Devas kompensācijas mehānisms Lielākajā daļā zīdītāju (bet ne marsupial) viena no X hromosomām ir inaktivēta mātīšu somatiskajās šūnās. Šāda izslēgšana ir viena no problēmas risināšanas iespējām sugās, kurām vienu dzimumu pārstāv divi

3. nodaļa. Fermenti. Fermentu darbības mehānisms Par fermentiem jeb fermentiem sauc specifiskus proteīnus, kas ietilpst visu dzīvo organismu šūnās un audos un darbojas kā bioloģiskie katalizatori Fermentu un neorganisko katalizatoru vispārīgās īpašības: 1. Nav

Fermenta molekulas struktūra Pēc struktūras fermenti var būt vienkārši un sarežģīti proteīni. Fermentu, kas ir sarežģīts proteīns, sauc par holoenzīmu. Fermenta olbaltumvielu daļu sauc par apoenzīmu, bet neolbaltumvielu daļu sauc par kofaktoru. Ir divu veidu kofaktori: 1.

Fermentu darbības specifika Fermentiem ir augstāka darbības specifika, salīdzinot ar neorganiskiem katalizatoriem. Ir specifiskums attiecībā uz ķīmiskās reakcijas veidu, ko katalizē ferments, un specifiskums attiecībā uz

4. nodaļa. Fermentu aktivitātes regulēšana. Medicīniskā enzimoloģija Enzīmu aktivitātes regulēšanas metodes: 1. Fermentu skaita izmaiņas.2. Fermenta katalītiskās efektivitātes izmaiņas.3. Reakcijas apstākļu maiņa Daudzuma regulēšana

Fermentu izmantošana medicīnā Fermentu preparātus plaši izmanto medicīnā. Fermenti medicīnas praksē tiek izmantoti kā diagnostikas (enzimodiagnostikas) un terapeitiskie (enzīmu terapijas) līdzekļi. Turklāt fermentus izmanto kā

Ievads

1.Enzīmu veidi

2. Fermentu struktūra

Fermentu darbības mehānisms

Bibliogrāfiskais saraksts

Ievads

Fermenti ir vissvarīgākā proteīna vielu klase, kas ir universāla pēc to bioloģiskās funkcijas. Fermenti ir specifiski un ļoti efektīvi katalizatori ķīmiskām reakcijām, kas notiek dzīvā šūnā. Fermentu, to struktūras, īpašību un bioloģiskās iedarbības mehānisma izpēte ir viena no galvenajām bioķīmijas un bioorganiskās ķīmijas nozarēm. Līdz šim ir raksturoti vairāki tūkstoši enzīmu, vairāk nekā tūkstotis no tiem iegūti atsevišķā stāvoklī. Daudziem simtiem fermentu proteīnu aminoskābju secība ir noskaidrota, un slavenākās no tām ir atšifrētas, izmantojot rentgenstaru difrakcijas analīzi līdz pilnīgas telpiskās struktūras līmenim. Jebkuras problēmas izpēte dzīvībai svarīgo aktivitāšu mehānismu zināšanu jomā obligāti ir saistīta ar atbilstošo enzīmu sistēmu izpēti. Turklāt fermenti tiek plaši izmantoti kā spēcīgi instrumenti biopolimēru struktūras noskaidrošanā un gēnu inženierijā. Tie atrod plašu praktisku pielietojumu medicīnā un pārtikas rūpniecībā.

Enzīmu procesi cilvēkam ir zināmi kopš seniem laikiem. Jo īpaši fermentāciju plaši izmantoja grieķi, lai ražotu vīnu (šīs metodes atklāšanu attiecināja uz dievu Bakhu). Daudzu valstu tautas jau sen ir apguvušas maizes, siera, etiķa gatavošanas mākslu, pamatojoties uz augu un dzīvnieku izejvielu pārstrādi. Tomēr pašreizējais fermentoloģijas attīstības posms ir datēts ar pagājušā gadsimta sākumu. 1814. gadā Sanktpēterburgas Zinātņu akadēmijas biedrs K. Kirhhofs konstatēja, ka ciete pārvēršas cukurā, iedarbojoties noteiktām vielām, kas atrodamas dīgstošajos miežu graudos. Tālāku soli uz priekšu šajā virzienā veica franču ķīmiķi A. Pajens un Ž. Pirso, kuri 1833. gadā pierādīja, ka karstumlabilais faktors, kas iegūts no iesala ekstrakta, izgulsnējot ar spirtu, spēj hidrolizēt cieti; viņi to sauca par diastāzi.

Drīz vien izcēlās strīds par fermentācijas būtību, kurā piedalījās lielākie tā laika dabaszinātņu pārstāvji. Jo īpaši L. Pastērs uzskatīja, ka fermentāciju izraisa dzīvi mikroorganismi un tāpēc tā ir saistīta tikai un vienīgi ar to dzīvībai svarīgo darbību. No otras puses, Yu. Liebig un K. Bernard aizstāvēja fermentācijas ķīmisko raksturu, uzskatot, ka tā ir saistīta ar īpašām vielām, piemēram, diastāzi (amilāzi). J. Berzēliuss 1837. gadā parādīja, ka fermenti ir katalizatori, ko piegādā dzīvas šūnas. Toreiz parādījās termini "enzīms" (no latīņu fermentatio - fermentācija) un "enzīms" (no grieķu valodas - raugā). Strīds beidzot tika atrisināts tikai 1897. gadā, kad vācu zinātnieki brāļi Hanss un Edvards Buhneri pierādīja, ka rauga acelulārā sula (iegūta, raugu berzējot ar diatomītu) spēj raudzēt cukuru, veidojot spirtu un CO. 2. Kļuva skaidrs, ka rauga sula satur sarežģītu enzīmu maisījumu (ko sauc par zimase) un šie fermenti spēj funkcionēt. staigāt gan kamerās, gan ārpus tām. Pēc viena no vēsturniekiem, oglekļa dioksīda burbuļu parādīšanās Buhnera eksperimentā nozīmēja mūsdienu bioķīmijas un enzimoloģijas dzimšanu.

Mēģinājumus izolēt enzīmus atsevišķā stāvoklī veica daudzi pētnieki, starp kuriem jāmin A. Ja. Daņiļevskis, R. Vilsteters u.c.. Fermentu proteīna raksturu 1926. gadā nepārprotami pierādīja amerikāņu bioķīmiķis Dž. Samners. kurš izdalīja ureāzes enzīmu no sēklām kristāliskās formas grāvjos. 1930. gadā Dž.Nortrops saņēma kristālisko pepsīnu un pēc tam tripsīnu un himotripsīnu. Kopš šī perioda ir kļuvis vispāratzīts, ka visi fermenti ir olbaltumvielas.

XIX gadsimta beigās. pamatojoties uz sasniegumiem bioloģiskas izcelsmes organisko savienojumu struktūras izpētes jomā, radās iespēja pētīt fermentu specifiku. Šajā laikā E. Fišers izvirzīja slaveno nostāju par nepieciešamību pēc steriskas atbilstības starp fermentu un substrātu; viņa tēlainajā izteicienā "substrāts pieguļ fermentam kā atslēga uz slēdzeni". 20. gadsimta sākumā tika likti pamati enzīmu darbības kinētikas izpētei.

Fermentiem ir dažāda molekulmasa – no 10 000 līdz 1 000 000 un vairāk. Tos var veidot no vienas polipeptīdu ķēdes, vairākām polipeptīdu ķēdēm vai sarežģītiem (dažreiz polienzimātiskiem) kompleksiem. Fermentā ietilpst arī neolbaltumvielas, ko sauc par kofaktoriem (kofaktoriem), - metālu jonus, mazas organiskas molekulas, piemēram, vitamīnus utt.

Fermenti ir ļoti efektīvi katalizatori: tie spēj palielināt reakcijas ātrumu miljoniem un miljardiem reižu. Piemēram, ureāze (pie pH 8,0, 20 0C) paātrina urīnvielas hidrolīzi par aptuveni 1014 vienreiz.

Fermenti ir ļoti specifiski katalizatori. Tiem piemīt specifiskums attiecībā uz katalizētās ķīmiskās reakcijas veidu, un nenotiek blakusproduktu veidošanās. Turklāt tiem ir izteikta substrāta specifika un, kā likums, augsta stereospecifitāte.

1. Fermentu veidi

Fermentu klasifikācija. Iepriekš, nosaucot fermentus, par pamatu tika ņemts substrāta nosaukums, pievienojot piedēkli "aza"; tā jo īpaši parādījās proteināzes, lipāzes un ogļhidrāzes. Saskaņā ar sākotnējo principu tika apzīmēti fermenti, kas katalizē oksidatīvās reakcijas (dehidrogenāzes). Daži fermenti ir saņēmuši īpašus nosaukumus - tripsīns, pepsīns utt. Pašlaik ir pieņemta klasifikācija, kurā fermenti ir sagrupēti 6 klasēs pēc katalizēto reakciju veida:

Oksidoreduktāzes (redoksreakcijas).

Transferāzes (funkcionālo grupu pārneses reakcijas).

Hidrolāzes (hidrolīzes reakcijas).

Liāzes (grupu šķelšanās reakcijas ar nehidrolītiskiem līdzekļiem).

Izomerāzes (izomerizācijas reakcijas).

Ligāzes (sintēzes reakcijas, ko izraisa ATP enerģija).

