Глава 3. ФЕРМЕНТЫ
Ферментами или энзимами называют вещества белковой
природы, ускоряющие протекание химических реакций. Ферменты отличаются тремя
уникальными свойствами: 1) это самые эффективные из известных катализаторов; 2)
большинство ферментов отличаются специфичностью действия; 3) действие их
регулируется, т.е. они способны переходить от состояния с низкой активностью к
состоянию с высокой активностью и обратно.
Все ферменты относятся к глобулярным
белкам, причем каждый фермент выполняет специфическую функцию, связанную с
присущей ему структурой. Однако максимальная активность многих (но не всех)
ферментов зависит от участия небелковых соединений, называемых кофакторами.
Различают неорганические кофакторы (
например, Zn2+,
Mg2+,
Mn2+,
Fe2+,
Cu2+,
K+,
Na+)
и органические, которые обычно называют коферментами, (большая часть их
представляет собой витамины).
Молекулярный комплекс белка и кофактора
называют холоферментом; он обладает максимальной каталитической активностью.
Белковый компонент, лишенный кофактора, называется апоферментом, он обладает
очень низкой активностью, а часто вообще неактивен.
Тип сязи между кофактором и ферментом
может быть различным. В некоторых случаях они существуют отдельно и связываются
друг с другом только на время протекания реакции. В других случаях кофактор и
фермент связаны постоянно, иногда очень прочно, ковалентными связями.
Как
белковые вещества, ферменты термолабильны и теряют активность при температурах,
при которых происходит денатурация белка.
Для
каждого фермента существует оптимальная область значений рН, в которой он
наиболее активен.
Важным
свойством ферментов является их специфичность действия. Некоторые из них
обладают абсолютной специфичностью: каждый фермент катализирует единственную
реакцию, вследствие того, что топография активного центра такого фермента
соответствует топографии одного-единственного субстрата.
Многие ферменты обладают лишь
относительной специфичностью – они способны катализировать один
тип реакции с более чем одним структурно-подобным субстратом.
Хотя детальный механизм действия каждого
фермента уникален, все ферменты "работают" сходным образом: фермент Е
обратимо связывается с субстратом S с образованием промежуточного
фермент-субстратного комплекса ЕS, котрый затем распадается с образованием
продукта Р и свободного фермента Е в исходном виде:
Е+ S « Е
S ® Р + Е
Скорость
ферментативного процесса описывается уравнением Михаэлиса-Ментен, связывающего
концетрацию субстрата [S] с начальной скоростью V0 :
V0 = Vmax [S] / Km +
S
где Vmax – максимальная скорость; Km –
константа Михаэлиса; [S] – концентрация субстрата.
В большинстве случаев о количестве
ферментов судят по его активности.
Согласно Междурудной номенклатуре,
ферментативную активность выражают в каталах (сокращённо –кат). Один катал –
есть каталитическая активность способная осуществлять реакцию со скоростью,
равной 1 моль в секунду.
Также для выражения активности
используются единицы активности фермента (Е).. 1Е катализирует превращение
субстрата со скоростью 1мкмоль/мин при оптимальных условиях. 1Е =16,67 нкат.
Удельная
активность фермента выражается числом единиц Е на 1мг белка, концентрация
фермента в растворе – числом единиц Е на 1мл.
Удельную активность можно расчитать по
формуле:
Еуд = Емол
· 1000/ Мr
Где Еуд – удельная активность; Емол
– молярная (молекулярная) активность; Мr – относительная молярная масса фермента.
Молярная активность (или число оборотов)
выражается числом молей субстрата, реагирующего с 1 молем фермента за 1мин.
Все ферменты по типам катализируемых реакций
подразделяются на 6 классов:
оксиредуктазы
– катализируют окислительно-восстановительные реакции; трансферазы -
катализируют межмолекулярный перенос различных химических групп; гидролазы –
гидролитически расщепляют химические связи; лиазы – расщепляют связи способом,
отличным от гидролиза и окисления; изомеразы – ускоряют реакции
взаимопревращения различных изомеров; лигазы – катализируют реакции образования
связей в реакции конденсации двух различных соединений за счет энергии
гидролиза АТФ.
Каждый из названных классов, в свою
очередь, делится на подклассы и имеет свой шифр из четырехзначного числа.
