ENSIMESKonstantin GERMAN - Chair Head of

Natural Sciences, Medical Institute REAVIZ - www.reaviz.ru

ЛЕКЦИЯ № 19:

ФЕРМЕНТЫ СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА

Зав. кафедрой естественных наукКонстантин Эдуардович

Герман

3

Ферменты

Е + S ↔ ES ↔ EP → E + P

Природные биокатализаторы, обеспечивающие

протекание большинства химических реакций в

живых организмах называются ферментами

(энзимами).

Схема процесса катализа:

Е – фермент;

S (субстрат) – лиганд, взаимодействующий с активным центром

фермента;

Р – продукт реакции.

4

Ферме́нты, или энзи́мы[1]

(от лат. fermentum, греч. ζύμη, ἔνζυμον — закваска) —

обычно белковые молекулы или молекулы РНК(рибозимы)

или их комплексы, ускоряющие (катализирующие)

химические реакции в живых системах.

Реагенты в реакции, катализируемой ферментами,

называются субстратами, а получающиеся вещества —

продуктами.

Ферментативная активность может

регулироваться активаторами и ингибиторами (активаторы

— повышают, ингибиторы — понижают).

Белковые ферменты синтезируются на рибосомах, а РНК —

в ядре.

5

Ферменты специфичны к субстратам (АТФаза

катализирует расщепление только АТФ,

а киназа фосфорилазы фосфорилирует только

фосфорилазу).

АТФаза

Аденозинтрифосфата́зы

(АТФ-азы) —

группа ферментов класса гидролаз

(КФ 3.6.1.3), катализирующих

отщепление от

аденозинтрифосфорной

кислоты (АТФ) одного или двух

остатков фосфорной кислоты с

освобождением энергии,

используемой в процессах

мышечного сокращения,

транспорта веществ через

мембраны, биосинтеза различных

соединений.[1][2]

6

Киназа фосфорилазы

фосфорилирует только фосфорилазу

Аденилатциклазная система рассматривается на примере действия адреналина на

клетки печени. Адреналинвызывает в организме эффект, называемый «fight or

flight» (бой или бегство) — усиливается тонус мышц, увеличивается частота

сердечных сокращений. Для мобилизации организма требуется повышение

концентрации глюкозы в крови. Связывание адреналина с рецепторами на

поверхности клеток печени запускает распад гликогена, запасенного в клетках

печени и высвобождение глюкозы

Свойства ферментов

1. Специфичность.

2. Каталитическая эффективность.

3. Лабильность ферментов.

4. Способность ферментов к регуляции.

5. Высокий коэффициент полезного действия (100 %).

7

Строение активного центра ферментаА – присоединение субстрата к

ферменту в активном центре. Б –положение аминокислотных остатков, формирующих активный центр фермента в первичной структуре белка.

В – активный центр фермента условно разделяется на участок связывания и каталитический участок. Участок связывания представлен радикалами аминокислот, функциональные группы которых обеспечивают связывание субстрата. Каталитический участок образован радикалами аминокислотных остатков, функциональные группы которых обеспечивают химические превращения субстрата. 8

9

Активный центр ферментов

Изучение механизма химической реакции, катализируемой ферментом

наряду с определением промежуточных и конечных продуктов на

разных стадиях реакции подразумевает точное знание геометрии

третичной структуры фермента, природы функциональных групп

его молекулы, обеспечивающих специфичность действия и высокую

каталитическую активность на данный субстрат, а также химической

природы участка (участков) молекулы фермента, который

обеспечивает высокую скорость каталитической реакции. Обычно

молекулы субстрата, участвующие в ферментативных реакциях, по

сравнению с молекулами ферментов имеют относительно небольшие

размеры. Таким образом, при образовании фермент-субстратных

комплексов в непосредственное химическое взаимодействие вступают

лишь ограниченные фрагменты аминокислотной последовательности

полипептидной цепи — «активный центр» — уникальная комбинация

остатков аминокислот в молекуле фермента, обеспечивающая

непосредственное взаимодействие с молекулой субстрата и прямое

участие в акте катализа[10].

