенні температури швидкість збільшується, і після досягнення температурного порога, різного кожного ферменту, швидкість починає швидко падати. За межами цього порога швидкість знижується незважаючи на збільшення частоти зіткнення молекул. Причина – руйнація структури білкової частини ферментів (денатурація).

Чутливість ферменту до високої температури називають Термолабільність. Зниження температури спричиняє поступову інактивацію ферменту без його денатурації.

2 реакція середовища.

За оптимальної температури будь-який фермент найбільш ефективно працює у вузьких межах PH. Більшість ферментів найбільш активні при PH=7, тобто нейтральному середовищі. Навіть незначний зсув PH змінює заряд іонізованих кислотних та основних груп, як самого ферменту, так і субстрату.

Від різких зрушень pH фермент може денатурувати.

Внутрішньоклітинна PH завжди оптимальна для ферменту, тим самим шляхом зміни клітин вдається регулювати активність ферментів.

6 Залежність швидкості ферментативної реакції від концентрації ферменту та субстрату.

1 концентрація ферменту.

При збільшенні кількості ферментів швидкість реакції підвищується до межі, який характеризується кількістю субстрату доступним дії ферментів. У оптимальних умовах швидкість реакції пропорційна концентрації ферментів. Багато ферментів можуть не проявляти своєї максимальної активності в клітинах лише через брак відповідного субстрату.

2 концентрація субстрату.

При постійній концентрації ферменту збільшується кількість субстрату, що призводить спочатку до швидкого, а потім повільнішого зростання швидкості реакції, поки не досягається максимальна швидкість, яка майже не змінюється при подальшому збільшенні концентрації субстрату.

Швидкість не змінюється оскільки активні центри ферменту виявляються насиченими субстратом у час. Ця залежність описується рівнянням Міхаеліса-Ментен.

Е+S---ЕS---Е+Р

V – швидкість реакції;

Vmax - максимальна швидкість реакції при нескінченно великій концентрації субстрату;

S – концентрація субстрату, моль/л;

Km – константа Міхаеліса-Ментен відповідна концентрації субстрату, при якій швидкість реакції дорівнює половині максимуму;

Km - константа дисоціації комплексу ферменту + субстрату: що менше дисоціація ферментного субстратного комплексу, то вища швидкість реакції.

7 Інгібітори ферментативних реакцій.

Інгібітори -Речовини, що пригнічують дію ферментів.

Діляться на 2 класи:

1 загальні інгібітори (солі важких металів, свинцю, ртуті, вольфраму та срібла; трихлороцтова кислота) ці сполуки викликають денатурацію білка, пригнічують дію всіх ферментів.

2 специфічні – діють одну групу ферментативних реакцій чи групу близьких реакцій. Дія ґрунтується на спеціальному зв'язуванні з певними хімічними угрупованнями в активному центрі ферменту. Усі їх поділяють на конкурентні та не конкурентні інгібітори.

Конкурентне інгібування.

Відбувається, коли інгібітор близький за своєю структурою до звичайного субстрату даного ферменту. Сам інгібітор не може прореагувати, проте займаючи активний центр перешкоджає доступу до нього субстрату.

У циклі Кребса фермент сукцинамдегідрогенази каталізує окислення бурштинової кислоти до фумарової кислоти. Однак якщо в середу потрапляє малонова кислота, швидкість окислення різко падає. Причина – близькість структури цих кислот окислювати.

Малонову кислоту фермент не може і даний комплекс якийсь час існує, тобто відбувається конкуренція кислот за активний центр ферменту, при введенні в середу великої кількості янтарної кислоти підвищується ймовірність попадання в активний центр справжнього субстрату, а не інгібітора.

Чи не конкурентне інгібування.

Як правило, таке інгібування не оборотне. Інгібітори цього роду неспоріднені структурою субстрату й у освіті комплексу з ферментом вони займають не активний центр, іншу частину молекули ферменту. При цьому глобулярна структура ферменту змінюється, змінюється полярність, і хоча субстрат приєднується до активного центру, реакція не відбувається. Приклад: ціанід діє на ферменти дихання (цитохромоксидазу), зв'язуючись з іонами міді, що входять до її складу, реакція пригнічується, дихання припиняється, клітини гинуть дуже швидко.

