Ферменти, біологічні каталізатори, властивості і будова

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

"ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ"

МІНІСТЕРСТВА ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

 

Кафедра        медико-біологічних

       основ     фізичної виховання і спорту

 

 

 

 

                                        

 

                                                        РЕФЕРАТ

                                                    Біохімії

                                                    на тему

ФЕРМЕНТИ , БІОЛОГІЧНІ КАТАЛІЗАТОРИ , ВЛАСТИВОСТІ І БУДОВА

 

 

 

 

 

Виконав :

Студент 1 курсу  гр. 1213-1                                                         Чернов В.Ю .

 

 

Перевірив:

к.б.н., доцент                                                                        Шкопинський Є. А .      

                                      

 

 

 

 

 

 

Запоріжжя

                                                                 2013

 

                                                          

План

1. Вступ

1.Загальна характеристика  ферментів.

2.Механізм дії ферментів.

3. Ферменти – біологічні  каталізатори.

а) специфічність дії ферментів.

б) зворотність ферментативних реакцій.

в) залежність активності ферментів  від ph – середовища.

г) залежність активності ферментів  від температури.

4.Метаболізм ферментів

5 Спеціальні властивості 

6 Будова ферментів 

7 Класифікація  ферментів 

Висновок 

Список літератури                                                                                      

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП 

Одна з характерних  властивостей усіх живих організмів полягає в їх здатності до обміну речовин (метаболізму) і до здійснення великої кількості різноманітних  хімічних реакцій. 
Основу наших сучасних уявлень щодо обміну речовин було закладено ще в 1780 р., коли Лавуазьє та Лаплас всупереч поширеній в ті часи помилковій теорії ‘флогістона’ прийшли до висновку, що дихання є особливою формою горіння. Цього висновку вони дійшли за допомогою простих дослідів, в яких порівнювалось споживання киснюі утворення вуглекислого газу твариною (для досліду було взято щурів) та свічкою, що горіла, вміщеними у скляні сосуди. 
Уявлення про те, що обмін речовин у всіх живих організмів здійснюється за допомогою ферментів, або ензимів - специфічних органічних каталізаторів, що синтезуються живими клітинами, - формувалось поступово, починаючи з 1815 р., коли Кірхгоф отримав з пшениці екстракт, здатний перетворювати крохмаль на цукор. 
Довготривала суперечка між Лібіхом і Пастером про те, чи можна вважати живими самі ферменти, знайшла розв’язку на користь Лібіха в 1897 р., коли Едуард Бухнер приготував з дріжжів безклітинний екстракт, що перетворював цукор на спирт. В результаті інтенсивних ензимологічних досліджень вдалося виділити велику кількість ферментів, довести, що всі вони являють собою макромолекули білкової природи і що кожен фермент регулює певну хімічну реакцію завдяки специфічній конфігурації своєї молекули. Речовина, з якою відбувається хімічна реакція (субстрат), з’єднується з ферментом, утворюючи з ним специфічний комплекс (далі : ФСК - ферметно-субстрактний комплекс). Таким чином, ферменти регулюють швидкість і специфічність практично всіх хімічних реакцій, що протікають в живих організмах. 
Робота ферментів відбувається впорядковано, серіями етапів, що називаються метаболічними шляхами. Тому хімічні процеси в живих організмах проходять з дивовижною ефективністю. Поперше, непотрібних продуктів реакцій накопичується дуже мало, оскільки кожен продукт однієї реакції виступає в ролі субстрата для наступної і т.д. Друга перевага послідовного ходу реакцій стає зрозумілою, якщо врахувати, що хімічні реакції можуть протікати в будь-якому напрямку, тобто вони є оберненими. Якщо кожен продукт окремої реакції в процесі утворення одразу вступає в іншу реакцію, то тенденція до оберненості зводиться до мінімуму. Більше того : якщо можливий кінцевий метаболіт також буде використовуватись швидко, то ціла серія реакцій буде рухатись до завершення. Інша перевага полягає в тому, що групи ферментів, що беруть участь в загальних метаболічних шляхах, можуть об’єднуватись. Деякі було виявлено в невеличких везикулах (мембранних пухирцях) в цитоплазмі. Інші зв’язані з мембранами спеціалізованих органел, таких, як мітохондрії або хлоропласти

    Ферменти – це специфічні білки, які виконують в організмі роль біологічних каталізаторів. Являючись білками, ферменти мають первинну, вторинну, третинну і багато з них – четвертинну структуру.

