Воздействие внешних факторов на ферментативную систему человека 
Относительно групповая специфичность проявляется тогда,
когда фермент безразличен к структуре соединения и имеет значение лишь тип
связи. Примером служит химотрипсин, расщепляющий только пептидную связь.
Стереохимическая и оптическая специфичность имеет особое значение. Проявляется только в случае оптически активных
веществ, и фермент активен только по отношению к одной стереоизомерной форме
соединения. Например, L-аргиназа разлагает L-аргинин на L-орнитин и мочевину, но не действует на А-аргинин. Известным
примером служит d и L-специфичность оксидаз аминокислот. Стереохимическая и
оптическая активность так же может быть абсолютной и относительной. Например,
карбоксипептидаза, расщепляющая карбобензокси-глицил-L-фенилаланин совсем не
действует на субстрат с А-фенилаланином; с другой стороны, эстераза свиной печени разлагает
метиловый эфир L-миндальной кислоты лишь вдвое быстрее, чем его А-изомер. [3]
1.4. Состав ферментов
После
того, как стало возможным исследование ферментов в бесклеточной среде, была
окончательно установлена их химическая природа. Было выявлено, что все они
представляют собой вещества белковой природы и как все белки, могут быть
простыми и сложными в зависимости от сопутствующего компонента небелкового
характера (простатической группы).
Ферменты - простые белки - построены
только из аминокислот, и их каталитические свойства обусловлены свойством самой
белковой молекулы. К этой группе ферментов относится большинство гидролитических
ферментов.
Ферменты - сложные белки - содержат в
своём составе, помимо белкового компонента, ещё и небелковый. Например,
нуклеотиды, витамины, атомы (катионы) металла. К таким ферментам обычно
относятся ферменты окислительно-восстановительного действия. Прочность связи
между белковым компонентом и простатической группой в сложных ферментах может
быть различной. В некоторых случаях связь прочная, в других - простатическая
группа довольно легко отделяется, например при диализе. Легко диссоциирующиеся
простатические группы ферментов получили название коферментов. При отделении
простатической группы от белковой части фермента - последний теряет свою
активность.
В простых ферментах активный центр
образуется непосредственно группировкой аминокислотных остатков в спиральной
цепи белковой молекулы. В сложных ферментах он образуется простатической
группой и некоторыми прилегающими к ней остатками. Размер активных центров
значительно меньше самой молекулы фермента. На один активный центр приходится
масса молекулы с молекулярным весом 30000. В простых ферментах пространственная
группировка этих аминокислотных остатков сама по себе определяет структуру
активного центра и каталитическую активность фермента. В сложных ферментах
структура активного центра определяется простатической группой и боковыми
группами некоторых аминокислотных остатков, пространственная структура которых
оказывает существенное влияние на специфичность и каталитическую активность
небелкового компонента. Среди таких аминокислотных остатков наибольшее значение
имеют SH-группы цистеина, несколько меньшее значение имеют карбонильные группы
дикарбоновых аминокислот.
1.5. Классификация ферментов
Известно
около 2 тысяч ферментов, но список этот не закончен. В зависимости от типа
катализируемой реакции все ферменты подразделяются на 6 классов:
ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ – ферменты,
катализирующие окислительно-восстановительные процессы в организме. Они
осуществляют перенос водорода и электронов и под своим тривиальным названием
известны как дегидрогеназы, оксидазы и пероксидазы. Эти ферменты отличаются
тем, что имеют специфические коферменты и простатические группы.
ТРАНСФЕРАЗЫ – ферменты, переносящие
атомные группы (в зависимости от того, перенос какой группы они осуществляют,
их соответственно называют). Среди них известны ферменты, осуществляющие
транспорт больших остатков, например гликозилтрансферазы и другие. Трансферазы
благодаря разнообразию переносимых ими остатков принимают участие в
промежуточном обмене веществ.
ГИДРОЛАЗЫ – ферменты, катализирующие
гидролитическое расщепление различных субстратов (при участии молекул воды). В
зависимости от этого среди них различают эстеразы, расщепляющие сложноэфирную
связь между карбоновыми кислотами (липаза) тиоловых эфиров, фосфоэфирную связь
и так далее; гликозидазы, расщепляющие гликозидные связи, пептид - гидролазы,
действует на пептидную связь и другие.
ЛИАЗЫ - к этой группе относятся
ферменты, способные отщеплять различные группы от субстрата негидролитическим
путём с образованием двойных связей или, напротив, присоединять группы с
двойной связью. При расщеплении образуется Н2О или СО2
или большие остатки - например ацетил. Лиазы играют весьма важную роль в
процессе обмена веществ.
ИЗОМЕРАЗЫ – ферменты, катализирующие
превращение изомерных форм друг в друга, то есть, осуществляющие
внутримолекулярное превращение различных групп.