Klasēs fermenti tiek grupēti apakšklasēs un apakšklasēs atbilstoši to katalizēto reakciju īpašībām; uz šī pamata tika apkopota fermentu kodu numerācija (šifri) un to sistemātiskie nosaukumi. Fermenta kods sastāv no četriem cipariem, kas atdalīti ar punktiem: pirmais cipars norāda fermenta klasi, otrais un trešais cipars norāda attiecīgi apakšklasi un apakšklasi, bet ceturtais cipars ir fermenta sērijas numurs tā apakšklasē. Piemēram, skābes fosfatāzei ir kods 3.1.3.2; tas nozīmē, ka tas pieder hidrolāžu klasei (3.1.3.2.), šo enzīmu apakšklasei, kas iedarbojas uz estersaitēm (3.1.3.2.), enzīmu apakšklasei, kas hidrolizē fosforskābes monoesterus (3.1.3.2.) un sērijveida enzīmus. fermenta skaits šajā apakšklasē - 2 (3.1.3.2.).

Fermenti, kas katalizē vienu un to pašu reakciju, bet izolēti no dažāda veida dzīviem organismiem, atšķiras viens no otra. Nomenklatūrā tiem ir kopīgs nosaukums un viens koda numurs. Vienā un tajā pašā bioloģiskajā sugā bieži sastopamas dažādas viena vai otra fermenta formas. Lai nosauktu enzīmu grupu, kas katalizē vienu un to pašu reakciju un ir sastopami vienas sugas organismos, ieteicams lietot terminu vairākas enzīmu formas. Tiem vienas grupas enzīmiem, kuriem ir ģenētiski noteiktas atšķirības primārajā struktūrā, lieto terminu "izoenzīmi".

Oksidoredukts ?zy - atsevišķa enzīmu klase, kas katalizē bioloģiskās oksidācijas pamatā esošās reakcijas, ko pavada elektronu pārnešana no vienas molekulas (reducētājs - protonu akceptors vai elektronu donors) uz citu (oksidētājs - protonu donors vai elektronu akceptors).

Oksidoreduktāžu katalizētās reakcijas parasti izskatās šādi:

b? A+B ?

Kur A ir reducētājs (elektronu donors) un B ir oksidētājs (elektronu akceptors)

Bioķīmiskajās pārvērtībās redoksreakcijas dažkārt izskatās sarežģītākas. Šeit, piemēram, viena no glikolīzes reakcijām:

n + gliceraldehīds-3-fosfāts + NAD +? VIRS H + H ++ 1,3-difosfoglicerāts

Šeit NAD darbojas kā oksidētājs. +, un gliceraldehīds-3-fosfāts ir reducētājs.

Klases enzīmu sistemātiskie nosaukumi tiek veidoti saskaņā ar shēmu "donors: akceptors + oksidoreduktāze". Tomēr plaši tiek izmantotas arī citas nosaukšanas shēmas. Ja iespējams, enzīmus nosauc formā "donors + dehidrogenāze", piemēram, gliceraldehīda-3-fosfāta dehidrogenāze, otrajai iepriekšminētajai reakcijai. Dažreiz nosaukums tiek rakstīts kā "akceptors + reduktāze", piemēram, NAD +-reduktāze. Konkrētā gadījumā, kad oksidētājs ir skābeklis, nosaukums var būt formā "donors + oksidāze".

Saskaņā ar starptautisko fermentu klasifikāciju un nomenklatūru oksidoreduktāzes pieder pie 1. klases, kurā izšķir divdesmit divas apakšklases:

EC 1.1 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar CH-OH donoru grupu;

EC 1.2 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar donoru aldehīdu vai okso grupu;

EC 1.3 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar CH-CH donoru grupu;

EC 1.4 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar CH-NH 2donoru grupa;

EC 1.5 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar CH-NH donoru grupu;

EC 1.6 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar NAD H vai NADP H;

EC 1.7 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar citiem slāpekli saturošiem savienojumiem kā donoriem;

EC 1.8 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar sēru saturošu donoru grupu;

EC 1.9 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar donoru hēmu grupu;

EC 1.10 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar difenoliem un radniecīgiem savienojumiem kā donoriem;

EC 1.11 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar peroksīdu kā akceptoru (peroksidāzi);

EC 1.12 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar ūdeņradi kā donoru;

EC 1.13 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar atsevišķiem donoriem, iekļaujot molekulāro skābekli (oksigenāzes);

EC 1.14 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar pāriem donoriem, iekļaujot molekulāro skābekli;

EC 1.15 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar superoksīda radikāļiem kā akceptorus;

EC 1.16 ietver fermentus, kas oksidē metālu jonus;

EC 1.17 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar CH vai CH2 grupas;

EC 1.18 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar dzelzs-sēra proteīniem kā donoriem;

EC 1.19 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar reducētu flavodoksīnu kā donoru;

EC 1.20 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar fosforu vai arsēnu kā donoru;

EC 1.21 ietver fermentus, kas mijiedarbojas ar X-H un Y-H tipa molekulām, veidojot X-Y saiti;

EC 1.97 ietver citas oksidoreduktāzes.

Pārsūtīšana ?zy - atsevišķa enzīmu klase, kas katalizē funkcionālo grupu un molekulāro atlikumu pārnešanu no vienas molekulas uz otru. Plaši izplatīti augu un dzīvnieku organismos, tie ir iesaistīti ogļhidrātu, lipīdu, nukleīnskābju un aminoskābju pārveidē.

Transferāžu katalizētās reakcijas parasti izskatās šādi:

X+B? A+B-X.

Molekula A šeit darbojas kā atomu grupas (X) donore, un molekula B ir grupas akceptors. Bieži vien viens no koenzīmiem šādās pārnešanas reakcijās darbojas kā donors. Daudzas no reakcijām, ko katalizē transferāzes, ir atgriezeniskas.

Klases enzīmu sistemātiskie nosaukumi tiek veidoti saskaņā ar shēmu:

"donors: akceptors + grupa + transferāze".

Vai arī tiek izmantoti nedaudz vispārīgāki nosaukumi, ja fermenta nosaukumā ir iekļauts donora vai grupas akceptora nosaukums:

"donors + grupa + transferāze" vai "akceptors + grupa + transferāze".

Piemēram, aspartāta aminotransferāze katalizē aminogrupas pārnešanu no asparagīnskābes molekulas, katehola-O-metiltransferāze pārnes S-adenozilmetionīna metilgrupu uz dažādu kateholamīnu benzola gredzenu, bet histona acetiltransferāze pārnes acetilgrupu no acetilkoenzīma A. uz histonu transkripcijas aktivizācijas laikā.

Turklāt 7. transferāžu apakšgrupas fermentus, kas pārnes fosforskābes atlikumu, kā donoru izmantojot ATP fosfāta grupu, bieži sauc arī par kināzēm; aminotransferāzes (6. apakšgrupa) bieži sauc par transamināzēm.

Saskaņā ar starptautisko fermentu klasifikāciju un nomenklatūru transferāzes pieder 2. klasei, kurā izšķir deviņas apakšklases:

EC 2.1 ietver fermentus, kas pārnes vienas oglekļa grupas;

EC 2.2 - fermenti, kas pārnēsā aldehīdu un ketonu grupas;

EC 2.3 - satur acilatliekas (aciltransferāzes);

EC 2.4 - pārnes cukura atlikumus (glikoziltransferāzes);

KF 2.5 - pārnes alkil- un arilgrupas, izņemot metilgrupu;

KF 2.6 - nesošās atomu grupas, kas satur slāpekli;

EC 2.7 - fosforu saturošu atlikumu pārnese;

EC 2.8 - nesošās grupas, kas satur sēru;

EC 2.9 - nesošās grupas, kas satur selēnu.

Hidrolāzes ir enzīmu klase, kas katalizē kovalentās saites hidrolīzi. Hidrolāzes katalizētās reakcijas vispārējā forma ir šāda:

B+H2 Ak? A-OH + B-H

Hidrolāžu sistemātiskais nosaukums ietver atdalāmā substrāta nosaukumu, kam seko hidrolāzes pievienošana. Taču, kā likums, triviālā nosaukumā vārds hidrolāze tiek izlaists un paliek tikai piedēklis "-aza".

EC 3.1 estera saites esterāze: nukleāze, fosfodiesterāze, lipāze, fosfatāze

CF 3.2 cukura glikozidāzes: amilāze, hialuronidāze, lizocīms utt.

CF 3.3 vienkāršs ētera savienojums

EC 3.4 peptīdu saites proteāze: tripsīns, himotripsīns, elastāze, trombīns, renīns utt.

EC 3.5 nepeptīdu oglekļa-slāpekļa saite

CF 3.6 skābes anhidrīda anhidrīda hidrolāze (helikāze, GTPāze)

CF 3.7 oglekļa-oglekļa saite (C-C)

CF 3.8 halogēna saite

EC 3.9 slāpekļa-fosfora saite (P-N)

CF 3.10 slāpekļa-sēra saite (S-N)

EC 3.11 oglekļa-fosfora saite (C-P)

EC 3.12 disulfīda saite (S-S)

CF 3.13 sēra-oglekļa saite (C-S)

Lea ?zy (sintāzes) - atsevišķa enzīmu klase, kas katalizē substrāta dažādu ķīmisko saišu (C-C, C-O, C-N, C-S un citu) nehidrolītisko un neoksidatīvo pārrāvuma reakcijas, atgriezeniskas dubulto savienojumu veidošanās un pārrāvuma reakcijas. saites, ko pavada atomu grupu likvidēšana vai pievienošana to vietā, kā arī ciklisku struktūru veidošanās.