8Активатори ферментативних реакцій. Активація та інгібування за принципом зворотного зв'язку.

Активаторами часто є іони та сполуки (К+, Са2+, СО2+ та ін.). Для пероксидази та каталази – Fe, для ліпази – Са, для амілази – CL. Багато ферментів виробляються клітинами не активної формі – проферменти. Перехід проферментів в активні форми відбувається під дією активаторів, механізм дії різний, в одних випадках активатор звільняє активні центри ферментів від інгібітора, в інших – приєднуючись до білка, змінює його структуру, чим активує активний центр. По-третє, полегшує утворення фермент-субстратного комплексу, коли кінцевий продукт починає накопичуватися, він сам може надавати каталітичні дії. Так невелика кількість пепсинів може стати каталізатором перетворення пепсиногену на пепсин.

Цей вид активації називають активним за принципом зворотного зв'язку чи автоактивації.

Продукти реакції можуть не тільки активувати, а й інгібувати ферментативний процес, таке явище називають Інгібуваннямза принципом негативного зворотного зв'язку.

Так фермент фосфофруктокеназа бере участь у реакціях гліколізу, інгібується, якщо концентрація АТФ висока. Якщо рівень метаболізму високий і якість АТФ знижується, активність ферменту відновлюється.

9 Регуляція метаболізму. Мультиферментні комплекси.

У типовій клітині понад 500 ферментів, їх активність та концентрація постійно змінюється. Регуляція та узгодженість процесу метаболізму обумовлені специфічною дією метаболізму, їх просторової організації та функціональності взаємодії з клітиною компонентами.

Перелічені особливості чітко простежують існуючих у клітинах 2 типах метаболічних шляхів:

1 лінійний – деякі ферменти діють організовано будучи об'єднаними один з одним у мульти ферментні комплекси, зазвичай ці комплекси пов'язані з мембраною. лінійні розташування створюють можливість саморегуляції шляхом інгібування за принципом негативного зворотного зв'язку, тобто швидкість реакції залежить від концентрації кінцевого продукту.

Такий тісний зв'язок знижує до мінімуму вплив інших реакцій. Кожен фермент пов'язаний із сусідніми і продукт одного з них стає субстратом для наступного.

2 розгалужений метаболічний шлях.

Такий шлях може призвести до різних кінцевих продуктів і який із них утворюється залежить від умов існуючих у клітині на даний момент. Регуляція утворення кінцевого продукту здійснюється пригніченням за принципом зворотного зв'язку. Тут також діють мульти-ферментні системи, але ферменти знаходяться в розчині і тісно один з одним не пов'язані.

Таку систему можна зустріти у матриксі мітохондрій, де відбуваються реакції циклу Кребса. Продукти деяких реакцій можуть вилучатися із ц. Кребс.

ЛЕКЦІЯ №2

ГБОУ ВПО УДМУ МОЗ РФ
Кафедра біохімії
Дисципліна: Біохімія
ЛЕКЦІЯ №2
Ферменти 2.
Лектор: Гаврилов І.В.
Факультет: лікувально-профілактичний,
Курс: 2
Єкатеринбург, 2015р

План лекції

1.
2.
3.
Кінетика ферментативних реакцій
Регулювання швидкості ферментативних реакцій.
Клітинна сигналізація

Ензимологія – наука,
вивчає ферменти

1. Кінетика
ферментативних реакцій
Кінетика ферментативних реакцій напрям ензимології, що досліджує
впливу реагуючих речовин (субстрати,
продукти, інгібітори, активатори і т.д.) та
умов (рН, t°, тиск) на швидкість
ферментативної реакції.