10

Наиболее реалистичная ситуация в

случае индуцированного соответствия.

Неправильные субстраты — слишком

большие или слишком маленькие — не

подходят к активному центру

В активном центре условно выделяют[10]:каталитический центр — непосредственно химически взаимодействующий с субстратом;связывающий центр (контактная или «якорная» площадка) —обеспечивающий специфическое сродство к субстрату и формирование комплекса фермент-субстрат.Чтобы катализировать реакцию, фермент должен связаться с одним или несколькими субстратами. Белковая цепь фермента сворачивается таким образом, что на поверхности глобулы образуется щель, или впадина, где связываются субстраты. Эта область называется сайтом связывания субстрата. Обычно он совпадает с активным центром фермента или находится вблизи него. Некоторые ферменты содержат также сайты связывания кофакторов или ионов металлов.Фермент, соединяясь с субстратом:очищает субстрат от водяной «шубы»располагает реагирующие молекулы субстратов в пространстве нужным для протекания реакции образомподготавливает к реакции (например, поляризует) молекулы субстратов.Обычно присоединение фермента к субстрату происходит за счет ионных или водородных связей, редко — за счет ковалентных. В конце реакции её продукт (или продукты) отделяются от фермента. 11

В результате фермент снижает энергию активации реакции. Это происходит потому, что в присутствии фермента реакция идет по другому пути (фактически происходит другая реакция), например:В отсутствие фермента:А+В = АВВ присутствии фермента:А+Ф = АФАФ+В = АВФАВФ = АВ+Фгде А, В — субстраты, АВ — продукт реакции, Ф — фермент.Ферменты не могут самостоятельно обеспечивать энергией эндергонические реакции (для протекания которых требуется энергия). Поэтому ферменты, осуществляющие такие реакции, сопрягают их с экзергоническимиреакциями, идущими с выделением большего количества энергии. Например, реакции синтеза биополимеров часто сопрягаются с реакцией гидролиза АТФ.Для активных центров некоторых ферментов характерно явление кооперативности.

12

Ферменты

Специфичность ферментов

1. Субстратная

2. Каталитическая

13

Функциональная значимость отдельных

участков активного центра фермента

14

Субстратная специфичность

(способность каждого фермента взаимодействовать лишь с одним или

несколькими определёнными

субстратами):

Абсолютная

Групповая

Стереоспецифичность

15

16

Абсолютная субстратная специфичность

мочевина

Групповая субстратная

специфичность

17

Стереоспецифичность к

D-сахарам

18

Стереоспецифичность к

цис-транс-изомерам

19

20

Фермент катализирует превращение присоединённого

субстрата по одному из возможных путей его

превращения. Это свойство обеспечивается

строением каталитического центра фермента и

называется каталитической специфичностью, или

специфичностью пути превращения субстрата.

Каталитическая эффективность

21

Большинство катализируемых ферментами реакций

высокоэффективны. Они протекают в 108-1014 раз

быстрее, чем некатализируемые реакции.

Каждая молекула фермента способна за секунду

трансформировать от 100 до 1000 молекул субстрата

в продукт.

Количество молекул субстрата, превращённого в

продукт с помощью одной молекулы фермента за

1 с, называют числом оборотов фермента, или

молярной активностью.

Классификация ферментов по классам

1. Оксидоредуктазы

2. Трансферазы

3. Гидролазы

4. Лиазы

5. Изомеразы

6. Лигазы (синтетазы)

22

1. Оксидоредуктазы

Подкласс дегидрогеназы

23

1. Оксидоредуктазы

Подкласс оксидазы

24

1. Оксидоредуктазы

Подкласс оксигеназы (гидроксилазы)

25

2. Трансферазы

26

3. Гидролазы

27

4. Лиазы

28

29

5. Изомеразы

30

5. Изомеразы

Когда изомеризация состоит из внутримолекулярного

переноса группы, фермент называют «мутазой»

31

6. Лигазы (синтетазы)

В случае, когда источником энергии служит любое другое макроэргическое

соединение (не АТФ), ферменты называют синтазами

Кофакторы и коферменты

Большинство ферментов для проявления активности нуждаются в низкомолекулярных органических соединениях небелковой природы (коферментах) и/или в ионах металлов (кофакторах).