Kopumā fermentu nosaukumi tiek veidoti saskaņā ar shēmu "substrāts + liāze". Tomēr biežāk nosaukumā tiek ņemta vērā fermenta apakšklase. Liāzes atšķiras no citiem fermentiem ar to, ka katalizētajās reakcijās vienā virzienā ir iesaistīti divi substrāti, un tikai viens ir iesaistīts reversajā reakcijā. Fermenta nosaukumā ir vārdi "dekarboksilāze" un "aldolāze" vai "liāze" (piruvāta dekarboksilāze, oksalāta dekarboksilāze, oksaloacetāta dekarboksilāze, treonīna aldolāze, fenilserīna aldolāze, izocitrāta liāze, alanīna liāze, ATP citrāts un citi). fermenti, kas katalizē ūdens šķelšanās reakcijas no substrāta - "dehidrāze" (karbonāta dehidrāze, citrāta dehidrāze, serīna dehidrāze utt.). Gadījumos, kad tiek konstatēta tikai reversā reakcija vai šis virziens reakcijās ir nozīmīgāks, enzīmu nosaukumā ir vārds "sintāze" (malāta sintāze, 2-izopropilmalāta sintāze, citrāta sintāze, hidroksimetilglutaril-CoA sintāze u.c.). ) .

Piemēri: histidīna dekarboksilāze, fumarāta hidratāze.

Saskaņā ar starptautisko fermentu klasifikāciju un nomenklatūru liāzes pieder 4. klasei, kurā izšķir septiņas apakšklases:

EC 4.1 ietver fermentus, kas sašķeļ oglekļa-oglekļa saites, piemēram, dekarboksilāzes (karboksilizāzes);

EC 4.2 - fermenti, kas sašķeļ oglekļa-skābekļa saites, piemēram, dehidrāze;

EC 4.3 - enzīmi, kas sašķeļ oglekļa-slāpekļa saites (amidīna liāzes);

EC 4.4 - fermenti, kas sašķeļ oglekļa-sēra saites;

EC 4.5 - ietver fermentus, kas sašķeļ oglekļa-halogēna saites, piemēram, DDT-dehidrohlorināzi;

EC 4.6 - fermenti, kas sašķeļ fosfora-skābekļa saites, piemēram, adenilāta ciklāze;

EC 4.99 - ietver citas liāzes

Izomerāzes ir fermenti, kas katalizē izomēru strukturālās transformācijas (racemizāciju vai epimerizāciju). Izomerāzes katalizē šādas reakcijas:? B, kur B ir A izomērs.

Fermenta nosaukums satur vārdu "racemāze" (alanīna-racemāze, metionīna-racemāze, hidroksiprolīna-racemāze, laktāta-racemāze u.c.), "epimerāze" (aldozes-1-epimerāze, ribulozes-4-epimerāze, UDP -glikuronāta-4 -epimerāze u.c.), "izomerāze" (ribozes fosfāta izomerāze, ksilozes izomerāze, glikozamīna fosfāta izomerāze, enoil-CoA izomerāze u.c.), "mutāze" (fosfoglicerāta mutāze, metilaspartāta mutāze, metilaspartāta mutāze, utt. .

Izomerāzēm ir sava klasifikācija EC 5, un tām ir šādas apakšklases:

EC 5.1 ietver fermentus, kas katalizē racemizāciju (racemāzes) un epimerizāciju (epimerāzes)

EC 5.2 ietver fermentus, kas katalizē ģeometrisko izomerizāciju (cis-trans izomerāze)

EC 5.3 ietver intramolekulāras oksidoreduktāzes

EC 5.4 ietver transferāzes (mutāzes)

EC 5.5 ietver intramolekulāras lizāzes

EC 5.99 ietver citas izomerāzes, tostarp topoizomerāzes

Ligāzes (sintetāzes). Ligāžu klasē ietilpst fermenti, kas katalizē organisko vielu sintēzi no divām sākotnējām molekulām, izmantojot ATP (vai cita nukleozīda trifosfāta) sabrukšanas enerģiju. To sistemātiskais nosaukums ir formā "X: Y ligāze", kur X un Y apzīmē izejvielas. Piemērs ir L-glutamāts:amonjaka ligāze (ieteicams saīsinājums "glutamīna sintetāze"), ar kuras līdzdalību glutamīns tiek sintezēts no glutamīnskābes un amonjaka ATP klātbūtnē.

Ligāzes klasificē pēc saišu veida, ko tās katalizē: O-ligāzeS-ligāzeN-ligāzeC-ligāze

Fermentu struktūra

Dabā ir gan vienkārši, gan sarežģīti fermenti. Pirmos pilnībā attēlo polipeptīdu ķēdes, un pēc hidrolīzes tie sadalās tikai aminoskābēs. Šādi enzīmi (vienkāršie proteīni) ir hidrolītiskie enzīmi, jo īpaši pepsīns, tripsīns, papaīns, ureāze, lizocīms, ribonukleāze, fosfatāze utt. Lielākā daļa dabisko enzīmu pieder pie komplekso proteīnu klases, kas papildus polipeptīdu ķēdēm satur arī dažus neolbaltumvielas. komponents (kofaktors), kura klātbūtne ir absolūti nepieciešama katalītiskajai aktivitātei. Kofaktoriem var būt atšķirīgs ķīmiskais raksturs un tie var atšķirties pēc saites stiprības ar polipeptīdu ķēdi. Ja kompleksa enzīma disociācijas konstante ir tik maza, ka šķīdumā visas polipeptīdu ķēdes ir saistītas ar to kofaktoriem un netiek atdalītas izolācijas un attīrīšanas laikā, tad šādu enzīmu sauc par holoenzīmu (holoenzīmu), bet kofaktoru sauc par protezēšanu. grupa, ko uzskata par fermenta molekulas neatņemamu sastāvdaļu. Enzīma polipeptīdu daļu sauc par apoenzīmu.

Literatūrā joprojām tiek lietoti citi komplekso enzīmu komponentu nosaukumi, jo īpaši "enzīms-proteīns", "olbaltumvielu komponents" (apoenzīms), "koenzīms" (koenzīms) un "protētiskā grupa". Koenzīms bieži tiek saprasts kā papildu grupa, kas disociācijas laikā ir viegli atdalāma no apoenzīma. Tiek pieņemts, ka protezēšanas grupu var saistīt ar proteīnu ar kovalentām un nekovalentām saitēm. Tādējādi acetilkoenzīma-A-karboksilāzes molekulā biotīna kofaktors ir kovalenti saistīts ar apoenzīmu, izmantojot amīda saiti. No otras puses, ķīmiskās saites starp kofaktoriem un peptīdu ķēdēm var būt salīdzinoši vājas (piemēram, ūdeņraža saites, elektrostatiskā mijiedarbība utt.). Šādos gadījumos fermentu izolācijas laikā tiek novērota abu daļu pilnīga disociācija, un izolētajam proteīna komponentam nav fermentatīvās aktivitātes, līdz trūkstošais kofaktors tiek pievienots no ārpuses. Tieši uz šādām izolētām zemas molekulmasas organiskām vielām attiecināms termins “koenzīms”, kura tipiski pārstāvji ir koenzīmus saturoši vitamīni B1, B2, B6, PP. Zināms arī, ka ķīmiskās reakcijās aktīvi piedalās gan protezēšanas grupas, gan koenzīmi, kas darbojas kā elektronu, ūdeņraža atomu vai dažādu funkcionālo grupu (piemēram, amīna, acetilgrupas, karboksilgrupu) starpnesēji. Šādos gadījumos koenzīms tiek uzskatīts par otro substrātu vai kosubstrātu.

Koenzīma (Co) lomu kā, piemēram, ūdeņraža atomu nesēju var attēlot kā shēmu, kur SH ir substrāts, KoE ir holoenzīms, A ir protonu akceptors:

Substrāts tiek oksidēts, ziedojot elektronus un protonus, un CoE tiek reducēts, pieņemot elektronus un protonus. Nākamajā pusreakcijā reducētais CoEN var ziedot elektronus un protonus kādam citam starpposma elektronu un protonu nesējam vai galīgajam akceptoram.

Koenzīms, kofaktors, protēžu grupa - divdomīgs bioķīmiskais žargons. Terminoloģiskais strīds joprojām turpinās, jo definīcijas "koenzīms", "kofaktors" un "protētiskā grupa" bieži tiek aplūkotas, izmantojot prizmu to lomai enzīmu (enzīmu) katalīzes reakcijās. Tomēr jāņem vērā neapstrīdams fakts, ka daudzos gadījumos neolbaltumvielu organiskās molekulas, piemēram, metālu joni, proteīna komponentam ir absolūti nepieciešamas, veicot noteiktu bioloģisku funkciju, kas nav saistīta ar biokatalīzi. Neapšaubāmi, nozīme ir arī saiknes veidam un raksturam starp ne-olbaltumvielu komponentu un proteīna molekulu. Tāpēc ir skaidrs, ka jebkurš faktors, kas ir absolūti nepieciešams, lai proteīns pildītu savu katalītisko vai jebkuru citu bioloģisko lomu, var kalpot kā kofaktors. No otras puses, koenzīms var būt jebkurš neolbaltumvielu faktors, kas ir tieši iesaistīts fermentatīvās katalīzes reakcijā. Kofaktors, kas nav tieši iesaistīts katalīzes darbībā, nav koenzīms. Tajā pašā laikā protezēšanas grupu (kovalenti saistītu ne-olbaltumvielu sastāvdaļu, kas nepieciešama noteiktai funkcijai) var saukt par koenzīmu, ja tā ir tieši iesaistīta fermentatīvā reakcijā. Protēžu grupu, kas nav iesaistīta katalīzes darbībā, bet ir funkcionāli būtiska gan fermentam, gan nekatalītiskajam proteīnam, var saukt par kofaktoru. Visbeidzot, kofaktors un koenzīms, kas ir vāji (vai vāji saistīti) ar fermentu vai proteīnu, netiek klasificēti kā protezēšanas grupas.