Теорії про механізми дії ферментів

Теорії про специфічність
дії ферментів
1. Модель "ключ - замок"
Для пояснення високої специфічності ферментів по
по відношенню до субстратів Еміль Фішер у 1894 р. висунув
гіпотезу про сувору відповідність геометричної форми
субстрату та активного центру ферменту.
+
E+S
ES
E
Р1
+
Р2

2. Теорія «індукованої відповідності»
S
A
B
E
A
B
C
C
Існує не тільки
геометричне, але і
електростатичний
відповідність
ES
Теорія індукованої (вимушеної) відповідності
Денієля Кошланда (1959г): повна відповідність ферменту
і субстрату настає лише у процесі їх взаємодії:
Субстрат індукує необхідні конформаційні
зміни ферменту, після чого вони з'єднуються.
Теорія заснована на даних кінетичного аналізу,
вивченням фермент-субстратних комплексів методами
ренгено-структурного аналізу, спектрографії та
кристалографії та ін.

3. Теорія «індукованої відповідності»
(сучасні уявлення)
S
A
B
A
C
B
C
E
ES
При взаємодії ферменту та субстрату обидва
піддаються модифікації та підлаштовуються один під
друга. Зміни, що виникають у субстраті, сприяють
перетворенню їх у продукт.

Теорія перехідних станів
(проміжних з'єднань)
P
S
E
ES
ES*
EP*
E
при взаємодії ферменту E із субстратом S утворює
комплекс ES*, у якому реакційна здатність
субстрату вище, ніж у нативному стані. Через ряд
проміжних з'єднань відбувається перетворення
субстрату продукт реакції Р

Механізми ферментативних реакцій

При ферментативному каталізі реалізуються ті
ж механізми, які можливі без участі
ферментів:
1.
2.
3.
4.
Кислотно-основні реакції - в активному центрі
ферменту знаходяться групи -СОО- та -NН3+, які
здатні приєднувати та віддавати Н.
Реакції приєднання (відщеплення, заміщення)
електрофільні, нуклеофільні – в активному центрі
ферменту знаходяться гетероатоми зміщують
електронну густину.
Окисно-відновні реакції - в
активному центрі ферменту знаходяться атоми,
має різну електронегативність
Радикальні реакції.

Енергетика ферментативних реакцій

Ферменти знижують енергію активації
Швидкість хімічної реакції залежить від
концентрації реагуючих речовин
У комплексі з ферментами субстрати
перетворюються на більш стійкі
проміжні з'єднання, за рахунок чого їх
концентрація різко підвищується, що
сприяє прискоренню реакції

Неферментативна реакція
S
S*
P*
P
S
E
ES
ES*
Ферментативна реакція
EP*
E

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ БАР'ЄР РЕАКЦІЇ –
кількість енергії, яка необхідна
молекули, щоб вступити до хімічної
реакцію.
ЕНЕРГІЯ АКТИВАЦІЇ - у енергії,
яке необхідно повідомити молекулу
для подолання енергетичного
бар'єру.

Вільна енергія системи
S*
Енергія активації
некаталізованої реакції
S
ES*
Енергія активації
каталізованої реакції
Початкове
стан
P
Кінцевий стан
Хід реакції

2Н2О + О2
2.
3.
Енергія
активації
1) 2Н2О2
Вільна енергія системи
Каталаза
1.
Хід реакції
Енергія активації:
1. У спонтанній реакції – 18 ккал/моль
2. При використанні каталізатора Fe2+ – 12 ккал/моль
3. У присутності ферменту каталази – 5 ккал/моль

Залежність швидкості реакції від концентрації субстрату

Кінетика
ферментативних реакцій
Залежність швидкості реакції
від концентрації субстрату
Vmax
Концентрація
ферменту константа
[S]

Залежність швидкості реакції
від концентрації ферменту
V
Концентрація
субстрату –
константа
концентрація
ферменту

Вплив температури на швидкість ферментативної реакції

Підвищення температури на 10
градусів підвищує швидкість
хімічної реакції у 2-4 рази.
При підвищенні температури фермент
піддається денатурації і втрачає
свою активність.

Швидкість
ферментативної
реакції
V
Кількість
активного
ферменту
0
10
20
Швидкість
реакції активного
ферменту
30
40
50
60
T

Вплив рН на швидкість ферментативної реакції

Зміна концентрації Н+ змінює
хімічний склад ферменту, його
будову та каталітичну активність.
Зміна концентрації Н+ змінює
хімічний склад субстрату, його
будова та здатність вступати в
ферментативну реакцію
Денатурацією ферменту при дуже
високих чи дуже низьких рН.

