Специфичность ферментов

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙   3

Общее понятие о специфичности ферментов ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙   4

Виды  специфичности ферментов ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙   7

• Субстратная специфичность ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙   7

• абсолютная субстратная специфичность ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙  7
• групповая субстратная специфичность ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙  9
• стереоспецифичность ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 9

- стереоспецифичность к D-сахарам ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 11

- стереоспецифичность к L-аминокислотам ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 11

- стереоспецифичность к цистрансизомерам ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 11

- стереоспецифичность к α- и β-гликозидным связям ∙∙ 11

• Каталитическая специфичность ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙  11

Заключение ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙   13

Список использованных источников ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙   14 
 

 

     ВВЕДЕНИЕ

     Ферменты, как было установлено ещё в 1922 г., являются белками. Их роль уникальна: они увеличивают скорость протекания химической реакции, однако при этом не расходуются. В 1926 г. был впервые  очищен и выделен в виде белковых кристаллов фермент уреаза, катализирующий реакции расщепления мочевины до аммиака и диоксида углерода. К  настоящему времени в кристаллическом  виде получены сотни различных ферментов, расшифрованы их аминокислотные последовательности, изучается их роль в метаболических превращениях.

     В роли биокатализаторов могут выступать  и небелковые соединения. Например, некоторые типы РНК вызывают гидролиз фосфодиэфирных связей нуклеиновых  кислот. Такие молекулы РНК с каталитической активностью называют рибозимами, однако их значение в химическом превращении  соединений намного меньше, чем у  ферментов.

     Поскольку ферменты - белковые молекулы, следовательно, они обладают всеми свойствами, характерными для белков. В то же время они  имеют особенности строения, характеризующие  их как катализаторы. Основные свойства ферментов как биологических  катализаторов:

• Специфичность
• Каталитическая эффективность
• Лабильность ферментов
• Способность ферментов к регуляции

     В своей работе я рассмотрю одно из этих свойств – специфичность.

 

     ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ О СПЕЦИФИЧНОСТИ ФЕРМЕНТОВ 

     Специфичность - одно из наиболее выдающихся качеств ферментов. Это свойство их было открыто еще в прошлом столетии, когда было сделано наблюдение, что очень близкие по структуре вещества - пространственные изомеры (альфа- и бета-метилглюкозиды) расщепляются по эфирной связи двумя совершенно разными ферментами. Таким образом, ферменты могут различать химические соединения, отличающиеся друг от друга очень незначительными деталями строения, такими, например, как пространственное расположение метоксильного радикала и атома водорода при 1-м углеродном атоме молекулы метилглюкозида. По образному выражению, нередко употребляемому в биохимической литературе, фермент подходит к субстрату, как ключ к замку. Это знаменитое правило было сформулировано Э. Фишером в 1894 г. исходя из того, что специфичность действия фермента предопределяется строгим соответствием геометрической структуры субстрата и активного центра фермента.  
          В 50-е годы нашего столетия это статическое представление было заменено гипотезой Д. Кошланда об индуцированном соответствии субстрата и фермента. Сущность ее сводится к тому, что пространственное соответствие структуры субстрата и активного центра фермента создается в момент их взаимодействия друг с другом, что может быть выряжено формулой “перчатка - рука”. При этом в субстрате уже деформируются некоторые валентные связи и он, таким образом, подготавливается к дальнейшему каталитическому видоизменению, а в молекуле фермента происходят конформационные перестройки. Гипотеза Кошланда, основанная на допущении гибкости активного центра фермента, удовлетворительно объясняла активирование и ингибирование действия ферментов и регуляцию их активности при воздействии различных факторов. В частности, конформационные перестройки в ферменте в процессе изменения его активности Кошланд сравнивал с колебаниями паутины, когда в нее попала добыча (субстрат), подчеркивая этим крайнюю лабильность структуры фермента в процессе каталитического акта. В настоящее время гипотеза Кошланда постепенно вытесняется гипотезой топохимического соответствия. Сохраняя основные положения гипотезы взаимоиндуцированной настройки субстрата и фермента, она фиксирует внимание на том, что специфичность действия ферментов объясняется в первую очередь узнаванием той части субстрата, которая не изменяется при катализе. Между этой частью субстрата и субстратным центром фермента возникают многочисленные точечные гидрофобные взаимодействия и водородные связи.

     Биологическая функция фермента, как и любого белка, обусловлена наличием в его  структуре активного центра. Лиганд, взаимодействующий с активным центром  фермента, называют субстратом. В активном центре фермента есть аминокислотные остатки, функциональные группы которых  обеспечивают связывание субстрата, и  аминокислотные остатки, функциональные группы которых осуществляют химическое превращение субстрата. Условно  эти группы обозначают как участок  связывания субстрата и каталитический участок, однако следует помнить, что  не всегда эти участки имеют чёткое пространственное разделение и иногда могут "перекрываться" (рис. 2-1).