Daudzi divvērtīgi metāli (Mg 2+, Мn 2+, Sa 2+) darbojas arī kā kofaktori, lai gan tie nav ne koenzīmi, ne protēžu grupas. Ir zināmi piemēri, kad metālu joni ir cieši saistīti ar proteīna molekulu, veicot protezēšanas grupas funkcijas. Jo īpaši attīrītais enzīms, kas katalizē askorbīnskābes (C vitamīna) oksidēšanos par deoksiaskorbīnskābi, satur 8 vara atomus katrā molekulā; tie visi ir tik cieši saistīti ar proteīna molekulu, ka pat netiek apmainīti ar jonu apmaiņas sveķiem un netiek atdalīti ar dialīzi. Turklāt, izmantojot elektronu paramagnētiskās rezonanses metodi, tika parādīta vara jonu līdzdalība starpposma elektronu pārnesē. Interesanti, ka askorbīnskābes oksidēšanās laikā arī brīvie vara joni ir apveltīti ar katalītisko aktivitāti, tomēr šī aktivitāte palielinās daudzus tūkstošus reižu, ja vara joni savienojas ar apoenzīmu vienotā kompleksā – holoenzīmā.

Ir iegūti pierādījumi par kofaktora funkciju fermentatīvās reakcijās un virkni citu bioloģiski aktīvu savienojumu, kas nav saistīti ar vitamīniem: HS-glutations, ATP, liposkābe, nukleozīdu atvasinājumi (uridīna fosfāts, citidīna fosfāts, fosfoadenozīna fosfosulfāts), porfirīnfosfāts. satur vielas utt. Tas var ietvert arī tRNS, kas kā daļa no enzīmu aminoacil-tRNS sintetāzes aktīvi piedalās aminoskābju transportēšanā ribosomā, kur notiek olbaltumvielu sintēze.

Jāatzīmē viena divkomponentu enzīmu atšķirīgā iezīme: ne kofaktors atsevišķi (tostarp lielākā daļa koenzīmu), ne pats apoenzīms nav apveltīts ar katalītisko aktivitāti, un tikai to apvienošana vienotā veselumā, kas nenotiek haotiski, bet gan saskaņā ar to strukturālās organizācijas programma, nodrošina ātru ķīmiskās reakcijas norisi.

Fermentu aktīvā vieta.

Pētot enzīmu katalizētās ķīmiskās reakcijas mehānismu, pētnieku vienmēr interesē ne tikai starpproduktu un galaproduktu noteikšana un atsevišķu reakcijas posmu noskaidrošana, bet arī to funkcionālo grupu raksturs fermenta molekulā, kas nodrošina. fermenta darbības specifika uz noteiktu substrātu (substrātiem) un augsta katalītiskā aktivitāte. Tāpēc mēs runājam par precīzām zināšanām par fermenta ģeometriju un terciāro struktūru, kā arī par tās enzīma molekulas sadaļas(-u) ķīmisko raksturu, kas nodrošina augstu katalītiskās reakcijas ātrumu. Fermentatīvās reakcijās iesaistītās substrāta molekulas, salīdzinot ar enzīmu molekulām, bieži ir mazas, tāpēc tika ierosināts, ka fermentu-substrāta kompleksu veidošanās laikā ierobežota daļa peptīdu ķēdes aminoskābju acīmredzami nonāk tiešā saskarē ar substrātu. molekula. Tādējādi radās ideja par enzīma aktīvo centru. Aktīvais centrs ir unikāla aminoskābju atlieku kombinācija fermenta molekulā, kas nodrošina tās tiešu saistīšanos ar substrāta molekulu un tiešu līdzdalību katalīzes aktā. Konstatēts, ka kompleksos enzīmos aktīvā centra sastāvā ietilpst arī protēžu grupas.

Aktīvais centrs parasti atšķir tā saukto katalītisko centru, kas tieši nonāk ķīmiskā mijiedarbībā ar substrātu, un saistīšanas centru jeb kontakta (“enkura”) vietu, kas nodrošina specifisku afinitāti pret substrātu un tā kompleksa veidošanos. ar fermentu. Savukārt substrāta molekulā ir arī funkcionāli atšķirīgas vietas: piemēram, esterāžu vai proteināžu substrāti - viena specifiska saite (vai atomu grupa), kurai uzbrūk enzīms, un viena vai vairākas vietas, kuras selektīvi saistās enzīms.

Ir iegūti eksperimentāli pierādījumi par divu histidīna atlikumu un serīna atlikumu klātbūtni himotripsīna aktīvajā vietā, kas shematiski attēloti šī enzīma prekursora trīsdimensiju strukturālajā modelī. Aktīvo vietu grupu ķīmiskās dabas un iespējamās topogrāfijas atklāšana ir ārkārtīgi svarīga problēma. Tas ir saistīts ar aminoskābju rakstura, to secības un atrašanās vietas noteikšanu aktīvajā centrā. Lai identificētu tā sauktos neaizvietojamo aminoskābju atlikumus, tiek izmantoti specifiski enzīmu inhibitori (bieži vien tās ir substrātam līdzīgas vielas vai koenzīmu analogi), "mīkstās" (ierobežotas) hidrolīzes metodes kombinācijā ar ķīmisko modifikāciju, ieskaitot selektīvu oksidēšanu, saistīšanu. , aminoskābju atlikumu aizstāšana utt.

Izmantojot inhibējošās analīzes metodes, tika mēģināts noteikt likumsakarības dažādu grupu enzīmu aktīvo vietu sastāvā un struktūrā. Jo īpaši, lietojot diizopropilfluorfosfātu (DFP), kas pieder pie tā sauktajām nervu indēm, tiek pilnībā izslēgts holīnesterāzes aktīvais centrs, enzīms, kas katalizē acetilholīna hidrolīzi holīnā un etiķskābē. Izrādījās, ka šim inhibitoram ir cieša strukturāla līdzība ar acetilholīnu un līdzīgi mijiedarbojas ar serīna atlikuma OH grupu aktīvajā vietā. Izraisot serīna fosforilēšanos vairāku citu enzīmu aktīvajā centrā, DPP arī inaktivē to darbību:

Tika parādīts, ka DPP selektīvi fosforilē tikai vienu serīna atlikumu, kas apveltīts ar funkcionālu aktivitāti katrā pret to jutīgajā fermentā. Ņemot vērā šo DPP darbības mehānismu, ir veikti mēģinājumi noteikt aminoskābju raksturu vairāku enzīmu "katalītiskā" serīna atlikuma vidē.

Papildus aktīvajam centram fermenta molekulā var būt arī allosteriskais centrs (vai centri) (no grieķu valodas allos — cits, atšķirīgs un steros — telpisks, strukturāls), kas ir fermenta molekulas sadaļa, kas saistās ar noteiktu. , parasti zemas molekulmasas, vielas (efektori vai modifikatori), kuru molekulas pēc struktūras atšķiras no substrātiem. Efektora piesaiste alosteriskajam centram maina fermenta molekulas terciāro un nereti arī ceturkšņa struktūru un attiecīgi aktīvās vietas konfigurāciju, izraisot fermentatīvās aktivitātes samazināšanos vai palielināšanos. Fermentus, kuru katalītiskā centra aktivitāte izmainās allosterisko efektoru ietekmē, kas saistās ar allosterisko centru, sauc par allosteriskajiem enzīmiem.

Vairāku allosterisko enzīmu atšķirīga iezīme ir vairāku aktīvo centru un vairāku allosterisko regulējošo centru klātbūtne oligomēra enzīma molekulā, kas atrodas telpiski tālu viens no otra. Allosteriskā enzīmā katrs no diviem simetriski konstruētiem protomēriem satur vienu aktīvo vietu, kas saistās ar S substrātu, un vienu allosterisko vietu, kas saistās ar M2 efektoru, t.i. 2 centri vienā fermenta molekulā. Ir iegūti pierādījumi, ka substrātam alosteriskie enzīmi papildus aktīvajam centram satur arī tā sauktos efektorcentrus; Saistoties ar efektora vietu, substrāts netiek pakļauts katalītiskajai konversijai, bet tas ietekmē aktīvās vietas katalītisko efektivitāti. Šādas mijiedarbības starp centriem, kas saista viena veida ligandus, sauc par homotropu mijiedarbību, un mijiedarbību starp centriem, kas saista dažāda veida ligandus, sauc par heterotropām mijiedarbībām.

Tādējādi fermentatīvā katalīzē, tāpat kā substrāta saistīšanās reakcijā, tiek iesaistīta nevis ierobežota un maza fermenta daļa, kā tika pieņemts iepriekš, bet gan daudz lielāka proteīna-enzīma molekulas daļa. Šie apstākļi, visticamāk, var izskaidrot fermenta molekulas trīsdimensiju struktūras lielo izmēru un apjomu; tie paši apstākļi būtu jāņem vērā programmās mākslīgo zema molekulāro enzīmu analogu (sinzīmu) radīšanai, kam piemīt vietējo enzīmu īpašības.

