Ферменти: визначення; властивості ферментів як біологічних каталізаторів.

Ферменти (ензими) - біологічні каталізатори білкової природи, які синтезуються в клітинах живих організмів і забезпечують необхідні швидкість і координацію біохімічних реакцій, що становлять обмін речовин (метаболізм). Властивості ферментів ферменти значно підвищують швидкість перебігу біохімічних реакцій, але не входять до складу кінцевих продуктів реакції; ферменти забезпечують перебіг лише тих біохімічних реакцій, які можливі згідно з законами термодинаміки; ферменти прискорюють швидкість як прямої, так і зворотної реакції перетворення субстрату, не змінюючи константи рівноваги (Кр) реакції та зменшуючи термін часу до досягнення стану рівноваги (або стаціонарного стану у відкритій метаболічній системі); протягом реакції фермент певним чином взаємодіє із субстратом, що перетворюється, але до складу кінцевих продуктів реакції не входить. Під час перебігу біохімічної реакції, що каталізується, відбувається циклічний процес, в ході якого фермент та субстрат підлягають ступінчастому перетворенню з утворенням продукту реакції та регенерацією ферменту; ферменти є високоспецифічними каталізаторами, тобто діють, як правило, на структурно близькі субстрати, що мають певний хімічний зв’язок, структурно подібні радикали або функціональні групи. Проявом високої специфічності ферментів є їх стереоспецифічність, тобто здатність перетворювати тільки певні стереоізомери, наприклад L- або L- амінокислоти, D- або L-моносахариди; відповідно до білкової природи, каталітична активність ферментів дуже чутлива до змін фізико- хімічних властивостей середовища (рН, температури), які можуть впливати на структурну організацію молекул ферментів, спричиняючи в певних умовах їх денатурацію; активність ферментів може суттєво змінюватися під впливом певних хімічних сполук, що збільшують (активатори) або зменшують (інгібітори) швидкість реакції, яка каталізується.

2. Класифікація та номенклатура ферментів, характеристика окремих класів ферментів.

Класифікація ферментів Ферменти поділяють на класи згідно з типом реакції, яку вони каталізують; класи ферментів поділяють на підкласи, а останні - на підпідкласи, у складі яких кожному ферменту відповідає певний номер. 1-й клас. Оксидоредуктази - ферменти, що каталізують окислювально-відновлювальні реакції різних типів. До оксидоредуктаз належать дегідрогенази - ферменти, що каталізують реакції дегідрування; оксидази та оксигенази, що окислюють субстрати шляхом приєднання кисню; цитохроми - переносники електронів тощо. 2-й клас. Трансферази - ферменти, що каталізують реакції міжмолекулярного переносу хімічних груп. Трансферази поділяють на амінотрансферази, метилтрансферази, ацил-трансферази, фосфотрансферази, глікозилтрансферази — ферменти, що переносять амінні, метальні, ацильні, фосфатні, глікозильні групи відповідно. До трансфераз належать також кінази, зокрема протеїнкінази - ферменти, що каталізують фосфорилування субстратів та інших білків за рахунок фосфатного залишку АТФ. 3- й клас. Гідролази - ферменти, що каталізують реакції гідролізу, тобто розщеплення субстратів за участю молекули води. Гідролази здатні розщеплювати складноефірні, пептидні, глікозидні та інші зв’язки - естерази, пептидази та протеази, глікозидази. 4-й клас. Ліази

- ферменти, що каталізують реакції розщеплення ковалентних зв’язків між атомами С, О, N, S негідролітичним шляхом. До ліаз належать декарбоксилази - ферменти, що відщеплюють від органічних кислот карбоксильну групу у вигляді С02; альдолази, що розщеплюють вуглець-вуглецеві зв’язки з утворенням альдегідів; дегідратази, які відщеплюють від субстратів молекулу води з утворенням подвійного зв’язку. 5-й клас. Ізомерази - ферменти, що каталізують реакції ізомеризації субстратів (рацемізації, епімеризації, внутрішньомолекулярної оксидоредукції тощо) - рацемази, епімерази тощо. 6-й клас. Лігази (синтетази) - ферменти, що каталізують реакції синтезу біомолекул, тобто утворення нових хімічних зв’язків за рахунок енергії АТФ. Код ферменту (за систематичною класифікацією ферментів - КФ) складається з чотирьох цифр, що позначають: клас - підклас - підпідклас - порядковий номер ферменту в підпідкласі.

3. Будова та механізми дії ферментів. Активний та алостеричний (регуляторний) центр.

Більшість ферментів має чотири рівні структурної організації (первинну, вторинну, третинну і четвертинну), тобто є олігомерними білками, що складаються із протомерів. Кожна із субодиниць або окремі їх частини відіграють певну роль у процесі функціонування ферменту. Прості (однокомпонентні) ферменти здійснюють ферментативне перетворення субстрату з участю власне білкової молекули. Безпосередню участь у реакції бере не весь поліпептидний ланцюг ферменту, а тільки незначна його частина, що близько прилягає до субстрату. У ферментативну реакцію включається тільки декілька залишків амінокислот. Ці залишки можуть розташовуватися в поліпептидному ланцюзі як поруч, так і далеко один від одного, але просторово вони повинні бути досить зближені. Та частина молекули ферменту, яка з'єднується із субстратом, називається активним центром ферменту. Активний центр відповідає за специфічну спорідненість ферменту із субстратом, утворення ферменто-субстратного комплексу і каталітичне перетворення субстрату. В