Действие ферментов может усиливаться веществами,
которые называются активаторами ( соли, ионы металлов и др.); противоположное,
тормозящее влияние оказывают на ферменты ингибиторы. Действия большинства
лекарственных препаратов, инсектицидов и гербицидов основано на способности
ингибировать (затормаживать) работу клеточных ферментов (обычно какого-то
определенного).
Пример 1. В реакцию вступило 10-6 М
фермента, для которого характерно 6·105 с-1 оборотов.
Рассчитайте концентрацию образующегося продукта.
Решение: Под числом оборотов понимается число
молей субстрата, катализируемой 1 молем фермента.
Значит: 1 моль фермента катализирует
образование 6 · 105 моль продукта
10-6
------- х
х =
10-6 · 6·105/1= 6·10-1.
Ответ: 6·10-1 М.
Пример 2. Относительная молекулярная масса
пируваткарбоксилазы (Мr) 183 кДа. Рассчитайте молекулярную активность
фермента, если его удельная активность составляет 1,2·103Е.
Решение: Воспользуемся формулой:
Еуд = Емол. · 1000 /Мr
; Значит, Емол =1,2·103 · 1,83·105 / 1·103
= ~2,2·105.
Ответ: 2,2 · 105.
Пример:3. При какой концентрации субстрата
фермент для которого максимальная скорость превращения субстрата составляет 40
мкмоль/мин, а величина Км= 0,002М будет работать со скоростью равной
1/8 максимальной.
Решение: Воспользуемся формулой:
V0 = Vmax [S] / Km
+ S;
Согласно условию V0 = Vmax/8 = 40 мкмоль/мин /8 =
5мкмоль/мин.
Значит: 5мкмоль/мин = 40 мкмоль/мин · [S]/ 0,002М + [S].
[S] = ~ 2,8·10-4 моль.
Для закрепления темы предлагается решение
следующих задач:
1. При нагревании раствора содержащим
гексокиназу фермент постепенно утрачивает свою каталитическую активность .
Почему?
2. Ферментативная активность лизоцима
максимальна при рН=5,2 и уменьшается как при снижении, так и при повышения
этого количества рН. Объясните почему?
3.Печень крысы гомогенизировали, затем
фракционировали на субклеточные фракции путём дифференциального
центрифугирования.
Условия опыта
|
Субклеточные фракции
|
|
Ядерная
|
Митохонд-
риальная
|
Микро
сомная
|
Клеточ
ный сок
|
Количесво превращённого
субстрата (в мкмоль на пробу)
|
200
|
500
|
320
|
240
|
Время икубации фермента с
Субстратом (в мин)
|
5
|
15
|
10
|
8
|
Объём пробы (в мл)
|
0,5
|
1,0
|
2,0
|
0,4
|
Концентрация белка (в мг/мл)
|
2.5
|
3,2
|
0,8
|
0,8
|
В каждой фракции определяли активность
гистидазы – фермента, катализирующего отщепление аминогруппы от гистидина.
Условия для определения активности даны в таблице. Определите локализацию
гистидазы. Обоснуйте свой ответ. ( Гистидаза в основном локализована в
клеточном соке ).
В таблице представлены данные,
характеризующие зависимость ферментативной реакции (V) от
концентрации субстрата (S):
S, M
|
V, мкм/мин
|
1·10-6
|
20
|
2·10-5
|
32
|
1·10-4
|
39
|
1·10-3
|
40
|
Используя данные таблицы, нарисуйте график
зависимости скорости реакции от концентрации субстрата. Найдите приблизительные
значения Vmах
и Km. (Vmах =40 мкм/мин; Km = 1·10-6М).
Рассчитайте удельную активность фермента, если
за 30с 1 мг фермента катализирует (при оптимальных условиях) превращает 50
мкмоль пирувата. (мкмоль пирувата · мин-1· мг-1).
3. Сладкий вкус зерён в свежесобранных
початках кукурузы обусловлен высоким содержанием в них сахара. Кукуруза,
которую продают через несколько дней после сбора, имеет более низкую
сахаристость, так как около 50% свободного сахара в зёрнах превращаются в
крахмал в течение одного дня хранения. Чтобы сохранить сладкий вкус
свежесобранной кукурузы, очищенные початки помещают на несколько минут в кипящую
воду («бланшируют»), а затем охлаждают в холодной воде. Кукуруза, обработанная
таким образом и хранящаяся в замороженном виде, сохраняет свой сладкий вкус. В
чём биологическая основа этой обработки?