Залежність швидкості ферментативної реакції від рН

V
0
4
5
6
7
8
9
pH

Константа Міхаеліса-Ментона

Km – концентрація субстрату [S], за якої
швидкість ферментативної реакції V дорівнює
половині від максимальної
Vmax
Vmax
2
Km
[S]

Рівняння швидкості ферментативної реакції

Vmax [S]
V = -----Km + [S]
V – швидкість реакції
Vmax – максимальна швидкість реакції
Km – константа Міхаеліса
[S] – концентрація субстрату

Вплив активаторів та інгібіторів на швидкість ферментативних реакцій

Реакції інгібування ферментативних
процесів
ТИПИ ІНГІБУВАННЯ ФЕРМЕНТІВ
I. Оборотне
ІІ. Необоротне
Конкурентне
Неконкурентне
Безконкурентне
Змішаного типу
Для визначення оборотності інгібування проводять діаліз
середовища, де є фермент та інгібітор.
Якщо після діалізу відновлюється активність ферменту, то
інгібування оборотне

Варіанти взаємодії
інгібітора з ферментом
1. Блокують активний центр ферменту
2. Змінюють четвертинну структуру ферменту
3. Поєднуються з коферментом, активатором
4. Блокують частину ферменту, що з'єднується з
коферментом
5. Порушують взаємодію ферменту з
субстратом
6. Викликають денатурацію ферменту
(Неспецифічні інгібітори)
7. Зв'язуються з алостеричним центром

Конкурентний тип інгібування
Здійснюється речовиною, близькою по хімічному.
будовою до субстрату
V
V max
V max / 2
Km
Kmi
[S]

Неконкурентний тип інгібування
Інгібітор реагує з ферментом в інший спосіб, ніж
субстрат, тому підвищення концентрації субстрату не
може витіснити інгібітор та відновити активність
ферменту
V
V max
V max
V max
V max
K
m
[S]

2. Регуляція швидкості ферментативних реакцій у організмі

Найважливішим властивістю живих організмів є здатність до підтримки гомеостазу. Гомеостаз в організмі підтримується за рахунок регулювання

Найважливішою властивістю живих організмів є
здатність до підтримки гомеостазу.
Гомеостаз в організмі підтримується за рахунок
регуляції швидкості ферментативних реакцій, яка
здійснюється за рахунок зміни:
I). Доступності молекул субстрату та коферменту;
II). каталітичної активності молекул ферменту;
ІІІ). Кількість молекул ферменту.
E*
S
S
Кофермент
Вітамін
Клітина
P
P

I. Доступність молекул субстрату та коферменту

Транспорт речовин через мембрану
АТФ
АДФ + ФН
антипорт
Дифузія Полегшена
Дифузія
Клітина
Первинноактивний
транспорт
Вторинноактивний
транспорт

Інсулін
Глюкоза
ГЛЮТ-4
ГЛЮТ-4
Адипоцити,
міоцити
E1, Е2, Е3 ...
Глюкоза
ПВК
Коферменти
Гепатоцит
Вітаміни
Ферменти
Коферменти

ІІ. Регуляція каталітичної активності ферменту

Регуляція каталітичної активності ферментів буває:
1). Неспецифічний. Каталітична активність усіх ферментів
залежить від температури, рН та тиску.
V
пепсин
V
0
50
100
t
0
аргіназа
7
14
рН
2). специфічною. Під дією специфічних активаторів та
інгібіторів змінюється активність регуляторних ферментів,
які контролюють швидкість метаболічних процесів у
організм.

Механізми специфічного регулювання
каталітичної активності ферментів:
1). Алостеричне регулювання;
2). Регуляція за допомогою білок-білкових
взаємодій;
3). Регулювання через ковалентну модифікацію.
а). Регулювання шляхом
фосфорилювання/дефосфорилювання
ферменту;
б). Регулювання частковим протеолізом.