Fermentu darbības mehānisms

enzīmu bioloģiskā katalīze transaminēšana

Vairāku enzīmu telpiskās struktūras atklāšana ar rentgenstaru difrakcijas analīzi nodrošināja uzticamu pamatu to darbības mehānisma racionālu shēmu veidošanai.

Enzīmu darbības mehānisma noteikšana ir ļoti svarīga, lai atklātu strukturālās un funkcionālās attiecības dažādās bioloģiski aktīvās sistēmās.

Lizocīms ir atrodams dažādos dzīvnieku un augu audos, jo īpaši tas ir atrodams asaru šķidrumā un olu baltumā. Lizocīms darbojas kā antibakteriāls līdzeklis, katalizējot vairāku baktēriju šūnu sieniņu hidrolīzi. Šis polisaharīds veidojas, mainot N-acetilmurānskābes (NAM) atlikumus, kas saistīti ?-1,4-glikozīdā saite (polisaharīdu ķēdes ir šķērssavienotas ar īsiem peptīdu fragmentiem).

Baktēriju polisaharīds ir ļoti sarežģīts nešķīstošs savienojums, tāpēc par lizocīma substrātiem bieži izmanto labi hidrolizējamus oligosaharīdus, ko veido NAG atliekas.

Vistas olu proteīna lizocīmu veido viena polipeptīda ķēde, kas satur 129 aminoskābju atlikumus; tā molekulmasa ir 14 600. Fermenta augstu stabilitāti nodrošina četru disulfīda tiltu klātbūtne.

Informāciju par aktīvo centru un katalītiskā procesa veidu ieguva D. Filips 1965. gadā. pamatojoties uz lizocīma un tā kompleksu ar inhibitoriem rentgena difrakcijas pētījumiem. Lizocīma molekulai ir elipsoīda forma ar asīm 4,5*3*3 nm; starp abām molekulas pusēm ir "sprauga", kurā notiek oligosaharīdu saistīšanās. Spraugas sienas veido galvenokārt nepolāro aminoskābju sānu ķēdes, kas nodrošina substrāta nepolāro molekulu saistīšanos, kā arī ietver polāro aminoskābju sānu ķēdes, kas spēj veidot ūdeņraža saites. ar substrāta acilamino un hidroksilgrupām. Spraugas izmērs ļauj ievietot oligosaharīda molekulu, kas satur 6 monosaharīdu atlikumus. Izmantojot rentgenstaru difrakcijas analīzi, nosakiet substrāta, piemēram, NAG heksasaharīda, saistīšanās raksturu 6, neizdodas. Tajā pašā laikā enzīma kompleksi ar trisaharīda inhibitoru NAG 3stabils un labi pētīts. NAG 3saistās spraugā uz enzīma virsmas, veidojot ūdeņraža saites un van der Vālsa kontaktus; tajā pašā laikā tas aizpilda tikai pusi no spraugas, kurā var saistīties vēl trīs monosaharīdu atliekas. Nereducējošais gals (cukurs A) atrodas spraugas sākumā, bet reducējošais gals (cukurs C) atrodas tā centrālajā daļā; cukura atlikumiem A, B un C ir krēsla uzbūve. Fermenta-substrāta kompleksa modeļa uzbūve tika balstīta uz pieņēmumu, ka pēc NAG substrāta saistīšanās 6tiek realizēta tāda pati mijiedarbība kā NAG saistīšanā 3. Enzīmu modelī spraugas iekšpusē tika ievietotas trīs cukura atliekas (sauktas par atlikumiem D, E un F); katrs nākamais cukurs tika piestiprināts tā, lai tā uzbūve būtu tāda pati (cik vien iespējams) kā pirmajiem trim cukuriem. Kā daļa no modeļa kompleksa visi cukura atlikumi īsteno efektīvu nekovalentu mijiedarbību ar aminoskābju atlikumu sānu un peptīdu grupām, kas veido plaisu.

Identificējot katalītiskās grupas, bija dabiski koncentrēties uz tām, kas atrodas enzīmu-substrāta kompleksā šķeļamās glikozīdiskās saites tuvumā un var kalpot kā protonu donori vai akceptori. Izrādījās, ka vienā sadalītās saites pusē, attālumā? 0,3 nm (no glikozīdiskās saites skābekļa) atrodas Glu-35 karboksilgrupa, bet otrā (tādā pašā attālumā) Asp-52 karboksilgrupa, to vide ir ļoti atšķirīga. Glu-35 ieskauj hidrofobas atliekas; var pieņemt, ka pie enzīma optimālā pH šī grupa atrodas nejonizētā stāvoklī. Asp-52 vide ir izteikti polāra; tā karboksilgrupa piedalās kā ūdeņraža akceptors sarežģītā ūdeņraža saišu tīklā un, iespējams, darbojas jonizētā stāvoklī.

Ir ierosināta šāda katalītiskā procesa shēma oligosaharīda hidrolīzes laikā. Glu-35 nejonizētā karboksilgrupa darbojas kā protonu donors, piegādājot to glikozīdiskā skābekļa atomam starp C atomu. (1)cukurs D un atoms C ( 4)cukurs E (vispārējais skābes katalīzes posms); tā rezultātā tiek pārrauta glikozīdā saite. Rezultātā cukura atlikums D pāriet karbokācijas stāvoklī ar pozitīvi lādētu oglekļa atomu C (1)un pieņem puskrēsla uzbūvi. Asp-52 karboksilāta grupas negatīvais lādiņš stabilizē karbokāciju. Atlikušais NAG 2(cukurs E+F) izkliedējas no aktīvās vietas reģiona. Tad reakcijā nonāk ūdens molekula; tā protons nonāk Glu-35 un OH --grupa līdz C atomam (1)atlikums D (pamata katalīzes posms). Atlikušais NAG 4(cukurs A + B + C + D) atstāj aktīvā centra reģionu, un ferments atgriežas sākotnējā stāvoklī.

Liellopu aizkuņģa dziedzera ribonukleāze (RNāze) hidrolizē RNS starpnukleotīdu saites pirimilīna vienību tuvumā, kas paliek esterificētas pie 3 - pozīcija. Fermentu kopā ar citām nukleāzēm plaši izmanto RNS struktūras analīzē.

RNāzi veido viena polipeptīda ķēde, kas satur 124 aminoskābju atlikumus, un tās molekulmasa ir 13 680; Molekulā ir četras disulfīda saites. RNāze ir pirmais enzīms, kuram ir izveidota primārā struktūra.

Pamatojoties uz ribonukleāzes renaturācijas pētījuma rezultātiem, K. Afinsens pirmo reizi skaidri formulēja domu, ka proteīna telpisko struktūru nosaka tā primārā struktūra.

1958. gadā F. Ričardss parādīja, ka noteiktos apstākļos subtilizīns sašķeļ peptīdu saiti Ala-20 - Ser-21 RNāzē. Iegūtos fragmentus sauca par S-peptīdu (atlikumi 1-20) un S-proteīnu (atlikumi 21-124); nekovalentās mijiedarbības dēļ fragmenti veido kompleksu, ko sauc par RNāzi S. Šim kompleksam ir gandrīz visa dabiskā enzīma katalītiskā aktivitāte; izolētā formā S-peptīds un S-proteīns ir neaktīvi. Turklāt tika konstatēts, ka sintētiskais peptīds, kas pēc secības ir identisks S-peptīda fragmentam, kas satur atlikumus no 1 līdz 13, atjauno S-proteīna aktivitāti, bet īsākam peptīdam, kas satur atlikumus no 1 līdz 11, šīs spējas nav. Iegūtie dati ļāva secināt, ka attiecīgie His-12 vai Met-13 atlikumi (vai abi šie atlikumi) ir iekļauti fermenta aktīvajā vietā.

Pētot pH ietekmi uz RNāzes aktivitāti, tika noskaidrota proteīnu funkcionālo grupu ar pK 5,2 un 6,8 svarīgā loma; tas liecināja par histidīna atlikumu līdzdalību katalītiskajā procesā.

Pēc RNāzes karboksilēšanas ar jodacetātu pie pH 5,5, t.i. apstākļos, kādos pārsvarā notiek histidīna atlieku modifikācijas, tika novērots pilnīgs aktivitātes zudums; modificētais enzīms satur 1 molu karboksimetilgrupu uz 1 molu proteīna. Rezultātā veidojas divas fermenta monokarboksimetilēna formas. Vienā formā His-12 ir karboksimetilēts, bet otrā - His-119. His-119 pārsvarā tika modificēts.

Šie dati liecināja, ka His-12 un His-119 atrodas aktīvajā vietā un ka viena no tām modifikācija neļauj mainīt otru.

Rentgenstaru difrakcijas pētījumu rezultātā tika noskaidrota RNāzes S un RNāzes S kompleksa ar inhibitoriem telpiskā struktūra. Molekulai ir nieres forma, aktīvais centrs ir lokalizēts padziļinājumā, kur atrodas His-12, His-119 un Lys-41 atliekas.

Hidrolīze notiek His-12 un His-119 atlikumu konjugētas darbības rezultātā, kas veic skābju-bāzes katalīzi. Zemāk redzamā diagramma parāda katalītiskā procesa posmus:

1.Substrāts atrodas aktīvajā vietā; His-12, His-119 un Lys-41 atrodas netālu no negatīvi lādēta fosfāta.

2.His-12 kā protonu pieņemšanas bāzes darbības rezultātā no 2 ribozes -OH grupas un His-119 kā skābe, kas nodod protonu fosfāta skābekļa atomam, vispirms veidojas starpproduktu komplekss un pēc tam 2 ,3-cikliskais fosfāts.

