Строение и механизм действия ферментов презентация

Строение
Ферменты – это биокатализаторы, преимущественно белковой природы и некоторые РНК, которые принимают участие в химических реакциях в организме.
E + S E + P
Е – фермент,
S – субстрат,
Р – продукт.
Реакция, катализируемая ферментом

ферменты
Простые
Представлены только аминокислотной последовательностью
Сложные
(холофермент)
Состоят из аминокислотной последовательности и небелковой части
Апофермент
(белковая часть)
Небелковая часть
кофактор
кофермент
простетическая
группа

Небелковая часть
Кофактор
Неорганическое вещество, как правило Mg2+, Mn2+, Ca2+, Co2+ и др. В состав фермента не входит, взаимодействует или с регуляторным центром или с субстратом. Непосредственного участия в реакции не принимает.
Кофермент
Органическое вещество, как правило производное витамина (НАД, тиамин и др.). Входит в состав фермента, связан с ним слабой ковалентной связью. Принимает непосредственное участие в реакции.
Простетическая группа
Органическое вещество, производное флавина (ФАД). Входит в состав фермента, ковалентно с ним связано. За пределы фермента не выходит. Принимает непосредственное участие в реакции.

ферменты
мономеры
Состоят из одной полипептидной цепи
полимеры
Состоят из нескольких аминокислотной последовательностей
Гомополимеры
Несколько одинаковых
полипептидных цепей
Гетерополимеры
Несколько разных
полипептидных цепей

Структурно-функциональная организация
фермент
Простой
В составе имеется только активный центр
Аллостерический
в составе имеется активный цент и аллостерической (регуляторный) центр

Строение простого фермента
Активный центр – комбинация аминокислот, связывающаяся с субстратом и осуществляющая катализ. В состав активного центра входят 12-16 аминокислот в разном сочетании.

Активный центр фермента
Участок связывания
Каталитический участок
Обеспечивает субстратную специфичность (выбор субстрата)
абсолютная субстратная специфичность
групповая субстратная специфичность
стереоспецифичность
Специфичность пути превращения
Обеспечивает выбор пути химического превращения данного субстрата

Строение аллостерического фермента
Аллостерический центр – центр регуляции активности фермента, удаленный от активного центра и не участвующий в катализе.

Молекулярные формы ферметов
Изоформы – формы ферментов, катализирующие одну реакцию. Сходные по строению, кодирующиеся одним геном (пример, креатинкиназа (КК)).
Изоферменты – формы ферментов, катализирующие одну реакцию. Сходны по строению, но кодирующиеся разными генами (пример, лактатдегидрогеназа (ЛДГ)).
Ген-Н
Ген-М
Н
М
+
Ген-Х
Х
КК1
КК2

Мультиферментный комплекс
В состав входит несколько отдельных ферментов последовательно катализирующих превращение субстрата в продукт. Расположение ферментов в комплексе строго регламентировано, поскольку продукт катализа одного фермента является субстратом для другого фермента.

Механизм катализа

Механизм
катализа
I. E + S → ES
II. ES → ES’
III. ES’ → EP
IV. EP → E + P
Е – фермент,
S – субстрат,
Р – продукт.
молекула субстрата
молекула фермента
продукты реакции
неизмененная
молекула фермента
I.
II.
III/IV.

Механизм катализа
(по типу взаимодействия)
Кислотно-основный
В активном центре фермента находятся специфические аминокислоты, являющиеся донорами или акцепторами электронов.
доноры:
-СООН
-NH3+
-SH
акцепторы:
-СОО-
-NH2
-S-
Ковалентный
Фермента и субстрат образуют ковалентные связи с нестабильными продуктами, приводящие к внутримолекулярным перестройкам. Образуются слабые ковалентные связи – дисульфидные мостики (-S-S-)

Типы реакций, катализируемые ферментами
«Пин-понг» – в ходе реакции сначала фермент взаимодействует с субстратом Sa, забирая у него группу, а потом взаимодействует с субстратом Sb, отдавая ему группу от субстрата Sa.

