Материалы для урока на тему "Ферменты"

Ферменты. Механизм действия ферментов. Номенклатура и     классификация ферментов. Гидролазы, основные подклассы: гликозидазы, эстеразы,  пептидгидролазы. Каталитическое действие

План:

1. Ферменты,  понятие

2. Механизм действия ферментов

3. Номенклатура и классификация ферментов

4. Гидролазы

1.      Ферменты, понятие

Ферменты – это специализированные белки, образуются в клетках и способны ускорять химические процессы, т.е. это биологические катализаторы. Термин «фермент» произошел от лат. «fermentum» — закваска. В англоязычной литературе употребляется термин «энзим» от греч. «en zyme» – в закваске. Это отражает участие ферментов в брожении УВ.

Сходства ферментов и неорганических катализаторов:

- катализируют только энергетически возможные реакции;

- не изменяют равновесия в обратимых реакциях;

- не изменяют направление реакции;

- не расходуются в результате реакции.

Отличия между ферментами и неорганическими катализаторами (общие свойства ферментов):

- сложность строения;

- высокая мощность действия;

- специфичность;

- это вещества с регулируемой активностью;

- действуют в мягких условиях организма.

Любая химическая реакция происходит при столкновении молекул реагирующих веществ. Движение молекул реагирующих веществ в системе зависит от наличия свободной потенциальной энергии. Для протекания химической реакции необходимо, чтобы молекулы исходных веществ достигли переходного состояния, т.е. чтобы реагирующие молекулы имели достаточно энергии для преодоления энергетического барьера. Энергетический барьер – это минимальное количество энергии, необходимое для того, чтобы все молекулы стали реакционно-способными. Разность значений свободной энергии исходного продукта (субстрата) и энергии, которая потребуется для того, чтобы субстрат перешел в переходное состояние, соответствует свободной энергии активации. Скорость любой химической реакции пропорциональна концентрации молекул, находящихся в переходном состоянии.

Все катализаторы, в т.ч. ферменты понижают энергетический барьер реакции (снижают энергию активации), что делает возможным более быстрое протекание реакции.

2.      Механизм действия ферментов

Различают три стадии в механизме ферментативного катализа:

образование фермент-субстратного комплекса;

образование комплекса «фермент-продукт реакции»;

отщепление продуктов реакции от фермента.

Первая стадия фермент отличается от белка наличием АЦ  — участка, с помощью которого фермент соединяется с субстратом и ускоряет реакцию. Долгое время считали, что между ферментом и субстратом имеется точное соответствие («ключ к замку»). Однако сейчас принято считать, что АЦ фермента приспосабливается к субстрату в ходе реакции (теория вынужденного соответствия). В АЦ имеются якорные участки, за счет которых субстрат закрепляется. Каталитический участок АЦ ответственен за тип ускоряемой реакции

Вторая стадия – функционально-активные  группы АЦ фермента действуют на субстрат, дестабилизируя связи в нем, вызывая изменение конфигурации субстрата, поляризацию его молекулы, растяжение связей и т.д. Это приводит к химическому преобразованию субстрата (т.е. к протеканию реакции) и образованию продуктов реакции, которые некоторое время находятся в связи с ферментом

Третья стадия – от нее зависит скорость реакции. Происходит отделение фермента от продуктов реакции

3.      Номенклатура и классификация ферментов

Сначала ферментам давали произвольные  названия – пепсин, трипсин и т.п. Когда количество ферментов возросло, возникла необходимость классифицировать эти вещества. В 1896 году Дюкло предложил называть ферменты по субстрату, на который они действуют с прибавлением окончания –аза., например,  сахараза  и т.п. в последующем было отмечено, что ферменты могут действовать на одно вещество, но ускорять разные реакции.  Поэтому в 1961  году на Международном Биохимическом съезде была  принята классификация ферментов, которая используется по настоящее время. Несмотря на многочисленность ферментов, все реакции, ускоряемые ими можно разделить на 6 типов. В связи с этим различают 6 классов ферментов:

Оксидоредуктазы – ускоряют ОВР;

Трансферазы – ускоряют перенос различных групп атомов с одного вещества на другое;

Гидролазы – ускоряют расщепление сложных веществ до простых с участием воды (т.е. путем гидролиза);

Лиазы – ускоряют реакции распада веществ без участия воды или способствуют присоединению групп атомов по месту разрыва двойных связей;

Изомеразы – ведут реакции изомеризации;

Лигазы, или синтетазы – ускоряют синтез веществ за счет соединения молекул между собой.