.Aizvadītā produkta vietā nonāk ūdens, ziedojot His-119 protonu un OH -- fosfāts, tajā pašā laikā protons no His-12 pāriet uz ribozes skābekļa atomu, veidojas otrais produkts, un ferments atgriežas sākotnējā stāvoklī.

Himotripsīnu proenzīma – himotripsinogēna veidā izdala mugurkaulnieku aizkuņģa dziedzeris; proenzīma aktivācija notiek divpadsmitpirkstu zarnā tripsīna ietekmē. Himotripsīna fizioloģiskā funkcija ir olbaltumvielu un polipeptīdu hidrolīze. Himotripsīns uzbrūk galvenokārt peptīdu saitēm, ko veido tirozīna, triptofāna, cenilalanīna un metionanīna karboksilgrupas. Tas arī efektīvi hidrolizē atbilstošo aminoskābju esterus. Himotripsīna molekulmasa ir 25 000, molekula satur 241 aminoskābes atlikumu. Himotripsīnu veido trīs polipeptīdu ķēdes, kas savienotas ar disulfīda tiltiem.

Himotripsīna aktīvās vietas funkcionālās grupas ir noteiktas, izmantojot neatgriezeniskus inhibitorus. Ser-195 atlikums tika modificēts ar diizopropilfluorfosfātu un fenilmetilsulfofluorīdu, un His-122 atlikums tika modificēts ar N-tosil-L-fenilalanīna-hlormetilketonu. Himotripsīna hidrolīzes divpakāpju process tika atklāts p-nitrofenilacetāta hidrolīzes kinētikas izpētē.

Apskatāmā procesa raksturīga iezīme ir kovalenta starpprodukta, acilenzīma, veidošanās. Acilētā katalītiskā grupa tika identificēta kā atlikums Ser-195. Enzīma veiktās katalīzes mehānisms tika ierosināts pat pirms proteīna telpiskās struktūras noteikšanas, bet vēlāk tika pilnveidots. Jo īpaši pētījumi ar 18H 2O ļāva pierādīt acilenzīma veidošanos peptīdu hidrolīzes laikā.

Trīsdimensiju struktūra ar izšķirtspēju 0,2 nm tika noteikta ar D. Blow rentgenstaru difrakcijas analīzi. 1976. gadā Molekulai ir elipsoīda forma ar asīm 5,4*4*4 nm. Kristalogrāfisko pētījumu rezultāti apstiprināja pieņēmumu, ka Ser-195 un His-57 atliekas ir tuvas. Ser-195 hidroksilgrupa atrodas ~ 0, 3 nm attālumā no His-57 imidazola gredzena slāpekļa atoma. Interesantākais apstāklis ​​bija tas, ka slāpekļa atoms gredzena 1. pozīcijā atrodas ~0,28 nm attālumā no Asp-102 sānu ķēdes karboksilgrupas skābekļa atoma un ieņem ūdeņraža saites veidošanai labvēlīgu stāvokli. .

Jāatzīmē, ka ķīmiskie pētījumi nevarēja atklāt Asp-102 iesaistīšanos aktīvās vietas darbībā, jo šis atlikums ir iestrādāts dziļi molekulā.

Pašlaik tiek uzskatīts, ka trīs atlikumi Asp-102, His-57 un Ser-195 veido lādiņa pārneses sistēmu, kurai ir izšķiroša loma katalīzes procesā. Sistēmas darbība nodrošina His-57 efektīvu līdzdalību katalīzē kā skābes-bāzes katalizatoram un palielina Ser-195 reaktivitāti pret uzbruktās saites karboksiloglekli.

Katalīzes galvenais elements ir protonu pārnešana no Ser-195 uz His-57. Tajā pašā laikā serīna skābekļa atoms uzbrūk substrāta karboniloglekļa atomam, veidojot vispirms starpproduktu tetraedrisku savienojumu (1) un pēc tam acilenzīmu (2). Nākamais solis ir deacilēšana. Ūdens molekula nonāk lādiņa pārneses sistēmā, un OH jons -vienlaikus uzbrūk acilenzīma acilgrupas karboniloglekļa atomam. Tāpat kā acilēšanas posmā, veidojas starpprodukts tetraedrisks savienojums (4). His-57 pēc tam ziedo protonu Ser-195 skābekļa atomam, atbrīvojot acilproduktu; tas izkliedējas šķīdumā, un ferments atgriežas sākotnējā stāvoklī.

Karboksipeptidāzi A kā proenzīmu izdala mugurkaulnieku aizkuņģa dziedzeris. Aktīvā enzīma veidošanās notiek tievajās zarnās, piedaloties himotripsīnam. Ferments secīgi atdala no peptīdu ķēdes C-gala aminoskābju atlikumus, t.i. ir eksopeptidāze.

Karboksipeptidāzi A veido viena polipeptīda ķēde, kas satur 307 aminoskābju atlikumus; molekulmasa ir 34 470. Proteīna aminoskābju secību 1969. gadā noteica R. Bredšovs.

Enzīmu darbības mehānisma noskaidrošana bija iespējama tikai pēc rentgenstaru difrakcijas pētījumiem. Fermenta un tā kompleksa ar dipeptīdu Gly-Tyr (substrāta modelis) telpisko struktūru noteica V. Lipskombs. Enzīma molekulai ir elipsoīda forma ar asīm 5,0*4,2*3,8 nm; aktīvais centrs atrodas ieplakā, kas pāriet dziļā nepolārā kabatā. Aktīvā centra zonā ir lokalizēts cinka jons (tā ligandi ir Glu-72, His196, His-69 atlieku sānu ķēdes un ūdens molekula), kā arī substrāta saistīšanā un katalīzē iesaistītās funkcionālās grupas - Arg-145, Glu-270 un Tyr-248.

Fermenta un tā kompleksa ar Gly-Tyr struktūru salīdzinošā analīze sniedza svarīgu informāciju par fermenta-substrāta kompleksa struktūru. Jo īpaši tika konstatēts, ka kompleksa veidošanās laikā Tyr-248 hidroksilgrupa pārvietojas par 1,2 nm attiecībā pret tās pozīciju brīvajā fermentā (t.i., aptuveni 1/3 no molekulas diametra).

Saskaņā ar katalītiskā procesa shēmu Glu-270 karboksilāta grupa aktivizē ūdens molekulu, kas atrodas reakcijas sfērā, izvelkot no tās protonu; iegūtais OH-jons veic nukleofīlo uzbrukumu sašķeļamās saites karbonilogleklim. Tajā pašā laikā Tyr-248 hidroksilgrupa, kas atrodas netālu no sadalāmās peptīdu saites slāpekļa atoma, ziedo tai protonu. Rezultātā uzbruktā peptīdu saite tiek sašķelta, un iegūtie produkti atstāj aktīvās vietas zonu. Zemāk redzamā diagramma ilustrē vispārējo pamata katalīzi.

Aspartātaminotransferāze katalizē atgriezenisko transaminācijas reakciju.

Fermentatīvās transaminācijas reakciju atklāja A.E. Braunšteins un M.G. Kricmans 1937. gadā enzīmu preparāta izpētē no baloža muskuļa. Turpmākajos pētījumos tika pierādīts, ka transaminācijas reakcijas ir plaši izplatītas savvaļas dzīvniekiem un tām ir svarīga loma slāpekļa un enerģijas metabolisma konjugācijā.

1945. gadā tika konstatēts, ka piridoksāls-5 -fosfāts (PLF) ir aminotransferāžu koenzīms. AAT molekula ir dimērs, ko veido identiskas apakšvienības. Pētīto mugurkaulnieku sirds muskuļos ir divi izoenzīmi - citoplazmas (cAAT0) un mitohondriju (mAAT) aminotransferāzes.

Sirds muskuļa cAAT primārā struktūra tika izveidota 1972. Yu.A. Ovčiņņikovs un A.E. Brainšteins. Proteīna polipeptīdu ķēde satur 412 aminoskābju atlikumus; molekulmasa ir 46 000.

Vispārējo piridoksāla katalīzes teoriju izstrādāja A.E. Braunšteins un M.M. Šemjakins 1952.–1953. gadā, un nedaudz vēlāk - D.E. Metzlers un E.E. Snell. Saskaņā ar šo teoriju piridoksāla enzīmu katalītiskā darbība ir saistīta ar piridoksāla fosfāta aldehīdu grupas spēju veidot aldimīnus (Šifa bāzes), mijiedarbojoties ar amīniem, tostarp aminoskābēm.

Iegūtajā fosfopiridoksildēnaminoskābē ir konjugētu dubultsaišu sistēma, pa kuru notiek elektronu nobīde no ?-oglekļa atoms ļauj vieglāk saraut šī atoma izveidotās saites.

Mūsdienu idejas par fermentatīvās transaminācijas mehānismu, ko izstrādājis A.E. Braunšteins un viņa līdzstrādnieki ir iepriekš minētās teorijas attīstība. Sākotnējā stāvoklī piridoksāla fosfāta aldehīda grupa veido aldimīna saiti ar ?-aktīvās vietas (I) Lys-258 atlikuma aminogrupa. Saistoties aminoskābei, veidojas Miķeļa komplekss (II), kam seko aldimīns starp piridoksāla fosfātu un substrātu (III). Turpmāko transformāciju rezultātā caur starpposmiem (IV) un (V) veidojas oksoskābe (VI). Tas pabeidz pirmo transaminācijas pusreakciju. Šo pašu darbību atkārtošana "apgrieztā" virzienā ar jauno hidroksikābi veido otro pusreakciju, kas pabeidz katalītisko transaminācijas ciklu.