Типы реакций, катализируемые ферментами
«Последовательная» – в ходе реакции фермент образует фермент-субстратный комплекс с субстратом Sa, затем образуется сложный фермент-субстратный комплекс путем присоединения к нему субстрата Sb. После этого происходит образование продуктов реакции, которые отсоединяются от фермент-субстратного комплекса строго в том порядке, каком они присоединялись.

Типы реакций, катализируемые ферментами
«Произвольная» – в ходе реакции фермент образует фермент-субстратный комплекс с субстратом Sa или субстратом Sb, затем образуется сложный фермент-субстратный комплекс путем присоединения к нему другого субстрата, Sa или Sb. После этого происходит образование продуктов реакции, которые отсоединяются от фермент-субстратного комплекса в произвольном порядке.

СПЕЦИФИЧНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ –
групповая (относительная)
ферменты действуют
на группы субстратов, имеющих общий тип строения (алкогольдегидрогеназа) или на один тип связи (эстераза, большинство протеолитических ферментов).
абсолютная
ферменты действуют только на один субстрат (уреаза, аргеназа).
стереохимическая
фермент выбирает один из пространственных изомеров субстрата (α-мальтаза).
наиболее важное свойство ферментов, определяющее их биологическую значимость.
субстратная специфичность
каталитическая специфичность
(специфичность превращения
субтрата)
фермент катализирует превращение присоединенного субстрата по одному из возможных путей его превращения (глюкозо-6-фосфат – субстрат 4 различных ферментов: фосфоглюкомутазы, глюкозо-6-фосфатфосфатазы, фосфоглюкоизомеразы и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы.

Механизм специфичности
Теория Э.Фишера, 1894 г. – «ключ-замок»
Специфичность действия фермента определяется строгим соответствием геометрической структуры субстрата и активного центра фермента

Механизма специфичности
Теория Д.Кошланда, 1950 г. –
индуцированного соответствия субстрата и фермента, «рука-перчатка»
В субстрате деформируются некоторые валентные связи и он подготавливается к дальнейшему каталитическому видоизменению, а в молекуле фермента происходят конформационные перестройки. Гипотеза Кошланда, основанная на допущении гибкости активного центра фермента, удовлетворительно объясняла активирование и ингибирование действия ферментов и регуляцию их активности при воздействии различных факторов

Механизм катализа аллостерических ферментов
Гомотропный – данный механизм наблюдается когда эффектор и субстрат вещества одного типа. Например, оба являются углеводами.
Гетеротропный – данный механизм наблюдается когда эффектор и субстрат вещества разного типа. Например, субстрат является углеводом, а эффектор – неорганическое вещество (катион металла).
Помимо этого, в каждом варианте возможна активация или ингибирование фермента в присутствии эффектора. В случае активации фермента эффектором наблюдается положительная регуляция, и, наоборот, отрицательная если субстрат снижает скорость работы фермента.

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

Свободная энергия системы
Ход реакции
Исходное состояние
Конечное состояние
Энергия активации катализируемой реакции
Энергия активации некатализируемой реакции
S
P
S*
ES*
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАРЬЕР РЕАКЦИИ – количество энергии, которое необходимо молекуле, чтобы вступить в химическую реакцию.
ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ - количество энергии, которое необходимо сообщить молекуле для преодоления энергетического барьера.
Снижение энергетического барьера реакции, основа ферментативного катализа, приводящая к ускорению самой реакции за счет увеличения числа молекул, способных его преодолеть.

Активность ферментов
Активность фермента – это процесс преобразования субстрата в продукт, но при том необходимо учитывать такие факторы как время, количество фермента и субстрат.
Активность фермента =
Количество S или P (моль)
Время (мин) ∙ Масса (кг) или Объем пробы (литр)