Ферменты

Ферменты являются важными белковыми веществами, которые действуют как катализаторы для катализаторов в различных биологических процессах. К ним относятся известный пепсин, который регулирует пищеварительные процессы и улучшает перистальтику; трипсин, который разрушает мертвые ткани и действует детоксически; или тромбин, который влияет на свертываемость крови. Некоторые растительные ферменты работают вместе, чтобы расщеплять белки. 
В основном это протеазы и протеиназы, которые содержатся в тропических фруктах, таких как ананас, папайя, инжир. Мы называем ферменты в соответствии с международной номенклатурой, и окончание -asa (áz) зарезервировано для них. Например, глюкозидазы действуют как катализаторы расщепления полисахаридов и т. Д. Ферменты участвуют в большинстве жизненных процессов и процессов в организме; у большинства растений они встречаются в относительно больших количествах. Если мы хотим чтобы эффективно использовать ферменты из растений, мы должны предпочесть использовать травы и овощи в сыром виде, например, в форме сока. Хотя большинство ферментов сохраняются при правильной сушке, они уже менее эффективны. В отличие от кипящих лекарственных препаратов, например, при приготовлении чая, все ферменты разрушаются.

Фермент представляет собой одиночный или составной белок с каталитической активностью. Ферменты определяют характер и скорость химических реакций и контролируют большинство биохимических процессов в организме всех живых организмов, включая человека. Энзимная наука называется энзимологией и развивается с 19-го века, когда люди стали замечать такие процессы, как переваривание пищи. Основными компонентами ферментов являются белки, которые часто связаны с другими вспомогательными молекулами, известными как кофакторы или протезные группы, которые участвуют в катализе. Сама ферментативная реакция обычно происходит в так называемом активном сайте фермента. Ферменты огромны и могут быть классифицированы на шесть групп: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы. У всех есть общая каталитическая функция; уменьшите энергию активации (Ea), необходимую для протекания реакции. Как правило, ферменты являются высокоспецифичными и обычно конвертируют один или несколько субстратов одним определенным образом. Активность ферментов, влияя на скорость химических реакций путем уменьшения их энергии активации, зависит главным образом от концентрации субстрата, температуры, pH и наличия активаторов и ингибиторов. Многие ферменты уже нашли практическое применение в промышленности и научных исследованиях.

Основой большинства ферментов является белковый компонент, т.е. длинные аминокислотные последовательности, образующие пространственную форму. Однако существует небольшое количество ферментов, которые состоят из РНК вместо белков - эти РНК-ферменты также называют рибозимами и включают, например, рибосомную РНК. Незначительными, но еще более важными ферментами являются так называемые протезные группы, которые связываются с ферментом и обеспечивают его каталитическую функцию. Только белковый компонент фермента называется апоферментом, который вместе с протезной группой образует полученный и активный холоэнзим. В дополнение к протезным группам, другие, более слабосвязанные вещества, обычно называемые коферментами, участвуют в ферментативном катализе.
Существует значительная непоследовательность в терминологии вокруг кофакторов, групп протезов и коферментов. Voet & Voet различают два типа кофакторов: коферменты и протезные группы, первый из которых слабо связывается, а другой ковалентно. Например, энзимология Водражка и Оксфордский словарь по биохимии и молекулярной биологии разделяют одну и ту же концепцию. Несколько иные определения используются, например, Alberts или Harper.
Как правило, другие небелковые компоненты ферментов, такие как различные сахарные компоненты или ионы металлов (поскольку многие ферменты представляют собой гликопротеины или металлопротеины), не являются кофакторами. Известные металлоферменты включают металлопротеазы, алкогольдегидрогеназу или карбонатгидролазу.

Белковый компонент

Основными компонентами молекул голофермента являются белки (линейные полипептиды), состоящие из 20 основных протеиногенных α-L-аминокислот, каждая из которых отличается по своим свойствам от других (но это также верно и для других белков, а не только для ферментов). Например, фенилаланин, триптофан и неполярные алифатические аминокислоты обычно находятся в ферментах. Тирозин или гистидин часто присутствует в так называемом активном центре ферментов, первый из которых обусловлен своей способностью образовывать водородные связи, а другой - способностью поглощать протоны и своими нуклеофильными свойствами.
Длина синтазного комплекса жирных кислот составляет от 62 аминокислот в случае 4-оксалокротонат таутазы до 2500 аминокислот. Часто несколько отдельных белков, которые вместе образуют так называемый белковый комплекс, участвуют в создании фермента. Если пространственная структура ферментов разрушается из-за определенных химических веществ, происходит так называемая денатурация, когда фермент перестает функционировать обратимо или необратимо. Понятно поэтому, что пространственная форма ферментов имеет решающее значение для их функциональности - но, к сожалению, мы все еще не можем надежно предсказать вид ферментативной активности в соответствии с формой молекулы. Большинство ферментов намного больше, чем те, чей катализируемый метаболизм участвует, например, только в 3–4 аминокислотах их собственной ферментативной активности. Эти аминокислоты вместе образуют активный сайт. Другими важными областями в ферменте являются