Mioglobīns un hemoglobīns

Šīs divas olbaltumvielas bieži sauc par elpošanas enzīmiem. To mijiedarbība ar substrātu, skābekli, ir detalizēti izskaidrota, galvenokārt pamatojoties uz augstas izšķirtspējas rentgenstaru difrakcijas analīzi. Mioglobīna trīsdimensiju struktūru noteica J. Kendrew 1961. gadā, bet hemoglobīna trīsdimensiju struktūru - M. Perucs 1960. gadā.

Mioglobīna molekulai ir kompakta forma - 4,5 * 3,5 * 2,5 nm, polipeptīdu ķēde veido 8 spirālveida sekcijas, kas apzīmētas ar burtiem no A līdz H. Tā ir izkārtota specializēti ap lielu plakanu dzelzi saturošu hēma gredzenu. Hēms ir porfirīna komplekss ar melno dzelzi.

Polārās hēmas propionskābes ķēdes atrodas uz molekulas virsmas, pārējā hēma ir iestrādāta globulā. Hēma savienojums ar proteīnu tiek veikts, pateicoties koordinācijas saitei starp dzelzs atomu un histidīna atomu, kas lokalizēta F spirālē; tas ir tā sauktais proksimālais histidīns. Vēl viens svarīgs histidīna atlikums, distālais histidīns, ir lokalizēts hema kabatā E spirālē; tas atrodas dzelzs atoma pretējā pusē lielākā attālumā nekā proksimālais histidīns. Reģions starp gēnu dzelzi un distālo histidīnu deoksimioglobīnā ir brīvs, un lipofīlā O molekula 2var saistīties ar hema dzelzi, ieņemot sesto koordinācijas pozīciju. Unikāla mioglobīna, kā arī hemoglobīna iezīme ir to spēja atgriezeniski saistīt O. 2bez hema Fe oksidācijas 2+in Fe 3+. Tas ir iespējams, jo hidrofobajā hēma kabatā tiek izveidota zemas caurlaidības vide, no kuras tiek izspiests ūdens.

Sasaistot O 2ar dzelzs atomu pēdējais pārvietojas par aptuveni 0,06 nm un nonāk porfirīna gredzena plaknē, t.i. enerģētiski labvēlīgākā stāvoklī. Tiek pieņemts, ka šī kustība ir saistīta ar faktu, ka Fe jons 2+dezoksimioglobīns ir augsta griešanās stāvoklī un tā rādiuss ir pārāk liels, lai ietilptu hēma porfirīna gredzena plaknē. Sasaistot O 2Fe jons 2+ pāriet zemas tapas stāvoklī un tā rādiuss samazinās; tagad Fe jons 2+var pārvietoties porfirīna gredzena plaknē.

Hemoglobīns ir galvenā sarkano asins šūnu sastāvdaļa, kas piegādā skābekli no plaušām uz audiem un oglekļa dioksīdu no audiem uz plaušām. Dažādu veidu hemoglobīni atšķiras pēc kristālu formas, šķīdības, afinitātes pret skābekli. Tas ir saistīts ar atšķirībām olbaltumvielu aminoskābju secībā; hēma komponents ir vienāds visu mugurkaulnieku sugu un dažu bezmugurkaulnieku hemoglobīnā.

Cilvēka hemoglobīns ir tetramērs, kas sastāv no četrām apakšvienībām, divām ?-apakšvienības un divas ?-apakšvienības, kas satur attiecīgi 141 un 146 aminoskābju atlikumus. starp primārajām struktūrām ?- un ?-apakšvienībām ir būtiska homoloģija, un arī to polipeptīdu ķēžu konformācija ir līdzīga.

Hemoglobīna molekulai ir sfēriska forma ar diametru 5,5 nm. Četras apakšvienības ir iepakotas tetraedriskā formā.

Rentgenstaru difrakcijas dati parādīja, ka hemoglobīna piesātināšana ar skābekli ir saistīta ar vairākām izmaiņām. Pie zemas izšķirtspējas tika konstatēts, ka šajā gadījumā struktūra kļūst kompaktāka (Fe atomi ?-ķēdes tuvojas viena otrai par aptuveni 0,6-0,7 nm), apakšvienības griežas viena pret otru un otrās kārtas asi par 10-15 par . Pētījuma rezultāti ar augstu izšķirtspēju liecina, ka īpaši nozīmīgas izmaiņas notiek reģionā ?? kontaktpersonas.

Līdz šim, pamatojoties uz rentgenstaru difrakcijas pētījumiem un vairākām citām metodoloģiskām pieejām, ir panākts ievērojams progress, lai noskaidrotu enzīmu darbības mehānismu ar vēlamajām īpašībām, pamatojoties uz sasniegumiem gēnu inženierijas jomā. Tas paver plašas iespējas pārbaudīt mūsdienu ideju pamatotību par enzīmu darbības mehānismu un izveidot fundamentālu fermentatīvā katala teoriju.

Bibliogrāfiskais saraksts

1. A. Lēningers Bioķīmijas pamati. - Maskavas pasaule, 1985.

Yu.A. Ovčiņņikovs. Bioorganiskā ķīmija. - Maskavas apgaismība, 1987.

T.T. Berezovs, B.F. Korovkins. Bioloģiskā ķīmija. - Maskavas medicīna, 1990.

Apmācība

Nepieciešama palīdzība tēmas apguvē?

Mūsu eksperti konsultēs vai sniegs apmācību pakalpojumus par jums interesējošām tēmām.
Iesniedziet pieteikumu norādot tēmu tieši tagad, lai uzzinātu par iespēju saņemt konsultāciju.

Cilvēka ķermenis sastāv no milzīga skaita dzīvu šūnu. Šūnu uzskata par dzīva organisma vienību, tā sastāv no strukturāliem ķermeņiem, starp kuriem notiek bioķīmiskās reakcijas. Svarīga sastāvdaļa, kas kontrolē ķīmisko procesu norisi, ir fermenti.

Fermentu loma organismā

Enzīms ir olbaltumviela, kas paātrina ķīmisko reakciju plūsmu, galvenokārt tas kalpo kā aktivators sabrukšanai un jaunu vielu veidošanai organismā.

Fermenti kalpo kā bioķīmisko reakciju katalizatori. Viņi ievērojami paātrina dzīves procesu. Tie kontrolē šķelšanās, sintēzes, vielmaiņas, elpošanas, asinsrites procesus, bez tiem neiziet reakcijas uz muskuļu kontrakciju un nervu impulsiem. Katrs struktūras elements satur savu unikālo enzīmu komplektu, un, izslēdzot vai samazinot viena fermenta saturu, organismā notiek būtiskas izmaiņas, kas izraisa patoloģiju parādīšanos.

Enzīmu klasifikācija

Atkarībā no struktūras izšķir divas enzīmu grupas.

• Vienkārši fermenti ir proteīna raksturs. Tos ražo ķermenis.
• Sarežģīti enzīmi, kas sastāv no proteīna komponenta un bāzes, kas nav olbaltumviela. Neolbaltumvielas cilvēka organismā netiek sintezēti un nonāk pie mums kopā ar barības vielām, tos sauc par koenzīmiem. Vielas, kas nav olbaltumvielas, kas ir daļa no fermentiem, ietver B vitamīnus, C vitamīnu un dažus mikroelementus.

Fermenti tiek klasificēti pēc to veiktajām funkcijām un to katalizēto reakciju veida.

Saskaņā ar to funkcijām fermentus iedala:

1. Gremošanas orgāni, kas ir atbildīgi par barības vielu sadalīšanos, atrodas galvenokārt siekalās, gļotādās, aizkuņģa dziedzerī un kuņģī. Zināmi fermenti ir:
   • amilāze, tā sadala sarežģītos cukurus (cieti) vienkāršos, saharozē un maltozē, kas pēc tam var piedalīties organisma dzīvībai svarīgos procesos;
   • lipāze ir iesaistīta taukskābju hidrolīzē, sadala taukus komponentos, kas tiek absorbēti organismā;
   • proteāzes regulē olbaltumvielu sadalīšanos aminoskābēs.
2. Vielmaiņas enzīmi kontrolē vielmaiņas procesus šūnu līmenī, piedalās redoksreakcijās, proteīnu sintēzē. Tie ietver: adenilāta ciklāzi (regulē enerģijas metabolismu), proteīnu kināzes un proteīna defosfatāzi (iesaistīta fosforilēšanas un defosforilēšanas procesā).
3. Aizsardzības līdzekļi ir iesaistīti ķermeņa pretestības reakcijās pret kaitīgām baktērijām un vīrusiem. Svarīgs enzīms ir lizocīms, tas noārda kaitīgo baktēriju čaulas un aktivizē vairākas imūnreakcijas, kas pasargā organismu no iekaisuma reakcijām.

Fermenti ir sadalīti 6 klasēs atkarībā no reakcijas veida:

1. Oksidoreduktāzes. Daudzas enzīmu grupas, kas ir iesaistītas redoksreakcijās.
2. Transferāzes. Šie fermenti ir atbildīgi par atomu grupu pārnešanu un ir iesaistīti olbaltumvielu sadalīšanā un sintēzē.
3. Hidrolāzes sašķeļ saites un veicina ūdens molekulu iekļaušanu ķermeņa vielu sastāvā.
4. Izomerāzes katalizē reakcijas, kurās reakcijā nonāk viena viela un veidojas viena viela, kas pēc tam piedalās dzīvības procesā. Tādējādi izomerāzes kalpo kā dažādu vielu pārveidotāji.
5. Liāzes piedalās reakcijās, kurās veidojas vielmaiņas vielas un ūdens.
6. Ligāzes nodrošina sarežģītu vielu veidošanos no vienkāršākām. Piedalīties aminoskābju, ogļhidrātu, olbaltumvielu sintēzē.