Белковая часть сложного фермента называется апоферментом (в отсутствии кофермента не обладает каталитической активностью).

Кофермент с белковой молекулой называется холоферментом (обладает каталитической активностью).

32

Роль кофакторов

33

1.Роль металлов в присоединении субстрата

в активном центре фермента

2. Роль металлов в стабилизации третичной и

четвертичной структуры фермента

3. Роль металлов в ферментативном катализе

4. Роль металлов в регуляции активности

ферментов

Кофакторы

1. Роль металлов в присоединении субстрата в активном центре фермента:

Ионы металлов – стабилизаторы молекулы субстрата

Ионы металла – стабилизаторы активного центра фермента

34

Кофакторы (металлы)

35

Кофакторы (металлы)Участие ионов магния в присоединении субстрата в

активном центре гексокиназы

36

В активном центре гексокиназы есть участки связывания для молекулы глюкозы и комплекса Mg2+ -АТФ.

В результате ферментативной реакции происходит перенос концевого γ-фосфатного остатка молекулы АТФ на глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата.

37

Кофакторы (металлы)

Ионы металла – стабилизаторы активного центра

фермента

38

2. Роль металлов в стабилизации третичной и

четвертичной структуры фермента

Участие ионов магния в присоединении субстрата в

активном центре пируваткиназыАктивный центр пируваткиназы имеет участки связывания для

фосфоенолпирувата и АДФ. Mg2+ участвует в стабилизации активного центра, что облегчает присоединение фосфоенолпирувата. В ходе ферментативной реакции образуется пируват и АТФ.

39

2. Роль металлов в стабилизации третичной и

четвертичной структуры фермента

Роль ионов цинка в стабилизации четвертичной структуры

алкогольдегидрогеназы

40

3. Роль металлов в ферментативном катализе

Участие в электрофильном катализе

3. Роль металлов в ферментативном катализе

Участие в окислительно-восстановительных реакциях

41

3. Роль металлов в ферментативном катализе

Участие ионов меди в активации молекулы кислорода при функционировании дофамингидроксилазы

1 – восстановление Cu2+ , входящего в состав активного центра дофамингидроксилазы, до Cu+ c помощью аскорбиновой кислоты

2 – взаимодействие Cu+ c кислородом с образованием перекисного соединения

3 – перенос гидроксильной группы на молекулу дофамина с образованием норадреналина

42

Коферменты

Кофермент, локализуясь в каталитическом участке активного центра, принимает непосредственное участие в химической реакции, выступая в качестве акцептора и донора химических группировок, атомов, электронов.

Кофермент может быть связан с белковой частью молекулы ковалентными и нековалентными связями. В первом случае он называется простетической группой (ФАД, ФМН, биотин, липоевая кислота).

Примером кофермента, связанного с ферментом нековалентной связью, является тиаминдифосфат, НАД+, НАДФ+.

43

Разнообразие коферментов

Производные витаминов.

Гемы, входящие в состав цитохромов, каталазы, пероксидазы, гуанилатциклазы, NO-синтазы и являющиеся простетической группой.

Нуклеотиды – доноры и акцепторы остатка фосфорной кислоты.

Убихинон, или кофермент Q, участвующий в переносе электронов и протонов в цепи переноса электронов.

S-аденозилметионин – донор метильной группы.

Глутатион, участвующий в окислительно-восстановительных реакциях.

44

Мультисубстратные реакции

1. Механизм «пинг-понг» (механизм двойного замещения).

2. Последовательный механизм (для протекания ферментативной реакции требуется одновременно взаимодействие двух субстратов).

45

1. Механизм «пинг-понг»

46

1. Механизм «пинг-понг»

События в активном центре аминотрансферазы как пример механизма «пинг-понг». Кофермент пиридоксальфосфат (ПФ), связанный с ферментом, принимает α-аминогруппу от первой аминокислоты (АК1), которая при этом превращается в α-кетокислоту 1 (КК1) и высвобождается из активного центра фермента. Далее в активный центр фермента присоединяется α-кетокислота 2 (КК2), которая забирает аминогруппу от кофермента и превращается в α-аминокислоту (АК2).