кофакторов

Некоторые ферменты нуждаются в дополнительных небелковых молекулах для функционирования, обычно называемых кофакторами. Таких ферментов даже больше, по оценкам, около 60%. [4] Кофакторы обычно позволяют переносить отдельные атомы или электроны во время ферментативной активности. Определение и определение отдельных типов кофакторов отличается от автора к автору, но под протезной группой обычно понимают тесно связанный и стабильный компонент молекул фермента, тогда как кофермент связывается только слабо и легко диссоциирует. Кроме того, коферменты обычно «потребляются» после реакции и во многих случаях регенерируются другим ферментом, чтобы снова функционировать. Однако в реальной биохимии происходит плавный переход между коферментами и протезными группами. По химической структуре и функциям все кофакторы могут быть более практичными разделены на несколько групп:
Кофакторы, участвующие в процессах окисления и восстановления (кофакторы оксидоредуктаз): включают различные пиридин (никотинамид) (ди) нуклеотиды (NAD + и NADP +), флавиновые «нуклеотиды» (FMN и FAD), биоптерин, липоевая кислота, бензохиноны (CoQ и пластохинон) ), гем, FeS центры или глутатион. 
Кофакторы позволяющих групп передач (кофакторы трансфераза): они включают в себя известный АТФ активного сульфат (ЛПВП) аденозилметионин и метилкобаламин, тетрагидрофолат, биотин, thiamindifosfát, кофермент А, пиридоксальте фосфат, UDP и CDP 
кофакторы лиазу: среди них указанных выше кофакторы, такие как ацетил-кофермент А, биотин, тиаминдифосфат или пиридоксальфосфат. 
Кофакторы изомераз: они довольно редки, потому что их обычно избегают без них; однако иногда используются глутатион или различные производные кобаламина

Важные области

Форма фермента может варьироваться, но в любом случае он должен включать в себя так называемый активный сайт, который обычно представляет собой щель или углубление, где субстрат достаточно защищен от окружающей водной среды и может произойти катализ. Для мультимерных ферментов (т.е. множественных субъединиц) активный сайт часто образуется между двумя субъединицами, и поэтому в его образовании участвуют аминокислотные остатки из двух или более различных белков. Различные активные факторы и группы протезов часто встречаются в активном сайте. Другим важным местом во многих (но не во всех) ферментах является так называемый аллостерический сайт, который используется особенно в каскадах нескольких ферментативных реакций и является средством так называемой аллостерической регуляции. Некоторые молекулы связываются здесь, но ферментативного превращения не происходит.
 
классификация
Международный союз биохимической и молекулярной биологии (IUBMB) ввел номенклатуру ферментов с помощью чисел ЕС в 6 основных категорий, которые подразделяются на подкатегории. Часто бывает так, что мы можем встретить название фермента с его числовым обозначением, например EC 3.4.11.4. Шесть основных категорий ферментов включают в себя:
  • EC 1 - оксидоредуктазы: катализируют реакции окисления / восстановления
  • EC 2 - трансферазы: перенос функциональных групп (например, метильной, ацетильной или фосфатной группы)
  • EC 3 - гидролаза: катализировать гидролиз химических связей
  • EC 4-lyases: расщепляет химические связи другими способами, кроме гидролиза или окислительно-восстановительных реакций
  • EC 5 -изомераза: катализировать реакции изомеризации
  • EC 6 - лигазы: связывают две молекулы ковалентной связью
Вызывается. Системные названия ферментов - это попытка систематически называть ферменты путем описания реакций, которые они катализируют. Примером является (S) -лактат: NAD + -оксидоредуктаза, которая катализирует реакцию восстановления окисления субстрата (S) -лактата субстратом (или кофактором) NAD +. В системе EC его кодовым номером будет EC 1.1.1.27, поскольку он относится к группе оксидоредуктаз (1), он действует на группу CH-OH (1.1), поскольку акцептор протонного водорода использует NAD + или NADP + (1.1.1) и является лактатдегидрогеназой. (1.1.1.27).
 