4. Активный центр фермента обычно
представляет собой «карман» на поверхности фермента, выстланный боковыми цепями
аминокислот, необходимыми для связывания субстрата и катализа его химического
превращения. Молекула карбоксипептидазы, последовательно отщепляет С-концевые
аминокислотные остатки от субстратов (пептидов), состоит из одной полипептидной
цепи (307 аминокислотных остатков). Три главные каталитические группы в
активном центре –это аргинин 145, тирозин 248 и глутаминовая кислота 270 (номер
указывает положение аминокислоты в аимнокислотной последовательности фермента).
а) Если бы карбоксипептидаза представляла
собой идеальную α-спираль, то на каком расстоянии в нм друг от друга находились
бы аргинин 145 и тирозин 248; аргинин и глутаминовая кислота 270 ? (18,8 нм).
б) Объясните каким образом эти три аминокислоты,
расположенные так далеко друг от друга в полипептидной цепи, могут
катализировать реакцию, участники которой занимают пространство размером в
несколько десятых долей нанометра?
в) Если в процессе гидролиза участвуют только
эти каталитические группы, для чего ферменту необходимо иметь так много
аминокислотных омстатков?
5) Фермент уреаза повышает скорость гидролиза
мочевины при рН=8,0 и 20°С в 1014
раз. Если данное количество уреазы может полностью гидролизовать данное
количество мочевины за 5 мин при рН 8,0 и 20°С, сколько времени потребовалось бы для полного
гидролиза мочевины в тех же условиях без уреазы? Предполагается, что обе
реакции проходят в стерильных условиях без доступа бактерий. (9,5× 108).
6. Почему в пробирке, содержащей раствор
крахмала и слюны человека, при проведении реакции Троммера наблюдается красное
окрашивание?
7. Почему добавление фенолфталеина в
раствор, содержащий мочевину и фермент уреазу, вызывает розовое окрашивание?
8.Метанол (древесный спирт), который
когда-то использовался как антифриз для автомобилей, очень токсичен; приём
внутрь всего лишь 30мл метанола может привести к смерти. Такая необычайно
высокая токсичность метанола обусловлена действием не столько самого метанола,
сколько продукта его метаболизма – формальдегида. Метанол быстро окисляется до
формальдегида под действием фермента печени алкогольдегидрогеназы:
NAD+ + CH3OH Þ NADH + H+ + HCOH
Одним из
методов лечения при отравлении этанолом состоит в том, что больному назначается
этанол (этиловый спирт) либо внутрь, либо внутривенно в количествах, которые у
здорового человека вызывают интоксикацию. Объясните, почему такое лечение
оказывается эффективным?
9. Установлено, что 1г гемоглобина
соединяется с 1,34мл кислорода при н.у. Гемоглобин содержит 0,335% железа.
Используя эти данные, оцените молярные соотношения кислорода и железа в
гемоглобине при полном насыщении его кислородом. (1моль Fe
соединяется с примерно 1моль 02).
10. Гемоглобин взаимодействует с
кислородом с образованием комплекса, в котором на 4 моль кислорода приходится 1
моль гемоглобина. Вычислите число молекул гемоглобина, необходимое для переноса
1мл кислорода (н.у.). (6,7×1018).
11.Вычислите в нанометрах длину молекулы
рибонуклеазы, содержащей 124 аминокислотных остатка, если она а) существует в
линейной конфигурации; б) полностью альфа-спирализована (а-44,64нм; б-
18,6нм).
12.Молекула папаина (растительная
протениаза) содержит в своём составе 211 аминокислотных остатков.
Псевдокристалическая часть молекулы папаина состоит из четырёх коротких a-спиралей, каждая из которых содержит 10
аминокислотных остатков, и фрагмента полипептидной цепи из 9 аминокислотных
остатков, находящегося в b-конформации.
Определите количество аминокислотных остатков, составляющих аморфную часть
молекулы папаина, и степень спирализации, характерную для данного белка. (162
аминокислотных остатка; 19%).
13. Ренгеноструктурный анализ показал, что
в молекуле карбоксипептидазы около 30% аминокислотных остатков включены в
состав a-спирпалей, а 20% - сосредоточены в зоне,
образованной регулярно повторяющимися складками вытянутой полипептидной цепи.