47

Структура (А) и химическое строение (Б) коферментов FMN и FAD 48

Механизм

«пинг-понг»

1. Механизм «пинг-понг»

49

1. Механизм «пинг-понг»

АН2 – донор водорода, окисляемый субстрат 1;

А – окисленная форма субстрата 1;

В – акцептор водорода – субстрат 2;

Е (FAD), E (FADH2) –окисленная и восстановленная формы кофермента FAD, входящего в состав фермента Е

50

1. Механизм «пинг-понг»

51

52

2. Последовательный механизм

Механизм упорядоченного взаимодействия субстрата с активным

центром фермента

Механизм случайного взаимодействия субстрата с активным

центром фермента

2. Последовательный механизм

Структура (А) и химическое строение (Б) коферментов NAD+ и NADP+53

2. Последовательный механизм

54

2. Последовательный механизм

(сопряжённые реакции)

АН2 – донор водорода,восстановленная

форма субстрата 1;

А – окисленная форма субстрата 1;

В – акцептор водорода – второй субстрат;

ВН2 – восстановленная форма субстрата 2;

NAD+, NADH –окисленная и восстановленная формы кофермента;

Е1 и Е2 - ферменты55

2. Последовательный механизм

(сопряжённые реакции)

56

Механизм действия ферментов

Энергетические изменения при химических реакциях

Изменение свободной энергии при разложении угольной кислоты 57

Энергия активации

Энергией активации называют дополнительное количество кинетической энергии, необходимое молекулам вещества, чтобы они вступили в реакцию.

При достижении этого энергетического барьера в молекуле происходят изменения, вызывающие перераспределение химических связей и образование новых соединений.

Разницу энергий между исходным реагентом и конечными продуктами называют изменением свободной энергии реакции(ΔG).

58

Механизм действия ферментовЭнергетические изменения при химических реакциях

Изменение свободной энергии в ходе химической реакции, некатализируемой и катализируемой ферментами

Фермент понижает энергию активации Еа, т.е. снижает высоту энергетического барьера. В результате возрастает доля реакционно-способных молекул, следовательно, увеличивается скорость реакции. 59

Сходство ферментов с небиологическими

катализаторами:

1. Ферменты катализируют энергетически возможные реакции (т.е. реакции, которые не противоречат законам термодинамики).

2. Энергия химической системы остаётся постоянной.

3. В ходе катализа направление реакции не изменяется.

4. Ферменты не расходуются в процессе катализа.

60

Отличия ферментов от

небиологических катализаторов:

1. Скорость ферментативных реакций выше, чем реакций, катализируемых небелковыми катализаторами.

2. Ферменты обладают высокой специфичностью.

3. Ферментативная реакция проходит в клетке, т.е. при температуре 37оС, постоянном атмосферном давлении и физиологическом значении рН.

4. Скорость ферментативной реакции может регулироваться.

61

Механизм действия ферментовЭтапы ферментативного катализа

I – этап сближения и ориентации субстрата относительно активного центра фермента;

II – образование фермент-субстратного комплекса (ES) в результате индуцированного соответствия;

III – деформация субстрата и образование нестабильного комплекса фермент0продукт (ЕР);

IV – распад комплекса (ЕР) с высвобождением продуктов реакции из активного центра фермента и освобождением фермента 62

Молекулярные механизмы ферментативного катализа

Кислотно-основный катализ на примере работы

алкогольдегидрогеназы печени

I – молекула этилового спирта имеет центр связывания, обеспечивающий гидрофобное взаимодействие активного центра и метильной группы спирта;

II – положительно заряженный атом цинка способствует отщеплению протона от спиртовой группы этанола с образованием отрицательно заряженного атома кислорода. Отрицательный заряд перераспределяется между атомом кислорода и соседним атомом водорода, который затем в виде гидрит-иона переносится на четвёртый углеродный атом никотинамида кофермента NAD+;

III – в результате формируется восстановленная форма NADH и уксусный альдегид. 63

Молекулярные механизмы ферментативного катализаКовалентный катализ

Механизм ковалентного катализа в активном центре химотрипсина

64

Основы кинетики ферментативных

реакций

Зависимость скорости ферментативной реакции (V)от концентрации фермента

65

Основы кинетики ферментативных реакций

Зависимость скорости ферментативной реакции (V)от температуры 66

Ea

67

Поскольку динамика температуры тела

пойкилотермных организмов определяется

изменениями температуры среды,

Интенсивность их метаболизма также оказывается

в прямой зависимости от внешней температуры.