1. Алостеричне регулювання

Алостеричними називають ферменти, активність яких
регулюється оборотним нековалентним приєднанням
модулятора (активатора та інгібітора) до алостеричного центру.
E1
S
E2
A
E3
B
E4
C
P
Активування відбувається за принципом прямої позитивної
зв'язку, а інгібування - за принципом негативної зворотної
зв'язку.
Активність алостеричних ферментів дуже змінюється
швидко

2. Регуляція каталітичної активності ферментів за допомогою білок-білкових взаємодій

а). Активація ферментів внаслідок приєднання регуляторних білків.
АЦ
G
G
АЦ
АТФ цАМФ
б). Регуляція каталітичної активності ферментів
асоціацією/дисоціацією протомірів
цАМФ
цАМФ
R
R
C
R
C
ПК А
цАМФ
S
C
P
R
цАМФ
S
C
P

3). Регуляція каталітичної активності ферментів шляхом їхньої ковалентної модифікації.

Регуляція активності ферменту здійснюється в результаті
ковалентного приєднання чи відщеплення від нього фрагмента.
Буває 2 видів:
а). шляхом фосфорилювання та дефосфорилювання ферментів; .
АТФ
АДФ
ПК
ФЕРМЕНТ
H3PO4
ФПФ
*
ФЕРМЕНТ-Ф
субстрат
продукт
H2O
б). шляхом часткового протеолізу ферментів (позаклітинні)
Субстрат
Трипсиноген
Продукт
Трипсин

ІІІ. Механізми регуляції кількості ферментів
Індуктори
Репресори
гідроліз
біосинтез
Амінокислоти
Фермент
Амінокислоти
Індуктори - це речовини, які запускають синтез ферментів
Процес запуску синтезу ферментів називається індукцією
Ферменти, концентрація яких залежить від додавання
індукторів, називаються індукованими ферментами
Ферменти, концентрація яких стала і не регулюється
індукторами, називаються конститутивними ферментами
Базовий рівень - це концентрація індукованого ферменту
за відсутності індуктора.

Репресори (точніше корепресори) - речовини,
які зупиняють синтез ферментів.
Процес зупинення синтезу ферментів називається
репресією.
Дерепресією – називається процес
відновлення синтезу ферментів після видалення
із середовища репресора
Як індуктори та репресори виступають
деякі метаболіти, гормони та біологічно
активні речовини.

3. Клітинна сигналізація

У багатоклітинних організмах підтримка
гомеостазу забезпечують 3 системи:
1). Нервова
2). Гуморальна
3). Імунна
Регуляторні системи функціонують за участю
сигнальних молекул.
Сигнальні молекули – це органічні
речовини, що переносять інформацію.
Для передачі сигналу:
а). ЦНС використовує нейромедіатори
б). Гуморальна система використовує гормони
У). Імунна система використовує цитокіни.

Гормони - це сигнальні молекули бездротової системної дії
Справжні гормони, на відміну від інших сигнальних молекул:
1. синтезуються у спеціалізованих ендокринних клітинах,
2. транспортуються кров'ю
3. діють дистантно на тканині мішені.
Гормони за будовою діляться: на
1. білкові (гормони гіпоталамуса, гіпофіза),
2. похідні амінокислот (тиреоїдні, катехоламіни)
3. стероїдні (статеві, кортикоїди).
Пептидні гормони та катехоламіни розчиняються у воді,
вони регулюють переважно каталітичну
активність ферментів.
Стероїдні та тиреоїдні гормони водонерозчинні,
вони регулюють переважно кількість
ферментів.

Каскадні системи
Гормони регулюють кількість та каталітичну
активність ферментів не безпосередньо, а
опосередковано через каскадні системи
Гормони
Каскадні системи
Ферменти
х 1000000
Каскадні системи:
1. Багаторазово посилюють сигнал гормону (підвищують кількість або
каталітичну активність ферменту) так що 1 молекула гормону
здатна викликати зміну метаболізму у клітині
2. Забезпечують проникнення сигналу в клітину (водорозчинні
гормони в клітину самостійно не проникають)

каскадні системи складаються з:
1. рецепторів;
2. регуляторні білки (G-білки, IRS, Shc, STAT і т.д.).
3. вторинних посередників (messenger - посильний)
(Са2+, цАМФ, цГМФ, ДАГ, ІТФ);
4. ферментів (аденілатциклаза, фосфоліпаза С,
фосфодіестераза, протеїнкінази А, С, G,
фосфопротеїнфосфотаза);
Види каскадних систем:
1. аденілатциклазна,
2. гуанілатциклазна,
3. інозитолтрифосфатна,
4. RAS і т.д.),