При гідролізі ферментів  утворюється суміш амінокислот. Відомо більше, як 20 різних амінокислот, які входять в склад білків.

Ферменти мають загальні з білками фізично-хімічні властивості: при гідролізі розщеплюються  на амінокислоти; мають високу молекулярну  масу; утворюють високу молекулярну  масу; створюють колоїдні розчини; погано кристалізуються; дуже нестійкі до високих  температур солей, важких металів, кислот, лугів і т. п; мають антигенні  властивості.

Молекулярна маса ферментів  має широку варіацію – від декілька десятків тисяч до декілька мільйонів.

Ферменти відрізняються  по своїй структурі. Їх поділяють  на 2 групи – прості і складні. Прості, або однокомпонентні; - ферменти складаються тільки із амінокислот. До них відносяться невелика кількість ферментів (рибонуклеаза, амілаза, альдолаза, уреаза, пепсин та ін.). Але більшість ферментів складається з двох компонентів: небілкової частини, або простетичної групи, і білкової – апофермент. Ці дві частини фермента окремо не мають сили, але тільки в комплексі одне з іншим вони проявляють каталітичну здатність.

Небілковий компонент  розпаду ферментів називається кофермент.

Багато коферментів являються  вітамінами або їх похідними. В даний  час нам відомо понад 300 окремих  ферментів (а, може набагато більше, бо наука не стоїть на місці), в склад  яких входять в якості коферментів  вітаміни або їх похідні. Як наслідок, при авітамінозах спостерігається  розпад діяльності всіх ферментних систем.

Для визначення механізму  дії ферменту було запропоновано  немало теорій. Але перемогла та, в якій мова йде про те, що каталізатори лише скорочують час, необхідний для  досягнення рівноваги хімічної реакції. Більшість хімічних реакцій потребує “запуску”, що і виконують ферменти.

В основі життєдіяльності  організму лежать хімічні перетворення різних речовин, швидкість яких визначають ферменти – біологічні каталізатори. Харчотравлення, використання всіх корисних речовин, які поступили в організм, ріст, згортання крові, м’язові скорочення і багато інших фізіологічних  процесів – все це побудовано на чіткій, послідовній роботі ферментних систем.

Найважливішою ознакою ферментів  є не тільки їх властивість прискорювати хід хімічних реакцій, але вибірково  каталізувати лише визначений шлях перетворення даного субстракта. Це одна з основних властивостей ферментів порівняно з небіологічними каталізаторами.

Зворотність ферментативних реакцій заключається в здатності  ферментів каталізувати пряму і  зворотну реакцію. Так, наприклад, ліпаза може при певних умовах розчепити  жир до гліцерину і жирних кислот, а також каталізувати його синтез із продуктів розпаду. Здатність  ферментів прискорювати хімічні  процеси в сторону синтезу, так  і розпаду, має велике значення, так  як створює можливість переключення цих процесів з одного на інший, чим  забезпечує тісний взаємозв’язок катаболізму  і анаболізму, гнучкість і пристосованість  обміну речовин під впливом зовнішніх  і внутрішніх факторів.

Ферменти дуже чутливі  до зміни ph середовища, в якому вони діють. Кожний фермент має оптимум ph, при якому він найбільш активний.

Для більшості ферментів  оптимальне середовище близьке до нейтрального (ph біля 7,0), так як максимальна активність ферментів проявляється при фізіологічних значеннях ph, а в кислому або лужному середовищі їх активність знижується. З цього правила є винятки, і їх немало. Наприклад, пепсин, який знаходиться в шлунковому соці, активний лише в дуже кислому середовищі (ph 1,5 – 2,5).