Номенклатура ферментов.

Каждый класс делится на подкласс, подкласс делится на подподкласс, в  каждом подподклассе обозначен  порядковый номер представителя. Поэтому для каждого фермента существует шифр, состоящий из 4 цифр – первая показывает номер класса, вторая – номер подкласса, третья – номер подподкласса, четвертая – место фермента в подподклассе. Например, шифр для липазы поджелудочной железы – 3.1.1.3., это означает, что липаза п/ж относится к гидролазам, (третий класс, т.е. ускоряет гидролиз), к первому подклассу – эстеразам (т.е. ускоряет гидролиз сложно-эфирных связей), к первому подподклассу (т.е. ускоряет гидролиз сложно-эфирных связей, образованных карбоновыми кислотами), место в подподклассе – третье.

4) Гидролазы

Гидролазы — ферменты, широко распространенные в природе, встречаются в клетках и пищеварительных соках. Почти все гидролазы ЖКТ однокомпонентные ферменты. В клетках гидролазы находятся в особых органеллах – лизосомах и потому называются лизосомальными ферментами. Лизосомальные ферменты выполняют защитную роль: под их влиянием чужеродные вещества, поступившие в клетку, а затем в лизосомы, подвергаются расщеплению. Расщепляются также вещества, неиспользованные организмом, поэтому лизосомальные ферменты называют клеточными санитарами. При инфекционных заболеваниях, при воспалительных процессах, уменьшении рН, гипоксии мембраны лизосом становятся проницаемыми и гидролазы могут выходить из них, начиная переваривать собственную клетку, вызывая аутолиз клетки. Поэтому лизосомы называют клеточными самоубийцами.

Классификация гидролаз  Класс гидролаз включает ферменты, ускоряющие гидролитические реакции сложных эфиров (3.1), гликозидов (3.2), простых эфиров (3.3), пептидов (3.4), других С-N связей (3.5), ангидридов кислот (3.6).

Эстеразы, общая характеристика, представители

Подкласс эстераз включает ферменты, которые расщепляют сложноэфирные связи, образованные спиртом и различными кислотами. Первый подподкласс — липазы — расщепляют эфирную связь, образованную карбоновыми кислотами, т.е. способствуют отщеплению карбоновых кислот от субстратов. Субстратами для этих ферментов являются нейтральные липиды и ФЛ. Представители: 1) липаза желудочного сока. Фермент малоактивен у взрослых, активен у детей раннего возраста. Это связано с оптимумом рН, который для этого фермента составляет от 4,0 до 5,0. рН среды желудка в раннем детском возрасте соответствует опт. рН этого фермента. Во взрослом организме рН желудочного сока от 1,5 до 2,0, поэтому липаза желудочного сока у них неактивна. Липаза жел. сока расщепляет только эмульгированные жиры молока. 2) липаза поджелудочной железы вырабатывается в неактивном состоянии, активируется желчными кислотами и их солями. Липазы желудочного и поджелудочного соков ускоряют реакции гидролиза ТАГов. 3) липаза кишечного сока образуется в небольших количествах в активном виде, ускоряет гидролиз b-МАГов. Второй подподкласс — фосфоэстеразы, или фосфатазы – расщепляют фосфомоноэфирную связь. Субстратами для этих ферментов являются эфиры фосфорной кислоты. Представители. 1) глюкозо-6-фосфатаза  2). АТФаза. Кроме фосфатаз также имеются фосфодиэстеразы, которые расщепляют фосфодиэфирную связь в полинуклеотидах. К ним относятся ДНК-азы, РНК-азы, ФДЭ циклических нуклеотидов.

Гликозидазы, общая характеристика, представители гликозидазы ведут гидролиз гликозидных связей, действуя на полисахариды и дисахариды. Представители. 1) амилаза. В организме человека имеется a- и g-амилаза. a-амилаза содержится в слюне, поджелудочном соке, в клетках соединительной ткани. Субстратами a-амилазы являются крахмал и гликоген, фермент расщепляет их до мальтозы. Под действием g-амилазы, которая находится только в печени, гликоген расщепляется до глюкозы, 2) мальтаза встречается в клетках и кишечном соке. Фермент расщепляет мальтозу до 2 глюкоз.  3) лактаза находится в клетках грудной железы, кишечном соке. Расщепляет лактозу до b-галактозы и глюкозы 3) сахараза находится в кишечном соке, расщепляет сахарозу до глюкозы и фруктозы. Гликозидаз НЕТ в желудочном соке.

