Задания для самостоятельного изучения

1. История открытия витаминов.

2. Характеристика жирорастворимых витаминов:

- витамин А;

- витамин Д;

- витамин Е;

- витамин К.

3. Характеристика водорастворимых витаминов:

- витамины группы В;

- витамин С;

- фолиевая кислота;

- коферментная функция витаминов.

Тема «ФЕРМЕНТЫ»

Ферменты – биологические катализаторы белковой природы, способные во много раз ускорять химические реакции. Ферменты заслуженно считают «истинными двигателями всех жизненных процессов» (И. П. Павлов).

В настоящее время из биологических объектов выделено и изучено несколько сотен ферментов. Например, в бактериальной клетке их число составляет 2000–3000.

В отличие от неорганических катализаторов, ферменты имеют следующие особенности:

· эффективность их действия на несколько порядков выше, чем не биологических катализаторов;

· действие их высокоспецифично;

· они катализируют реакции в мягких условиях.

Ферменты, выделенные из организма, не утрачивают свои каталитические свойства. На этом основано их применение в химической, пищевой, легкой, фармацевтической промышленности.

Ферменты могут быть как однокомпонентными (протеинами), так и двухкомпонентными. Простые (однокомпонентные) в своем составе содержат только белок. Примерами простых ферментов являются трипсин и химотрипсин. Двухкомпонентные ферменты состоят из белковой части и небелковой – кофактора. Оба компонента в отдельности лишены ферментативной активности. В качестве кофактора (кофермента) могут выступать ионы металлов, витамины, нуклеотиды. В большинстве своем ферменты являются глобулярными белками и акт катализа совершается на определенном участке белковой глобулы, называемом активным центром фермента.

К сложным (друхкомпонентным) ферментам относятся пиридоксальфермент, уреаза, каталаза и многие другие. Характерной особенностью сложных ферментов является то, что ни кофермент, ни белковая часть по отдельности не обладают каталитической активностью. Только их комплекс проявляет каталитическую активность.

В простых ферментах биокаталитическую функцию выполняет часть белковой молекулы, называемая активным центром. Активный центр представляет собой уникальное сочетание аминокислотных радикалов. Чаще всего в активных центрах встречаются остатки аминокислот цистеина, аргинина, серина, гистидина, аспарагиновой, глутаминовой кислот, тирозина. Аминокислотные остатки, образующие активный центр, располагаются в разных точках единой полипептидной цепи. Поэтому активный центр возникает, когда белковая молекула приобретает присущую ей третичную структуру.

Частью активного центра фермента является особый участок – субстратный центр, ответственный за присоединение субстрата, подвергающегося ферментативному превращению. Во многих случаях прикрепление субстрата к ферменту идет за счет взаимодействия с аминогруппой лизина, расположенного в активном центре. Эту же роль выполняет карбоксильная группа радикала глутаминовой кислоты и сульфгидрильная группа радикала цистеина.

Другой участок активного центра, выполняющий собственно каталитическую функцию, называется каталитическим центром.

Кроме активного центра различают аллостерический центр. Аллостерический центр – участок молекулы фермента, присоединение к которому определенного низкомолекулярного вещества изменяет третичную структуру белковой молекулы. В результате чего меняется конфигурация активного центра фермента и он теряет свою активность. Это явление лежит в основе аллостерической регуляции каталитической активности ферментов.

Ферменты играют важную роль в регуляции клеточного обмена веществ. Регуляция ферментативной активности осуществляется под действием температуры, рН среды, концентрации субстрата, специфических активаторов или ингибиторов. Особую роль в регуляции обменных процессов играют регуляторные ферменты, к которым относятся: а) аллостерические ферменты, активность которых изменяется с помощью нековалентно связываемых аллостерических модуляторов; б) ферменты, изменяющие свою активность путем ковалентной химической модификации. Существенное значение для регуляции клеточных процессов имеют изменения концентрации ферментов в результате стимулирования или подавления их биосинтеза или изменением скорости деградации.

Важнейшая функция ферментов в акте катализа – это снижение энергии активации, необходимой для протекания химической реакции, что связано с образованием фермент–субстратного комплекса и его переходом в активное состояние. В молекуле фермента электрофильные и нуклеофильные группы активного центра оказывают сильное поляризующее действие на группы субстрата, что и является причиной снижения энергии активации в акте катализа.