ЛИГАЗЫ - раньше эти ферменты не
отделяли от лиаз, так как реакция последних часто идёт в двух направлениях,
однако недавно было выяснено, что синтез и распад в большинстве случаев происходит
под влиянием различных ферментов, и на этом основании выделен отдельный класс
лигаз (синтетаз). Ферменты, обладающие двойным действием, получили название
бифункциональных. Лигазы принимают участие в реакции соединения двух молекул,
то есть синтетических процессах, сопровождающихся расщеплением
макроэнергитических связей АТФ или других макроэргов. [5]
1.6. Номенклатура ферментов
Ферментология очень долго не располагала
строгой научной номенклатурой ферментов. Наименования ферментам давали по случайным
признакам (тривиальная номенклатура), по названию субстрата (рациональная), по
химическому составу фермента, наконец, по типу катализируемой реакции и
характеру субстрата.
Примерами тривиальной номенклатуры
могут служить названия таких ферментов, как пепсин (от греч. пепсин -
пищеварение), трипсин (от греч. трипсис - разжижаю) и папаин (от
названия дынного дерева Carica papaja, из сока которого он выделен). По
действию все эти ферменты являются протеолитическими, т. е. ускоряют гидролиз
протеинов (белков). Характерное название было дано группе окрашенных
внутриклеточных ферментов, ускоряющих окислительно-восстановительные реакции в
клетке, - цитохромы (от лат. citos - клетка и chroma - цвет).
Наибольшее распространение получила рациональная
номенклатура, согласно которой название фермента составляется из названия
субстрата характерного окончания - аза. Она была предложена более
столетия тому назад, в 1883 г. Э. Дюкло - учеником Л. Пастера. Так, фермент,
ускоряющий реакцию гидролиза крахмала, получил название амилаза (от греч. амилон
- крахмал), гидролиза жиров - липаза (от греч. липос - жир), белков
(протеинов) - протеаза, мочевины - уреаза (от греч. уреа - мочевина) и
т. п.
Когда методами аналитической химии
были достигнуты известные успехи в расшифровке химической природы
простатических групп, возникла новая номенклатура ферментов. Их стали именовать
по названию простатической группы, например, геминфермент
(простатическая группа - гем), пиридоксаль-фермент (простатическая группа -
пиридоксаль) и т.п.
Затем в названии фермента стали
указывать как на характер субстрата, так и на тип катализируемой
реакции. К примеру, фермент, отнимающий водород от молекулы янтарной
кислоты, называют сукцинатдегидрогеназой, подчеркивая этим одновременно и
химическую природу субстрата, и отнятие атомов водорода в процессе
ферментативного действия:
-
2Н
НООС - СH2 – СН2
– CООН НООС - СН = СН – СООН
Янтарная кислота
Дегидрирование Малеиновая кислота
В 1961 г. Международная комиссия по номенклатуре ферментов представила V Международному биологическому
конгрессу проект номенклатуры, построенный на строго научных принципах. Проект
был утвержден конгрессом, и новая номенклатура прочно вошла в ферментологию.
Согласно этой (Московской) номенклатуре название ферментов составляют из
химического названия субстрата и названия той реакции, которая осуществляется
ферментом. Если химическая реакция, ускоряемая ферментом, сопровождается
переносом группировки атомов от субстрата к акцептору, название фермента
включает также химическое наименование акцептора. Например, пиридоксальфермент,
катализирующий реакцию переаминирования между L-аланином и кетоглутаровой
кислотой, называется L-аланин: 2-оксоглутарат аминотрансфераза. В этом названии
отмечены сразу три особенности: 1) субстратом является L-аланин;
2) акцептором служит 2-окcоглутаровая кислота; З) от субстрата к акцептору
передается аминогруппа. Названия ферментов по научной номенклатуре неизмеримо
выигрывают в точности, но становятся в ряде случаев гораздо сложнее старых,
тривиальных. Так, уреаза (тривиальное название), ускоряющая реакцию гидролиза -
мочевины на оксид углерода (IV) и аммиак, по научной номенклатуре именуется
карбамид - амидогидролазой:
Н2N -
СО – NН2 + Н2О 2NН3 + СО2
В этом названии дано точное
химическое наименование субстрата и указано, что фермент катализирует реакцию
гидролиза аминогруппы. Трегалаза, ускоряющая реакцию гидролиза трегалозы,
называется трегалоза-1-глюко-гидролазой.. В связи со значительным усложнением
научных названий в новой номенклатуре допускается сохранение наряду с новыми
старых тривиальных, рабочих названий ферментов. Международной комиссией был
составлен детальный список всех известных в то время ферментов, существенно
дополненный в 1972 г. при пересмотре, как классификации, так и номенклатуры
некоторых ферментов, где рядом с новым научным названием каждого фермента
приведено старое, а также указан химизм катализируемой ферментом реакции и в
некоторых случаях природа фермента. Таким образом, исключается возможность
путаницы в наименовании ферментов. В 1964 г. список включал 874 фермента; в последующее время он был существенно дополнен и возрос до 1770 ферментов в 1972 г. и до 2003 ферментов в 1979 г.