Пептидгидролазы, или пептидазы общая характеристика, представители ведут гидролиз пептидных связей. А) эндопептидазы – ведут гидролиз белков до полипептидов, разрывая пептидную связь внутри белка.

Представители:

1) Пепсин — выделяется главными клетками желудка в неактивном состоянии в виде пепсиногена. Под действием соляной кислоты и в результате аутокатализа (под действием пепсина) с N-конца пепсиногена отщепляется 42 аминокислотных остатка в виде пептидов и пепсиноген (363 аминокислотных остатка) превращается в пепсин (321 аминокислотных остатков). Оптимум рН пепсина от 1,5 до 2,0, что соответствует рН желудочного сока взрослого организма. Пепсин ускоряет гидролиз белков до ПП, быстро гидролизует пептидные связи, образованные ароматическими аминокислотами (три, фен, тир) В желудочном соке детей имеется фермент реннин, который в присутствии кальция превращает казеин молока в нерастворимый казеинат кальция (створаживание молока). Это задерживает молоко на время для переваривания.

2) трипсин образуется в поджелудочной железе в виде трипсиногена и  активируется при помощи энтеропептидазы и путем аутокатализа (при действии самого трипсина). Энтеропептидаза отщепляет концевой гексапептид от трипсиногена в кишечнике, превращая трипсиноген в трипсин оптимум рН трипсина от 8 до 9, что соответствует рН кишечника. Концевой гексапептид  трипсина  не дает сформироваться АЦ, а когда гексапептид удаляется, то формируется АЦ и трипсин становится активным). Трипсин гидролизует пептидные связи, образованные диаминомонокарбоновыми аминокислотами – арг и лиз. Трипсин активирует все другие протеазы.

3) химотрипсин образуется в поджелудочной железе в виде химотрипсиногена (245 аминокислотных остатков) и активируется при помощи трипсина, который последовательно отщепляет концевые дипептиды от химотрипсиногена в кишечнике, превращая химотрипсиноген в химотрипсины различной степени активности. Оптимум рН химотрипсинов от 8 до 9.

4) катепсины – это ферменты, которые проявляют свое действие в кислой среде (оптимум рН катепсинов от 3 до 5). Различают катепсины А, В, С, D, E, которые отличаются оптимумом рН В здоровых клетках катепсины неактивны, активируются при воспалении или при гибели организма. Под действием катепсинов происходит распад белков. Этим объясняется разложение трупа.

Б) экзопептидазы ведут гидролиз пептидных связей, расположенных на концах полипептидов до аминокислот. Представители. 1) карбоксипептидазы А и В – это сложные ферменты, в составе кофермента имеется цинк. Образуются в поджелудочной железе в виде прокарбоксипептидаз и активируются под действием трипсина, который отщепляет концевой полипептид, превращая их в карбоксипептидазы. Карбоксипептидаза А отщепляет аминокислоты с С конца пептидов, содержащих ароматические и алифатические боковые цепи. Карбоксипептидаза В отщепляет арг и лиз с «С» конца полипептидов показать на доске схематично, уметь писать формулы пептидов и показать их гидролиз формулами. 2) аминопептидаза содержится в клетках и кишечном соке, отщепляет аминокислоты с N конца полипептида полипептида показать на доске схематично. В) дипептидазы и трипептидазы расщепляют ди- и трипептиды показать на доске как действует дипептидаза.

Применение гидрола: 1) в диагностике пример – альфа-амилаза повышается при остром панкреатите, 2) в лечении – а) заместительная терапия, например, фестал – смесь гидролаз, используется при гастритах и панкреатитах, б) для растворения тромбов при тромбофлебитах и ИМ, в) для рассасывания гематом, г) для рассасывания воспалительного экссудата, например при плеврите, д) в стоматологии при парадонтозе,  д) в онкологии – некоторые гидролазы расщепляют адгезивные молекулы, тем самым уменьшают возможность метастазирования, например, препарат «вобэнзим» в) при ожогах для очистки раневой поверхности, 3) в промышленности – в сыроварении, в кожевенной и меховой промышленности, хлебопечении и др.