Влияние температуры на обменные процессы

прослеживается при изучении онтогенетического

развития пойкилотермных организмов. Оно протекает тем

быстрее, чем выше температура окружающей среды.

Длительность развития икры сельди

при температуре 0,5 0С составляет 40 – 50 сут,

а при 16 0С — всего 6 – 8;

развитие икры форели при 2 0С продолжается 205 сут,

при 5 0С — 82, при 10 0С — 41 сут

Основы кинетики ферментативных реакций

Зависимость скорости ферментативной реакции (V)

от рН среды68

Оптимальные значения рН для некоторых

ферментов

69

Основы кинетики ферментативных реакций

Зависимость скорости реакции (V)

от концентрации субстрата (S)

Vmax – максимальная скорость реакции при данной концентрации фермента в оптимальных условиях проведения реакции;

Km – константа Михаэлиса. 70

Кинетика ферментативных реакций

Леонор Михаэлис — немецкий биохимик, известен по совместной работе с Мод Ментен в области кинетики ферментативных

реакций и разработке уравнения Михаэлиса-Ментен.

где

•Vm — максимальная скорость реакции, равная kcatE0;

•KM — константа Михаэлиса, равная концентрации субстрата, при

которой скорость реакции составляет половину от максимальной;

•S — концентрация субстрата.

E + S ⟺ ES ⟶ E + P

Уравнение имеет вид:

V = VmS /(S+KM),

Зависимость скорости реакции (V)

от концентрации субстрата (S)

Vmax – максимальная скорость реакции при данной концентрации фермента в оптимальных условиях проведения реакции;

Km – константа Михаэлиса. 72

Схема конкурентного ингибирования

активности фермента

73

Ингибирование ферментативной активности

Обратимое ингибирование - Конкурентное ингибирование

74

Для фермент-субстратного комплекса применим метод

квазистационарности, так как в подавляющем

большинстве реакций

Kонстанта скорости превращения фермент-

субстратного комплекса в фермент и продукт

много больше, чем константа скорости

образования ферменто-субстратного комплекса

из фермента и субстрата K(E+P) >> KES

Фермент, изначально находившийся только в

свободной форме, в процессе реакции

находится как в виде фермент-субстратного

комплекса, так и в виде молекул свободного

фермента : E0 = E + ES

Если k-1>>k2, то на первой стадии ферментативной реакции с течением времени устанавливается равновесие (квазиравновесный режим протекания реакции), и в выражение для скорости ферментативной реакции входит уже не константа Михаэлиса, а субстратная константа KS, характеризующая взаимодействие фермента с субстратом в равновесных условиях:

75

Ингибирование ферментативной активностиОбратимое ингибирование

Конкурентное ингибирование сукцинатдегидрогеназы малоновой кислотой

I – сукцинат связывается с активным центром фермента сукцинатдегидрогеназы;

II – в ходе ферментативной реакции происходит отщепление двух атомов водорода от сукцината и присоединение их к коферменту FAD. В результате образуется фумарат, который высвобождается из активного центра сукцинатдегидрогеназы;

III – малоновая кислота –структурный аналог сукцината,Э она также связывается с активным центром сукцинатдегидрогеназы. При этом химическая реакция не идёт. 76

Ингибирование ферментативной активностиОбратимое ингибирование

Конкурентное ингибирование ацетилхолинэстеразы прозерином

А – присоединение ацетилхолина в активном центре фермента. Стрелкой указано место гидролиза эфирной связи в молекуле ацетилхолина;

Б – присоединение конкурентного ингибитора – прозерина в активном центре фермента. Указано место гидролиза прозерина, однако, реакция идёт намного медленнее, чем с ацетилхолином;

В – присоединение конкурентного ингибитора в активном центре фермента – эндрофония. Эндрофоний связывается в активном центре ацетилхолинэстеразы, препятствуя присоединению ацетилхолина.