1.7. Активность ферментов
Для исследования или практического работника, занимающегося
ферментами, определение активности ферментов - это постоянная, повседневная
работа, потому что любое изучение свойств ферментов, любое применение их в
практической деятельности - в медицине и в народном хозяйстве - всегда связано
с необходимостью знания, с какой скоростью протекает ферментативная реакция.
Чтобы понять и правильно оценить результаты определения ферментативной
активности, нужно совершенно отчётливо представить себе, от каких факторов зависит
скорость реакции, какие условия оказывают на неё влияние. Таких условий много.
Прежде всего, это соотношение концентрации самих реагирующих веществ: фермента
и субстрата. Далее, это всевозможные особенности той среды, в которой протекает
реакция: температура, кислотность, наличие солей или других примесей, способных
как ускорять, так и замедлять ферментативный процесс, и так далее. Попытаемся
рассмотреть поближе эти условия.
ВЛИЯНИЕ РЕАКЦИЙ СРЕДЫ
Для большинства известных в настоящее время ферментов определён
оптимум РН, при котором они обладают максимальной активностью. Эта величина -
важный критерий, служащий для характеристик фермента. Иногда это свойство
ферментов используют для их препаративного разделения. Наличие оптимума РН
можно объяснить тем, что ферменты представляют собой полиэлектролиты и их заряд
зависит от значения РН. Иногда сопутствующие вещества могут изменить оптимум
РН, например буферные растворы. В некоторых случаях в зависимости от субстратов
ферменты с неярко выраженной специфичностью имеют несколько оптимумов.
Например, пепсин расщепляет белки яйца при РН 1,5- 2,0, синтетические субстраты
- при РН 4,0. Отсюда следует, что величина (РН оптимум) - весьма чувствительный
признак для данного фермента. Она зависит от природы субстрата, состава
буферного раствора и поэтому не является истинной константой. Нужно иметь в
виду также свойства ферментов как белковых тел, способных к кислотно-щелочной
денатурации. Кислотно-щелочная денатурация может привести к необратимым
изменениям структуры фермента с утратой его каталитических свойств.
ВЛИЯНИЕ ДРУГИХ ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
Присутствие в реакционной среде некоторых ионов может
активировать образование активного субстрата ферментного комплекса, и в этом
случае скорость ферментативной реакции будет увеличивается. Такие вещества
получили название активаторов. При этом вещества, катализирующие
ферментативные реакции, непосредственного участия в них не принимают. На
активность одних ферментов существенно влияет концентрация солей в системе,
другие ферменты не чувствительны к присутствию ионов. Однако некоторые ионы
абсолютно необходимы для нормального функционирования некоторых ферментов.
Известны ионы, которые тормозят активность одних ферментов и являются
активаторами для других. К числу специфических активаторов относятся катионы
металлов: Na+, K+,Rb+,Cs+,Mg2+,
Ca2+,Zn2+,Cd2+,Cr2+,Cu2+,
Mn2+,Co2+,Ni2+,Al3+. Известно
также, что катионы Fe2+,Rb+,Cs+ только в
присутствии Mg действуют как активаторы, в других случаях эти катионы не
являются активаторами. В большинстве случаев один или два иона могут
активировать тот или иной фермент. Например, Mg2+ - обычный
активатор для многих ферментов, действующий на фосфоримированные субстраты,
почти во всех случаях может быть заменён Mn2+, хотя другие металлы
его заменить не могут. Следует заметить, что щелочноземельные металлы вообще
конкурируют друг с другом, в частности, Са2+ подавляет активность
многих ферментов, активируемых Mg2+ и Zn2+. Причина этого
до настоящего времени не ясна. Механизм влияния ионов металлов - активаторов
может быть различным. Прежде всего, металл может быть компонентом активного
центра фермента. Но может действовать как связующий мостик между ферментом и
субстратом, удерживая субстрат у активного центра фермента. Имеются данные о
том, что ионы металлов способны связывать органическое соединение с белками и,
наконец, один из возможных механизмов действия металлов как активаторов - это
изменение константы равновесия ферментативной реакции. Доказано, что анионы
также влияют на активность ряда ферментов. Например, очень велико влияние СI -
на активность А - амилазы животного происхождения.