Ферменти дуже чутливі  до температури. При підвищенні температури  до 40-50⁰ С підвищується активність більшості ферментів, що відповідає загальновідомому закону прискорення хімічних реакцій з підвищенням температури. Встановлено, що підвищення температури на кожних 10⁰ збільшує швидкість ферментативної реакції в 1,5 – 2 рази. І тому необхідно дотримуватись температурного режиму при проведенні проб на ферменти.

Перетворення ферментів  відбувається подібно з іншим  обміном білків організму. Ферменти постійно оновлюються, синтезуються і  розпадаються, що забезпечує їх належний рівень в тканинах.В результаті секреції або відмиранні клітин ферменти попадають в кров. Шляхи виведення ферментів з крові різні. В плазмі крові проходить інактивація ферментів, потім вони поглинаються клітинами ретикулоендотеліальної системи, де в наслідок катаболізму, розпадаються. Частина ферментів виводиться через сечовидільні шляхи і шлунково-кишковий тракт. Але, ектреція ферментів з сечею і жовчю займає невелику питому вагу в механізмі виведення ферментів з організму. В основному, ферменти розпадаються в плазмі крові і тканинах і виводяться їх невикористані кінцеві продукти звичайними для білків каналами.

 

 Специфічні_властивості: 
 
1. Звичайно ж, по своїй хімічній будові всі ферменти є білками. 
2. Ефективність ферментів набагато вища, ніж небіологічних каталізаторів (швидкість протікання реакції за участю ферменту вище на декілька порядків). 
3. Ферменти володіють вузькою специфічністю, вибірковістю дії на субстрати, тобто на речовини, перетворення яких вони каталізують. Висока специфічність ферментів обумовлена конфірмаційною та електростатичною компліментарністю між молекулами субстрату і ферменту і унікальною структурою активного центру ферменту, що забезпечують "пізнавання", високу спорідненість і вибірковість протікання одній якій-небудь реакції з тисячі інших хімічних реакцій, що здійснюються одночасно в живих клітинах. 
Залежно від механізму дії розрізняють ферменти з відносною (або груповою) специфічністю і абсолютною специфічністю. Так, для дії деяких гідролітичних ферментів найбільше значення має тип хімічного зв'язку в молекулі субстрату. Наприклад, пепсин розщеплює білки тваринного, і рослинного походження, хоча вони можуть істотно відрізнятися один від одного як по хімічній будові і амінокислотному складу, так і по фізико-хімічним властивостям. Проте пепсин не розщеплює вуглеводи або жири. Пояснюється це тим, що місцем дії пепсину є пептидний -CO-NH- зв'язок. Для дії ліпази, що каталізує гідроліз жирів на гліцерин та жирні кислоти, таким місцем є складноефірний зв'язок. Аналогічною відносною специфічністю володіють також деякі внутріклітинні ферменти, наприклад гексокіназа, що каталізує у присутності АТФ фосфорилування майже всіх гексоз, хоча одночасно в клітках є специфічні для кожної гексози ферменти, що виконують таке ж фосфорилування. 
Абсолютною специфічністю дії називають здатність ферменту каталізувати перетворення тільки єдиного субстрату. Будь-які модифікації в структурі субстрату роблять його недоступними для дії ферменту. 
Стереохімічна специфічність ферментів обумовлена існуванням оптично ізомерних L- і D-форм або геометричних (цис- і транс- ) ізомерів хімічних речовин. "Так, відомі оксідази L- і D-амінокислот, хоча в природних білках виявлені тільки L-амінокислоти. Кожен з видів оксідази діє тільки на свій специфічний стереоізомер. Наочним прикладом стереохімічної специфічності є бактерійна аспартатдекарбоксілаза, що каталізує відщеплювання СО2 тільки від L-аспаргинової кислоти з перетворенням її на L-аланин"  
4. Регулювання ферментів як біо-каталізаторів. "Через регуляцію ферментативного апарату здійснюється скоординованість всіх метаболічних процесів в часі і просторі, направлена на відтворення живої матерії, підтримку постійності внутріклітинного середовища, на пристосування до змінних зовнішніх умов"  
5. Термолабільність ферментів. Швидкість хімічних реакцій залежить від температури, реакції, що тому каталізують ферментами, також чутливі до змін температури. Проте унаслідок білкової природи ферменту теплова денатурація при підвищенні температури знижуватиме ефективну концентрацію ферменту з відповідним зниженням швидкості реакції. Таким чином, термолабільність, або чутливість до підвищення температури є однією з характерних властивостей ферментів, що різко відрізняють їх від неорганічних каталізаторів. При 100°С майже всі ферменти втрачають свою активність (виняток становлять, очевидно, тільки один фермент м'язової тканини – міокіназа, яка витримує нагрівання до 100 °С). При низьких температурах (0°С і нижче) ферменти, як правило, не руйнуються, хоча активність їх падає майже до нуля. У всіх випадках має значення час дії відповідної температури. В даний час для пепсину, трипсину і ряду інших ферментів доведено існування прямої залежності між швидкістю інактивації ферменту і ступенем денатурації білка. На термолабільність ферментів певний вплив має концентрація субстрату, рН середовища і інші чинники. 
6. Залежність активності ферментів від рн середовища. Ферменти зазвичай найбільш активні в межах вузької зони концентрації водневих іонів, відповідної для тваринних тканин в основному виробленим в процесі еволюції фізіологічним значенням рН середовища 6.0 – 8.0 рН - оптимум дії ферментів лежить в межах фізіологічних значень. Виняток становить пепсин, рН - оптимум якого рівний 2.0. Пояснюється це тим, що пепсин входить до складу шлункового соку, що містить вільну соляну кислоту, яка створює оптимальне кисле середовище для дії цього ферменту. З іншого боку, рН – оптимум аргінази лежить в сильно лужній зоні (близько 10.0); такого середовища немає в клітках печінки, отже, in vivo аргіназа функціонує, мабуть, не в своїй оптимальній зоні рН середовища. Вплив змін рн середовища на молекули ферменту полягає в дії на стан і ступінь іонізації кислотних і основних груп (СООН - групи дикарбонових амінокислот, SH-групи цистеїну, імідазольного азоту гістидіна і ін.). При різних значеннях рН середовища активний центр може знаходитися в частково іонізованій або в неіонізованій формі, що позначається на третинній структурі білка і відповідному формуванні активного ферментно-субстратного комплексу. Крім того, має значення і стан іонізації субстратів і кофакторів. Усі відомі ферменти (за винятком рибозима) – це білки, тому вони мають велику молекулярну масу і можуть мати три або чотири рівні структурної організації. Молекулярна маса ферментів знаходиться в межах від 10 000 до 2 000 000. Ферменти, для яких властива четвертинна структура, називають олігомерними.