     В участке связывания субстрат при  помощи нековалентных связей взаимодействует (связывается) с ферментом, формируя фермент-субстратный комплекс. В  каталитическом участке субстрат претерпевает химическое превращение в продукт, который затем высвобождается из активного центра фермента. Схематично процесс катализа можно представить  следующим уравнением:

     Е + S ↔ ES ↔ ЕР ↔ Е + Р,

где Е - фермент (энзим), S - субстрат, Р - продукт. Данные обозначения общеприняты  и происходят от английских слов enzyme, substrat, product.

 

     ВИДЫ  СПЕЦИФИЧНОСТИ ФЕРМЕНТОВ

     Различают субстратную и каталитическую специфичности  фермента, определяемые строением активного  центра (рис. 2-2).

       Субстратная специфичность

     Под субстратной специфичностью понимают способность каждого фермента взаимодействовать  лишь с одним или несколькими  определёнными субстратами. Различают:

• абсолютную субстратную специфичность;
• групповую субстратную специфичность;
• стереоспецифичность.

     Абсолютная  субстратная специфичность

     Активный  центр ферментов, обладающих абсолютной субстратной специфичностью, комплементарен только одному субстрату. Следует отметить, что таких ферментов в живых  организмах мало.

     Пример  фермента с абсолютной субстратной  специфичностью - аргиназа, катализирующая реакцию расщепления аргинина до мочевины и орнитина:

Рис. 2-1. Строение активного  центра фермента. А - присоединение субстрата к ферменту в активном центре; Б - положение аминокислотных остатков, формирующих активный центр фермента, в первичной структуре белка; В - активный центр фермента условно разделяется на участок связывания и каталитический участок. Участок связывания представлен радикалами аминокислот, функциональные группы которых обеспечивают связывание субстрата. Каталитический участок образован радикалами аминокислотных остатков, функциональные группы которых обеспечивают химическое превращение субстрата.

     Другой  пример фермента с абсолютной субстратной  специфичностью - уреаза, катализирующая гидролиз мочевины до диоксида углерода и аммиака.

 
 

     Групповая субстратная специфичность

     Большинство ферментов катализирует однотипные реакции с небольшим количеством (группой) структурно похожих субстратов.

     Так, фермент панкреатическая липаза катализирует гидролиз жиров в двенадцатиперстной кишке человека, катализируя превращение  любой молекулы жира (триацилглицерола) до молекулы моноацилглицерола и  двух молекул высших жирных кислот. Панкреатическая липаза гидролизует  эфирную связь у α-атомов углерода глицерола, независимо от того, какие  жирные кислоты входят в состав молекулы жира.

     Большинство протеолитических ферментов, осуществляющих гидролиз белков, имеет групповую  субстратную специфичность, гидролизуя пептидные связи, образованные разными  аминокислотами.

     Стереоспецифичность

     При наличии у субстрата нескольких стерео-изомеров фермент проявляет  абсолютную специфичность к одному из них.

 

Схема 

Рис. 2-2. Функциональная значимость отдельных участков активного центра фермента.

     В организме человека наблюдают специфичность  ферментов к следующим стереоизомерам:

• Стереоспецифичность к D-сахарам. Большинство моносахаридов и продуктов их обмена в организме человека и других млекопитающих относят к D-стереоизомерам. Ферменты, осуществляющие их метаболизм, имеют специфичность к D-, а не к L-сахарам.

 

• Стереоспецифичность к L-аминокислотам. Белки человека состоят из аминокислот L-ряда. Большинство ферментов, обеспечивающих превращение аминокислот, имеет Стереоспецифичность к L-аминокислотам.
• Стереоспецифичность к цистрансизомерам. Фермент фумараза оказывает действие только на фумарат. Малеинат (цис-изомер фумарата) не является субстратом фумаразы.

Исключение  составляют только ферменты эпимеразы (рацемазы), катализирующие превращение  оптических изомеров.

• Стереоспецифичность к α- и β-гликозидным связям. Фермент амилаза действует только на а-гликозидные связи, что позволяет гидролизотать крахмал и гликоген (полимеры глюкозы), остатки глюкозы в которых соединены α-гликозидными связями. Целлюлоза - также полимер глюкозы, однако остатки глюкозы в нём связаны β-гликозидными связями. В результате отсутствия у человека ферментов, специфичных к β-гликозидной связи, целлюлоза не гидролизуется в кишечнике человека и не может служить источником глюкозы.

       Каталитическая специфичность

      Фермент катализирует превращение присоединённого  субстрата по одному из возможных  путей его превращения, Это свойство обеспечивается строением каталитического  участка активного центра фермента и называется каталитической специфичностью, или специфичностью пути превращения субстрата. Так, молекула глюкозо-6-фосфата в клетках печени человека - субстрат 4 различных ферментов; фос-фоглюкомутазы, глюкозо-6-фосфатфосфатазы, фосфоглюкоизомеразы и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. Однако из-за особенностей строения каталитических участков этих ферментов происходит различное превращение этого соединения с образованием 4 различных продуктов.

 
 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

     Благодаря высокой специфичности действия ферменты обеспечивают протекание с большой скоростью лишь определенных химических реакций из огромного разнообразия возможных превращений в микропространстве клеток и целостном организме, регулируя тем самым интенсивность обмена веществ.