77

Ингибирование ферментативной активностиОбратимое ингибирование

Схема неконкурентного ингибирования активности фермента

78

Ингибирование ферментативной активностиНеобратимое ингибирование

Механизм действия ионов ртути как необратимого ингибитора

Ионы ртути в малых концентрациях блокируют сульфгидрильные группы активного центра, что приводит к снижению скорости ферментативной реакции 79

Ингибирование ферментативной активностиНеобратимое ингибирование

Ингибирование активности ферментов вследствие ковалентной модификации остатков цистеина

80

Ингибирование ферментативной активности

Необратимое ингибирование

81

Организация химических реакций в метаболические пути

82

Внутриклеточная локализация ферментов

83

Регуляция скорости ферментативных реакций

осуществляется на трёх независимых уровнях

1. Изменением количества молекул фермента.

2. Доступностью молекул субстрата и кофермента.

3. Изменением каталитической активности молекулы фермента.

84

Принципы регуляции метаболических путейРегуляция количества молекул фермента

85

Основные способы регуляции активности

ферментов:

1. Аллостерическая регуляция.

2. Регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий.

3. Регуляция путём фосфорилирования/дефосфорилирования молекулы фермента.

4. Регуляция частичным (ограниченным) протеолизом.

86

Принципы регуляции метаболических путейРегуляция каталитической активности фермента

Схема, поясняющая работу аллостерического фермента

А – действие отрицательного эффектора (ингибитора):

Б – действие положительного эффектора (активатора). 87

88

Принципы регуляции метаболических путейРегуляция каталитической активности фермента

Принципы регуляции метаболических путейСхема положительной и отрицательной регуляции катаболизма

глюкозы

Молекула АТФ участвует в ретроингибировании аллостерических ферментов фосфофруктокиназы и пируваткиназы.

Фруктозо-1,6-бисфосфат –активатор метаболического пути распада глюкозы.

Плюсами отмечена активация, минусами –ингибирование ферментов.

89

Принципы регуляции метаболических путейАктивация ферментов в результате присоединения регуляторных

белков

Регуляция активности аденилатциклазы

Гормон (Г), взаимодействуя с рецептором (R) на поверхности клеток, приводит к уменьшению сродства ГТФ-связывающего белка (G-белка, состоящего из протомеров α, β, γ ) к ГТФ и увеличению сродства к ГТФ. Присоединение молекулы ГТФ к активному центру G-белка вызывает диссоциацию комплекса на субъединицы α-ГТФ и димерβγ. Комплекс α-ГТФ активирует аденилатциклазу, что способствует синтезу из АТФ внутриклеточных регуляторных молекул цАМФ.

АЦ – аденилатциклаза.

ПКА – протеинкиназа А.

Pi – Н3РО4.90

Принципы регуляции метаболических путей

Регуляция каталитической активности ферментов

ассоциацией/диссоциацией протомеров

91

Принципы регуляции метаболических путей

Регуляция каталитической активности ферментов путём

фосфорилирования/дефосфорилирования

92

Принципы регуляции метаболических путей

Регуляция каталитической активности ферментов частичным

(ограниченным) протеолизом

Под действием фермента кишечника энтеропептидазы происходит гидролиз пептидной связи Лиз-Иле.

В результате отщепления гексапептида с N-конца формируется активный центр в оставшейся части фермента

93

Применение ферментов в медицине

Изоформы лактат-дегидрогеназы

А – строение различных изоформ ЛДГ;

Б – распределение на электрофореграмме и относительные количества изоформ ЛДГ в различных органах;

В – содержание изоформ ЛДГ в плазме крови в норме и при патологии (электрофореграммы –слева и фотометрическое сканирование -справа).

94

Применение ферментов в медицине

Изменение активности ферментов в плазме крови при инфаркте миокарда

95