Рецептори

Рецептори - це білки, вбудовані в клітинну мембрану або
знаходяться всередині клітини, які, взаємодіючи з
сигнальними молекулами, що змінюють активність регуляторних білків.
По локалізації рецептори поділяються на:
1) цитоплазматичні;
2) ядерні;
3) мембранні.
За ефектом рецептори поділяються на:
активаторні (активують каскадні системи)
інгібіторні (блокують каскадні системи).
За механізмом передачі сигналу рецептори поділяються на 4 типи:
1). Рецептори, пов'язані з іонними каналами
2). Рецептори з ферментативною активністю.
Бувають 3 види:
а). Рецептори з тирозинкіназною активністю (тирозинові
протеїнкінази).
б). Рецептори з фосфатазною активністю (тирозинові
протеїнфосфотази) (наприклад, ФПФ).
в). Рецептори із гуанілатциклазною активністю (ГЦ).
3). Рецептори, пов'язані з G-білками за будовою їх ще
називають серпантинними.
4). Ядерні та цитоплазматичні рецептори.

Рецептор, пов'язаний із іонним каналом

Робота рецептора пов'язана з G-білком (серпантинний)

Рецептор з ферментативною активністю (тирозинкіназний)
інсулін
a
a
інсулін
інсулін
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*

Аденілатциклазна система
Гормони:
Глюкагон, Вазопресин, Катехоламіни (через β2-адренергічні рецептори)
Гормони гіпофіза (АКТГ, ЛДГ, ФСГ, ЛТ, МСГ, ТТГ), паратгормон, фактор росту
нервів
PGE1
Г
R
Цитоплазматична мембрана
G
A
Ц
цитоплазма
АТФ цАМФ
ПК А
Фермент неакт
ПК А*
АТФ
АДФ
Фермент акт
субстрат
Ф
продукт
Є
αі
β-адренергічні
рецептори
мембран клітин печінки, м'язів та жирової тканини.
в
плазматичних

Гуанілатциклазна система
Сигнальні молекули:
ПНФ (розслаблення тонусу судин),
Катехоламіни (через α-адренергічні рецептори)
Бактеріальний ендотоксин (блокує всмоктування води викликає діарею)
NO, продукти ПОЛ (цитоплазматична ГЦ)
Г
ГЦ
Цитоплазматична мембрана
цитоплазма
ГТФ цДМФ
ПК G
Фермент неакт
ПК G*
АТФ
АДФ
Фермент акт
субстрат
Ф
продукт
Гуанілатциклазна система функціонує в легенях, нирках, ендотелії.
кишечника, серце, надниркових залозах, сітківці та ін. Вона бере участь у регуляції
водно-сольового обміну та тонусу судин, викликає релаксацію тощо.

Інозитолтрифосфатна система
Гормони:
гонадоліберин, тироліберин, дофамін, тромбоксани А2, ендоперекису,
лейкотрієни, агніотензин II, ендотелін, паратгормон, нейропептид Y,
адренергічні катехоламіни (через α1 рецептори), ацетилхолін,
брадикінін, вазопресин (через рецептори V1).
Г
R
G
ФО С
Цитоплазматична мембрана
ФІФ2
ДГ
2+
ІТФ Са
субстрат
Кальмодулін -4Са2+
ПК З
цитоплазма
продукт
Фермент неакт
Са2+
Кальмодулін -4Са2+
Кальмодулін
Фермент акт
субстрат
продукт

Трансмембранна передача інформації за участю
цитоплазматичних рецепторів
білок
Г
Шаперон
Цитоплазматична
мембрана
ЦПР
білок
Г
Шаперон
Гормони:
Кортикоїди,
статеві,
тиреоїдні
Г
ЯДРО
ЦПР
Г
ЦПР
ДНК
цитоплазма
субстрат
продукт
Транскрипція
мРНК
Трансляція
мРНК
Фермент
рибосома