Наряду с существованием активаторов ферментов известен ряд
веществ, присутствие которых тормозит каталитическое действие ферментов или
полностью инактивирует его. Такие вещества принято называть ингибиторами. Ингибиторы
– это вещества, действующие определённым химическим путём на ферменты и по
характеру своего действия, могут быть подразделены на обратимые и необратимые
ингибиторы. Для обратимого торможения характерно равновесие между
ферментом и ингибитором с определённой константой равновесия. Система такого
типа характеризуется определённой степенью торможения, зависящей от
концентрации ингибитора, при этом торможение достигается быстро и после этого
не зависит от времени. При удалении ингибитора с помощью диализа активность
фермента восстанавливается. Необратимое торможение, прежде всего,
выражается в том, что диализ не способствует восстановлению активности
фермента. И в отличие от обратимого торможения усиливается со временем, так что
может наступить полное торможение каталитической активности фермента при очень
низкой концентрации ингибитора. В этом случае эффективность действия ингибитора
зависит не от константы равновесия, а от константы скорости, определяющей долю
фермента, подвергшегося торможению в данном случае.
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Температура – один из важнейших факторов внешней среды,
который независимо от состояния равновесия реакции меняет её скорость. Поэтому
при ферментативных реакциях при повышении температуры на 100 С
процесс ускоряется в 1,5 – 2 раза. При дальнейшем повышении температуры
присоединяются денатурационные процессы, характерные для всех белков и в том
числе для ферментов, поэтому наблюдается затухание скорости реакции. Температурным
оптимумом реакции называют температуру, при которой одно её действие
вызывает ускорение реакции, катализируемой данным ферментом. Для большинства
ферментов животного происхождения он равен 400 – 500 С,
для растительного происхождения он равен 500 – 600 С.
Почти все ферменты разрушаются при температуре 800 С. Но для
некоторых ферментов в настоящее время доказана возможность восстановления их
каталитической активности в случае обратимого процесса денатурации белка.
Известны и такие ферменты, максимальная активность которых проявляется при
более низких температурах. Например, каталаза, температурный оптимум которой
лежит в пределах между 00-100 С. Понижение температуры
снижает скорость ферментативных реакций. Большинство ферментов при 00
С ещё не утрачивают своих каталитических свойств, но при замораживании
химические реакции прекращаются. При последующем оттаивании, если соблюдается
определённые условия, ферментативная активность клеток может быть
восстановлена.
ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ
При изучении действия давления
на скорость ферментативных реакций необходимо, прежде всего, учитывать, как и
при изучении других факторов, возможность денатурации ферментов при высоком
давлении. Если константа скорости ферментативной реакции растёт с повышением
давления, то образование активного комплекса происходит с уменьшением объёма и
наоборот, если при увеличении давления образование активного комплекса
сопровождается увеличением объёма, то константа скорости реакции снижается.
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ФЕРМЕНТА И ЕГО СУБСТРАТА
Скорость любого ферментативного процесса в значительной
степени зависит от концентрации, как субстрата, так и фермента. Обычно скорость
реакции прямо пропорциональна количеству фермента, при условии если содержание
субстрата в пределах оптимума или немного выше. При постоянном количестве
фермента скорость возрастает с увеличением концентрации субстрата. Эта реакция
подчинена закону действующих масс и рассматривается в свете теории Михаэлиса –
Ментона, то есть,
V=K(F),
V - скорость реакции
K - константа скорости
F - концентрация фермента. [8]
1.8. Значение
ферментов
Постоянный обмен нуклеиновыми кислотами, составляет
основную часть генетического материала клетки.
В ходе обмена нуклеиновых кислот наряду с синтезом происходит и распад. Этот
процесс катализирует большая группа ферментов, объединенных названием нуклеаз.
Цепочка нуклеиновых кислот образованна фосфорной кислотой и углеводородом;
азотистые основания служат боковыми группами. Поэтому разрушение нуклеиновых
кислот – это разрыв связей между остатками фосфорной кислоты и углевода. Все
нуклеазы могут быть разделены на две группы: экзонуклеазы и
эндонуклеазы. Экзонуклеазы действуют с одного из концов полинуклеотидной
цепи и на каждом этапе отсекают по одному нуклеотиду, постепенно укорачивая
цепочку. В отличие от этого эндонуклеазы сразу во многих местах разрывают связи
внутри молекулы нуклеиновых кислот и поэтому приводят к быстрой деградации
молекулы. Весь комплекс ферментов обмена нуклеиновых кислот выполняет важную
биологическую задачу: сохранение в целостности генетического материала клетки и
репарации (исправления) тех повреждений структуры ДНК, которые могут возникнуть
в результате радиоактивного или ультрафиолетового облучения и других вредных
воздействий.
Страницы: 1, 2, 3, 4
|
|