свойства

Почти все биохимические реакции контролируются ферментами. Ферменты представляют собой особую группу катализаторов, которые стоят на границе между гетерогенным и гомогенным катализом, но во многих отношениях скорее напоминают гетерогенный, хотя обычно растворяются в воде. Они настолько мощны, что ферментативно катализируемые реакции достигают 108-1014 раз выше, чем некатализированные реакции. Крайним примером является оротидин-5'-фосфат декарбоксилаза - со временем реакции 78 миллионов лет с периодом полураспада 18 миллисекунд. Ферменты опережают несколько химических катализаторов на порядок. Однако ферментативная реакция также имеет ряд других преимуществ. Такие реакции обычно могут проводиться при значительно более низких температурах, при атмосферном давлении и при физиологическом pH. Кроме того, ферменты очень специфичны, гораздо больше, чем любой химический катализатор.

катализ

Ферменты, как и другие катализаторы, уменьшают энергию свободной активации (энергию Гиббса) - ΔG. Каждое уменьшение этого активационного барьера значительно увеличивает скорость реакции (достаточно небольшого уменьшения энергии для многократного увеличения скорости). Особенно четыре механизма ответственны за превосходные каталитические способности ферментов. Одна возможность состоит в том, что фермент будет подходить к субстратам и ориентировать их пространственно. Это приводит к высокой локальной концентрации субстратов и облегчает реакцию. В других случаях сильно кислотная или щелочная среда образуется в активном центре фермента с помощью подходящих аминокислотных остатков, соответствующих реакции. В других случаях происходит связывание субстрата с ферментом (например, серином, цистеином или гистидином) и растяжение или разрушение субстрата, ослабление, например, связывания мишени и облегчение реакций разложения.

специфичность

Как правило, ферменты очень специфичны и обычно катализируют определенную химическую реакцию, в которой субстрат превращается в продукт. Обычно существует не только специфичность эффекта (реакции), то есть способность фермента катализировать один конкретный тип реакции, но также в некоторой степени также специфичность субстрата, то есть каталитическая активность на одном субстрате или на группе из нескольких похожих субстратов. Ферментативная специфичность в первую очередь отвечает за комплементарную форму субстрата и активного центра фермента, заряд, а также гидрофильные и гидрофобные свойства отдельных областей фермента и субстрата. В результате ферменты обладают высокой геометрической специфичностью (они распознают особую форму субстрата, с которым они связываются) и стереоспецифичны (действуют только на один из энантиомеров). Некоторые ферменты, участвующие в репликации и экспрессии ДНК (например, 3 '5') экзонуклеазы) не только очень точны, но все же контролируют редкие ошибки, поэтому они настолько специфичны, что допускают менее 1 ошибки на 100 миллионов ферментативных реакций. С другой стороны, существуют очень неспецифические («разнородные») ферменты, которые могут катализировать различные реакции - например, γ-гумуленсинтаза из Abies grandis, которая способна продуцировать 52 различных сесквитерпена с одним субстратом.
В конце 19-го века биохимик Эмиль Фишер предположил, что субстрат идеально вписывается в центр активного фермента. Эта теория известна как гипотеза замка и ключа. В 1958 году Кошланд выразил убеждение, что ферменты не ведут себя точно так же, как замки и ключи, а наоборот, при взаимодействии фермент меняет форму, и «замок и ключ» образуются только тогда, когда субстрат связывается с ферментом. Эта теория известна как гипотеза индуцированной адаптации. Иногда сам субстрат может адаптировать свою форму. Модель индуцированной адаптации, вероятно, ближе к истине, чем модель замка и ключа, как показывает рентгеноструктурный анализ.

регулируемость

В основном, фермент может регулироваться двумя способами, регулируя его количество и регулируя его активность. Ряд ферментов не присутствует или почти не присутствует в клетке до тех пор, пока они действительно не потребуются (типичными примерами являются ферменты в бактериальном опероне lac). Другие ферменты в свою очередь могут быть прекращены при определенных обстоятельствах. В обоих случаях регуляция осуществляется путем связывания с различными регуляторными последовательностями, расположенными выше генов. Клетка достигает несколько более быстрых ответов, когда она также расщепляет ферменты, уже присутствующие в клетке.
В случае очень внезапной (и часто временной) необходимости это обычно делается путем регулирования активности фермента. То есть фермент присутствует, но (де) активируется путем связывания определенного лиганда (так называемого аллостерического регулятора) или ковалентной модификации фермента. Аллостерическая регуляция обычно включает некоторую обратную связь: продукт реакции связывается с аллостерическим участком фермента и изменяет его активность (ингибирует или стимулирует его), изменяя константу фермента Михаэлиса или скорость ответа vmax. Например, связывание различных гормонов или вторичных мессенджеров с рецептором действует аллостерически. Из ковалентных модификаций наиболее вероятно может происходить фосфорилирование и дефосфорилирование ферментов (обычно с помощью киназ и фосфатаз), что приводит к изменению активности фермента (либо запустить, либо остановить его). Другой метод активации заключается в расщеплении части белка протеазой



Комментариев нет:

Отправить комментарий