активному центрі ферменту умовно розрізняють так звану каталітичну ділянку, де відбувається каталітичне перетворення субстрату, і контактну, або якірну ділянку, що зв'язує фермент із субстратом. За утворення активного центру ферменту, як і за його каталітичну дію, відповідає третинна структура білкової молекули. Отже, при порушенні третинної структури (денатурація) роз'єднуються просторово поєднані амінокислотні залишки і, як наслідок, фермент втрачає активність. У складі активного центру простого ферменту знаходиться приблизно 15 залишків амінокислот. Активний центр утворюють залишки таких амінокислот, як серин, цистеїн, гістидин, тирозин, лізин та деякі інші, що надають ферменту як просторової, так і електричної спорідненості із субстратом. В утворенні тимчасового комплексу між ферментом і субстратом важлива роль належить дисульфідним, іонним, а також слабким зв'язкам (водневі зв'язки, гідрофобна взаємодія). В утворенні активних центрів беруть участь також кофактори даного ферменту: простетичні групи, іони металів. Активний центр складних (двокомпонентних) ферментів містить у своєму складі як кофермент, так і ту частину апоферменту, що просторово прилягає до нього. Кофермент при цьому може відповідати за утворення зв'язку із субстратом, формування третинної або четвертинної структури апоферменту і каталітичне перетворення субстрату. Ферменти можуть мати 1, 2, 3 і більше активних центрів, що залежить від кількості протомерів (субодиниць), які входять у його структуру. Крім активних центрів, у ферментах можуть бути ще так звані алостеричні центри (від грец. алос — інший, другий; стереос — просторовий, структурний). Алостеричні центри служать місцем впливу на фермент різних регуляторних чинників, тому їх ще називають регуляторними центрами, а речовини, що взаємодіють з алостеричним центром, отримали назву ефекторів. Приєднання до алостеричного центру ефектора призводить до певних структурних змін в активному центрі та, як наслідок, пригнічення або підвищення активності ферменту. Ефекторами можуть служити продукти ферментативних реакцій, гормони, медіатори нервової системи, метали. Алостеричних центрів (як і активних) фермент може мати декілька, відповідно до кількості протомерів. Важливо зазначити, що алостеричні й активні центри у ферментах просторово відокремлені, тобто знаходяться один від одного на певній відстані. Механізми дії ферментів Ферменти збільшують швидкості біохімічних реакцій, які вони каталізують, у 108-1020 разів; при відсутності ферменту будь-яка метаболічна реакція практично не відбувається. Відомо, що константа швидкості хімічної реакції залежить від її енергії активації та температури, що виражається рівнянням Арреніуса в експоненційній формі: k = Ае-∆Е/RT. Під енергією активації (∆Е в рівнянні Арреніуса) в хімічній термодинаміці розуміють додаткову енергію, необхідну для переходу молекул (субстратів S) у перехідний (активований) стан (S*), який передує їх перетворенню в продукти реакції. Згідно з цим, експоненційний член рівняння е-∆Е/RT (фактор Больцмана) - частка молекул у системі, які мають енергію, достатню для хімічного перетворення. Оскільки всі метаболічні процеси в живих організмах перебігають в ізотермічних умовах, каталітична дія ферментів реалізується за рахунок зниження енергії активації (∆Е) біохімічної реакції, що збільшує фактор Больцмана і, відповідно, константу швидкості реакції на декілька порядків.

4. Кофактори та коферменти. Будова та властивості коферментів, вітаміни як попередники в біосинтезі коферментів. Кофактори та коферменти Кофактори. Багато ферментів потребують для реалізації своєї каталітичної активності наявності певних низькомолекулярних небілкових сполук кофакторів. Роль кофакторів можуть відігравати біоорганічні сполуки різної хімічної природи або іони металів (Mg2+, Ca2+, Fe3+, Fe2+, Cu2+, Cuj+ та ін.). Іони металів зв'язані з апоферментом або входять до складу небілкової простетичної групи - найчастіше порфіринового кільця гемінових ферментів (цитохромів, пероксидаз, каталази). Ферменти, які міцно зв'язані з іонами металів і не втрачають цього зв'язку за умов виділення та фракціонування ферменту, назваються металоферментами. У деяких випадках іони металів не входять до складу ферментів як інтегральні структурні компоненти, а виконують лише функцію їх активаторів. Коферменти (коензими) — біоорганічні сполуки небілкової природи, що є необхідними для дії ферменту, тобто перетворення субстрату в каталітичному акті. Коферменти можуть сполучатися з білковою частиною (апоферментом) нековалентними фізико-хімічними або ковалентними зв'язками (в останньому випадку вони є простетичними групами ферментного білка - флавінові коферменти, піридоксаль-фосфат, ліпоєва кислота тощо); інколи коферменти утворюють комплекси з апоферментом лише в ході каталітичного процесу (НАД, НАДФ). За хімічною природою коферменти підрозділяють на: - похідні вітамінів, зокрема: вітаміну В, - тіаміндифосфат; вітаміну В2 - флавінмононуклеотид (ФМН); вітаміну В6 - піридоксальфосфат, піридоксамінфосфат; пантотенової кислоти - коензим А; вітаміну В12 - метилкобаламін, дезоксиаденозилкобаламін; вітаміну Н (біотину) - карбоксибіотин; фолієвої кислоти - тетрагідрофолієва кислота; - динуклеотиди (похідні нікотинаміду - НАД, НАДФ; похідна рибофлавіну - ФАД); - нуклеотиди - похідні пуринів та піримідинів (АТФ, АДФ, ЦТФ, ЦДФ, УТФ, УДФ); - комплекси порфіринів з іонами металів.

5. Коферменти: типи реакцій, які каталізують окремі класи коферментів. (стор 92)

За типом реакції,яку каталізують коферменти,їх поділяють на: 1)Коферменти,що є переносниками атомів водню та електронів 2)Коферменти,що є перенесониками різних хімічних груп

3)Коферменти синтезу,ізомеризації та розщеплення вуглець-вуглецевих зв*язків