Рассчитайте количество аминокислотных остатков, находящихся в аморфной части
молекулы, а также в её a-спиральной
области и складчатой зоне, если общее число аминокислотных остатков в молекуле
карбоксипептидазы равно 255. (128-в аморфной; 76-в a-спирпальной; 51 - в складчатой b-структуре ).
14.Рассчитайте концентрацию меди (%) в
медьсодержащем ферменте аскорбатоксидазе (М=150 тыс) если каждая молекула
содержит 6 атомов меди. (~0,25%).
15.Рассчитайте молекулярную массу
протомера кристалическоой каталазы, представляющего протеид с активной группой
в виде железо-порфированного комплекса с одним атомом железа, если концентрация
железа в кристалической каталазе равна 0,12%. (46780).
16.Рассчитайте
молекулярную массу дигидрооратдегидрогеназы, в состав которой входит 2 атома
железа при содержании последнего 0,18% . (62200).
17. В состав сукцинатдегидрогеназы сердца
входят 8 атомов железа при содержании последнего 0,22%. Рассчитайте
молекулярную массу фермента. ( ~200тыс).
18.
При какой концентрации субстрата фермент, для которого максимальная скорость
превращения субстрата представляет 30 мкмоль/мин×г , а величина Км=0,005М, будет работать со
скоростью, равной ¼ максимальной? (1,7×10-3).
19. Фермент карбоангидраза в
концентрации 10-6 М катализирует образование 0,6М Н2СО3
в секунду, согласно реакции: Н2О + СО2 Û Н2СО3. Определите число
оборотов характерное для фермента. (6·105 ).
20.Для карбоангидразы характерно 6·105
с-1 оборотов. Рассчитайте концентрацию фермента (в молях)
необходимую для образования 0,6 М Н2СО3 в секунду,
согласно реакции Н2О + СО2 Û Н2СО3. (10-6 М).
21.Рассчитайте концентрацию образующегося
продукта (в молях) в ферментативной реакции Н2О + СО2 Û Н2СО3, катализируемой
карбоангидразой, если в реакцию вступило 10-6 фермента. Для
карбоангидразы характерно 6·105 с-1 оборотов. (0,6 М).
22. Относительная молекулярная масса
пируваткарбоксилазы – Мr = 183тыс., альдолазы - Мr =
142тыс., пируваткиназы - Мr =
237тыс., цитохром – С-редуктазы – М = 75тыс.. Рассчитайте молекулярную
активность фермента, если их удельная активность составляет 1,2 · 103
Е; ~30 Е; 26Е ; 1,73 · 102 Е
соответственно. (2,2 · 105 ; 4,2 · 103 ; 6,0 · 103
;
1,3 · 104 ).
23. Рассчитайте удельную активность
каталазы (Мr=252тыс.), лактатдегидрогеназы (Мr=140тыс.),
карбоангидразы (Мr=30тыс.) активность бутирил-СоА-дегидрогеназы
(Мr=200тыс.), если их молекулярная активность составляет
5 · 106; 3,7 · 104; 0,96 · 108;
1,3 · 104 соответственно. (2,0 · 104 ; 3,2 · 106 ;
3,2 · 106; 102).
24.Карбоангидраза
эритроцитов, имеющая молекулярную массу 30тыс катализирует обратимую реакцию
гидратации СО2:
Н2О + СО2 Û Н2СО3,
которая играет важную роль в транспорте СО2
из тканей в лёгкие. Рассчитайте число оборотов карбоангидразы, если при
оптимальных условиях 10мкг чистой карбоангидразы катализируют гидратацию 0,30г
СО2 в 1мин при 37°С. (2,0×107 мин-1).
25.Укажите какие пептиды получаются при воздействии химотрипсина на
полипептид, имеющий первичную структуру: (Н2N)
сер-тир-мет-глу-гис-фен-арг-три-гли-лиз-про-вал-гли-(лиз)2-(арг)2-про-вал-лиз-вал-тир-про-асп-гли-ала-глу-асп-глу-лей-ала-глу-ала-фен-про-лей-глу-фен
(ОН). (сер-тир; мет-глу-гис-фен; арг-три; гли-лиз-про-вал-гли-(лиз)2-(арг)2-про-вал-лиз-вал-тир;
про-асп-гли-ала-глу-асп-глу-лей-ала-глу-ала-фен; про-лей-глу-фен ).
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.