Будова ферментів            

 Залежно від будови  ферменти поділяють на дві  групи:

1) прості;

2) складні.

Прості ферменти мають  лише білкову частину, складні –  білкову та небілкову складові. Значна кількість відомих ферментів  – складні, робота яких потребує обов’язкової наявності небілкового компонента. Схематично структура складного  ферменту зображена на рис.1.

Таким чином, холофермент  – це активний комплекс ферменту, обов’язковою складовою якого є кофактор. Залежно  від хімічної природи та міцності зв’язків між білковою та небілковою частинами ферменту можна виділити три групи кофакторів:

кофермент – небілкова органічна молекула, яка нековалентно зв’язана з апоферментом та може легко відділятися від нього;

простетична група – небілкова органічна молекула, яка міцно, тобто ковалентно, зв’язана з білковою частиною ферменту, та не може бути відділена від неї;

іони металів (K+, Fe++, Fe+++, Cu++, Co++, Zn++, Mn++, Mg++, Ca++,  Mo+++ ), які називають кофакторами.

Для пояснення деталей  будови та функціонування ферментів  необхідно ввести такі поняття, як «субстрат» та «продукт» реакції.

Субстратом (S) називають молекулу, яка під дією ферменту перетворюється на кінцевий продукт реакції (P):  S→P. Для утворення продукту фермент може зв’язувати один або декілька субстратів.