Ферментативные реакции подчиняются общим принципам химической кинетики. Однако у этих реакций имеется отличительная особенность, оказывающая существенное влияние на кинетические закономерности действия ферментов – образование комплекса фермент-субстрат. Скорость ферментативной реакции зависит от химической природы субстрата и условий взаимодействия с ним фермента (температуры, рН, сопутствующих веществ), от концентрации фермента и субстрата. В замкнутой системе при полном насыщении фермента субстратом в начальный период химическая реакция проходит через стадию нулевого порядка, а затем, по мере снижения концентрации субстрата, – через стадии дробного и первого порядков.

Важнейшими кинетическими характеристиками ферментов являются константы Михаэлиса К_м и максимальная скорость реакции V_max. Константа К_м представляет собой концентрацию субстрата, при которой скорость реакции составляет половину максимальной, ее размерность – моль∙л^-1. Она является мерой сродства фермента к субстрату: чем меньше К_м, тем выше это сродство. Константа К_м выражает эффективность действия фермента.

Свойства ферментов

Будучи белками, ферменты обладают всеми их свойствами. В то же время ферменты обладают рядом специфических качеств, вытекающих из их белковой природы. Эти качества отличают ферменты от обычных катализаторов. К ним относятся: термолабильность, зависимость от рН-среды, специфичность и подверженность влиянию активаторов и ингибиторов.

1. Термолабильность ферментов объясняется тем, что температура, с одной стороны, воздействует на белковую часть фермента, приводя ее к денатурации при высоких температурах, а с другой стороны, оказывает влияние на скорость образования фермент-субстратного комплекса и все последующие процессы, приводящие к увеличению скорости реакции. Температура, при которой каталитическая активность фермента максимальная, называют его температурным оптимумом. Как правило, для ферментов животного происхождения температурный оптимум лежит в интервале 40– 50^о С, а растительного – 50– 60 ^о С.

2. Для каждого фермента существует оптимальное значение рН среды – рН – оптимум, при котором фермент проявляет максимальную активность. Большинство ферментов максимально активны в нейтральной среде. В сильнокислой или сильнощелочной среде хорошо работают лишь некоторые ферменты. Влияние концентрации ионов Н⁺ на каталитическую активность ферментов состоит в воздействии их на активный центр. При разных значениях рН активный центр может быть в большей или меньшей степени ионизирован, экранирован соседними фрагментами полипептидной цепи белковой части фермента. Кроме того показатель рН влияет на степень ионизации субстрата, фермент – субстратного комплекса и продуктов реакции.

3. Специфичность – одно из наиболее важных свойств ферментов – избирательно действовать на субстрат и определять путь его превращения.

Специфичность ферментов объясняется динамическим соответствием пространственных конфигураций субстрата и субстратного центра фермента в процессе их взаимодействия.

 Для ферментов характерна абсолютная (ускоряют только одну реакцию), относительная (групповая) (осуществляют катализ реакций определенноготипа независимо от индивидуальной природы реагирующих веществ) и стереохимическая (фермент действует только на один пространственный изомер)  специфичность.

4. На активность фермента большое влияние оказывают активаторы – химические соединения, повышающие действие ферментов, и ингибиторы – специфические химические соединения, подавляющие их активность.

К числу активаторов, повышающих активность ферментов, относятся ионы многих металлов (Mg²⁺, Mn²⁺, Zn^2+,K⁺) и некоторые анионы (Cl^-).

 Процесс ингибирования может быть обратимым и необратимым. Механизмы ингибирующего действия могут быть различны, но в большинстве случаев сводятся к двум видам  конкурентному, неконкурентному. При конкурентном ингибировании, ингибитор, обладающий структурным сходством с субстратом, соединяется с ферментом, подменяя субстрат, конкурируя с ним. Поскольку часть фермента расходуется на образования комплекса фермент – ингибитор, количество образующегося фермент – субстратного комплекса снижается. Примером конкурентного ингибирования является ингибирование действия фермента сукцинатдегидрогеназы избытком щавелевоуксусной кислоты в цикле Кребса.

При неконкурентном ингибировании ингибитор не похож на субстрат и взаимодействует с ферментным белком или простетической группой, в результате чего фермент теряет активность.

Классификация ферментов осуществлена по типам реакций, которые они катализируют. Согласно этому принципу все ферменты делят на шесть классов:

· оксидоредуктазы, катализирующие окислительно-восстановитель­ные реакции;

· трансферазы, переносящие различные химические группы от одного соединения к другому;

· гидролазы, расщепляющие субстраты с участием воды;

· лиазы – ферменты, осуществляющие реакции присоединения групп по двойным связям и обратные реакции;

· изомеразы – переводящие соединение в его изомер;

· лигазы – ферменты синтеза.