Відповідно формування третинної  структури ферменту відбувається так, щоб утворювати щілину або заглиблення  для зв’язування субстрату і  перетворення його у продукт. Тобто  кожний фермент має функціонально  активну ділянку – активний центр (для зв’язування та перетворення субстрату). Як правило субстрат приєднується до функціональних груп в активному  центрі нековалентно, іноді можуть утворюватися короткотривалі ковалентно зв’язані комплекси.У функціонуванні активного центру задіяні нуклеофільні групи бокових радикалів амінокислот (імідозольна гістидину,  гідроксильна група серину або тирозину, іонізовані карбоксиль-ні групи аспартату та глутамату, тильна група цистеїну та ін.). В активному центрі складного ферменту розташований кофактор, без якого каталітичні перетворення неможливі.                 

 Активний центр має  дві ділянки:

якірну (контактна), де відбувається зв’язування субстрату з функціональними  групами активного центру;каталітичну  – в цій ділянці безпосередньо  відбуваються каталітичні перетворення.У  роботі активного центру прямо або  опосередковано беруть участь 1/2 - 2/3 амінокислотних залишків білка-ферменту.Крім активного  центру деякі ферменти можуть мати алостеричний (регуляторний) центр  – це функціонально активна ділянка  ферменту, з якою зв’язуються модифікатори – молеку-ли, що впливають на роботу активного центру. До таких моле-кул  належать активатори (підвищують активність ферменту) та інгібітори (гальмують  роботу ферменту).Ферменти, які мають алостеричний центр, називають алосте-ричними, або регуляторними.

Класифікація ферментів

За типом каталізуються  реакцій ферменти підрозділяються  на 6 класів згідно ієрархічної класифікації ферментів ( КФ, EC - Enzyme Comission code). Класифікація була запропонована Міжнародним союзом біохімії та молекулярної біології (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Кожен клас містить підкласи, так що фермент описується сукупністю чотирьох чисел, розділених крапками. Наприклад, пепсин має назву ЄС 3.4.23.1. Перше число грубо описує механізм реакції, що каталізується ферментом:

• КФ 1: Оксидоредуктаз, що каталізують окислення або відновлення. Приклад: каталаза, алкогольдегидрогеназа
• КФ 2: Трансферази, що каталізують перенесення хімічних груп з однієї молекули субстрату на іншу. Серед трансфераз особливо виділяють кінази, що переносять фосфатну групу, як правило, з молекули АТФ.
• КФ 3: Гідролази, каталізують гідроліз хімічних зв'язків. Приклад: естерази, пепсин, трипсин, амілаза, ліпопротеїнліпазу
• КФ 4: Ліази, каталізують розрив хімічних зв'язків без гідролізу з утворенням подвійного зв'язку в одному з продуктів.
• КФ 5: Ізомерази, каталізують структурні або геометричні зміни в молекулі субстрату.
• КФ 6: Лігази, що каталізують утворення хімічних зв'язків між субстратами за рахунок гідролізу АТФ. Приклад: ДНК-полімераза

Висновки.

1.Развитие общебиологических  понять, до числа яких можна  віднести поняття

"Фермент", є теоретичною основою навчання  як біології, так і хімії.

2.Развитие поняття  про ферменти сприяє формуванню  в учнів

знань, які необхідні  для розширення загального наукового  кругозору.

3.В зв'язку  з важливістю формування поняття  "фермент", а так само через

нестачу часу, рекомендуетсяпроведеніе  факультативних занятій.

 

 

 

Список літератури

1. Гудвин Т., Мерсер Э. Введение в биохимию растений, т.1. – М.: Мир, 1986. – С. 387
2. Диксон М., Уэбб Э. Ферменты, т.1. – М.: Мир, 1982. – С. 331-333, 292-294
3. Мосс Ф. Ферменты. – М.: Мир, 1970. – С. 10-13, 57-62.
4. Мусієнко М.М. Фізіологія рослин. – К.: Вища школа, 1995. – С. 33-34, 186-187
5. http://sciencereview.org
6. http://uk.wikipedia.org