Kāpēc rodas enzīmu deficīts un kāpēc tas ir bīstami?

Ar enzīmu trūkumu sākas neveiksmes vispārējā ķermeņa sistēmā, kas izraisa nopietnas slimības. Lai saglabātu optimālu enzīmu līdzsvaru organismā, ir nepieciešams sabalansēt savu uzturu, jo šīs vielas tiek sintezētas no elementiem, ko mēs ēdam. Tāpēc ļoti svarīgi ir nodrošināt mikroelementu, vitamīnu, derīgo ogļhidrātu, olbaltumvielu uzņemšanu. Tie galvenokārt atrodami svaigos augļos, dārzeņos, liesās gaļā, orgānu gaļā un zivīs, gan tvaicētās, gan ceptās.

Nepareizs uzturs, alkohola lietošana, ātrās ēdināšanas, enerģijas un sintētiskie dzērieni, kā arī pārtikas produkti, kas satur lielu daudzumu krāsvielu un garšas pastiprinātāju, negatīvi ietekmē aizkuņģa dziedzera darbu. Tā ir viņa, kas sintezē fermentus, kas ir atbildīgi par barības vielu sadalīšanos un pārveidošanu. Aizkuņģa dziedzera fermentatīvās darbības traucējumi izraisa aptaukošanos, akūtas kuņģa un zarnu slimības, pēc tam enzīmu trūkums ietekmē sirds un elpošanas sistēmu darbu, kā arī vispārējo izskatu. Ir alerģiskas reakcijas, ādas lobīšanās, pūtīšu parādīšanās, nagu foliācija, matu izkrišana.

Lai aktivizētu un uzturētu aizkuņģa dziedzera darbu, uzturā tiek ieviesti īpaši fermentu preparāti, kas veicina pārtikas uzsūkšanos. Zināmi līdzekļi, piemēram: pankreatīns, kreons, mezims, festāls, holenzims. Tos lieto stingri pēc ārsta ieteikuma. Tajā pašā laikā pilnīgai atveseļošanai ir nepieciešams nodrošināt pareizu uzturu.

Fermenti vai fermenti(no lat. fermentum - ieraugs) - parasti olbaltumvielu molekulas vai RNS molekulas (ribozīmi) vai to kompleksi, kas paātrina (katalizē) ķīmiskās reakcijas dzīvajos organismos, neveicot nekādas izmaiņas. Vielas, kurām ir līdzīga iedarbība, pastāv arī nedzīvajā dabā un tiek sauktas par katalizatoriem.

Enzīmu aktivitāti var regulēt ar aktivatoriem un inhibitoriem (aktivatori palielinās, inhibitori samazina ķīmiskās reakcijas).

Termini "enzīms" un "enzīms" jau sen ir lietoti kā sinonīmi. Zinātni par fermentiem sauc par fermentoloģiju.

Jebkura organisma dzīvībai svarīgā darbība nav iespējama bez enzīmu līdzdalības. Enzīmu katalīze paātrina visu bioķīmisko reakciju norisi organismā un tādējādi nodrošina dzīvības fenomenu. Bez fermentu klātbūtnes bioķīmisko reakciju laikā pārtika nesadalīsies piecos galvenajos savienojumos: ogļhidrātos, taukos, olbaltumvielās, vitamīnos un mikroelementos – pārtika paliks organismam nederīga. Tādējādi bez fermentiem dzīve palēninās.

1. stimulē pārtikas gremošanu un uzsūkšanos;
2. aktivizēt vielmaiņu, veicināt atmirušo šūnu izvadīšanu no organisma;
3. regulē osmotisko spiedienu, normalizē dažādu barotņu pH vērtību;
4. nodrošināt vielmaiņu, atbalstīt organisma spēju pretoties iekaisuma procesiem;
5. paaugstināt imunitāti un organisma pašatveseļošanās un pašregulācijas spēju;
6. veicina organisma detoksikāciju, attīra limfu un asinis.

Nepieciešamība pēc fermentiem veselīgai ķermeņa darbībai
Lielākā daļa zinātnieku tagad ir pārliecināti, ka gandrīz visas slimības izraisa enzīmu trūkums vai nepietiekams daudzums organismā. Medicīniskie pētījumi liecina, ka fermentu ražošanas pārkāpumi organismā rodas ģenētisko faktoru dēļ.

Jo īpaši tāda izplatīta slimība kā cukura diabēts šobrīd ir saistīta ar to, ka aizkuņģa dziedzeris neražo pietiekami daudz vai vispār neražo enzīmu insulīnu. Leikēmiju un citus vēža veidus izraisa enzīmu barjeru trūkums vai vājums organismā. Šos faktus pakāpeniski apstiprina zinātniskie pētījumi. Var teikt, ja organismā ir nepieciešamais enzīmu daudzums, tad nebūs simts slimību.

Ar vecumu, cilvēka ķermenim novecojot, fermentu ražošana samazinās. Organisms sāk izjust to trūkumu, kas ietekmē vielmaiņas procesu norisi, samazinās gremošanas un barības vielu uzsūkšanās efektivitāte, kļūst grūtāk ietekmēt organismu ar zālēm, jo ​​tās nepietiekami uzsūcas un rada vairāk blakusparādību. . Liela skaita enzīmu papildu uzņemšana organismā ļaus kompensēt to trūkumu un visas no tā izrietošās sekas.

Tādējādi pietiekams enzīmu daudzums organismā ir nepieciešams nosacījums tā veselīgam stāvoklim. Daudzu slimību cēlonis ir nepietiekama enzīmu ražošana, kas izjauc vielmaiņas līdzsvaru organismā. Ja papildus dabiskajai enzīmu ražošanai nodrošināsim arī to uzņemšanu no ārpuses, tad tas būs ātrākais un labākais veids slimību ārstēšanai.

Cilvēka ķermenis pastāv, pateicoties pastāvīgai fermentu darbībai. Piemēram, gremošanas procesā ar enzīmu (enzīmu) palīdzību pārtika tiek sadalīta uzturvielās - olbaltumvielās, taukos, ogļhidrātos, vitamīnos un mikroelementos; kas ar to palīdzību uzsūcas asinīs un tiek nogādāti visos orgānos. Pateicoties tam, mūsu muskuļi un kauli, visi orgāni un sistēmas tiek baroti, saņem enerģiju un veic nepieciešamās funkcijas, lai uzturētu ķermeni veselīgā, aktīvā stāvoklī.

Ne tikai cilvēka ķermenis, bet arī visa dzīvā būtne starp debesīm un zemi pastāv bioķīmisko reakciju dēļ, kas tiek veiktas ar enzīmu palīdzību. Enzīms ir jebkura dzīva organisma dzīvības un veselības avots.

Fermentu loma organisma vitālās aktivitātes uzturēšanā ir pārsteidzoša ar savu nozīmi.

Fermentu klātbūtne un visu dzīvo būtņu esamība ir nedalāmi jēdzieni. Ja enzīma daudzums nav pietiekams dzīvības uzturēšanai, tas nozīmē nāvi. Zaļo lapu parādīšanās kokiem pavasarī, ugunskura gaisma, jebkura cilvēka ķermeņa dzīvības darbība (ēdot, ejot pa ielu, dziedot, smejoties vai raudot) - visus šos procesus nodrošina bioķīmiskās reakcijas un nav iespējams bez obligātas fermentu līdzdalības.

No pirmās bērna ieņemšanas dienas fermenti sāk pildīt savu lomu. Sperma nespēs iekļūt olšūnā, ja tai trūkst īpaša enzīma, kas izšķīdinātu olšūnas šūnu sieniņu, lai veiktu apaugļošanas procesu.

Visa pārtika, ko mēs patērējam, gremošanas enzīmu ietekmē kuņģa-zarnu traktā sadalās vienkāršos elementos. Tikai tad šīs barības vielas var iekļūt asinsritē un tikt nogādātas visos orgānos un audos. Pamēģini košļāt maizes gabalu 2-3 minūtes, sajutīsi, kā tas pamazām kļūst salds – tas tāpēc, ka siekalās esošo enzīmu ietekmē sadalās ciete un izdalās saldā maltoze.

Ar enzīmu palīdzību organismā notiek ne tikai vielu šķelšanās process, bet arī to sintēze. Piemēram, aminoskābju sintēze proteīnu molekulās – muskuļu šūnu, matu u.c. galvenajā būvmateriālā vai glikozes pārvēršana glikogēnā, kas nogulsnējas aknās un enerģijas trūkuma gadījumā ar ar to pašu enzīmu palīdzību atkal tiek sadalīts glikozes molekulās, kas nodrošina organismam ātru enerģijas izdalīšanos.

Ādas atjaunošanas process notiek arī vielmaiņas procesos iesaistīto enzīmu dēļ. Ja būs pietiekami daudz šim procesam raksturīgu enzīmu, āda būs maiga, spīdīga un elastīga. Ar enzīmu deficītu āda kļūst sausa, zvīņaina un letarģiska.

Cilvēka organismā darbojas aptuveni 4000 dažādu veidu enzīmu. Tajā notiek tūkstošiem bioķīmisko reakciju, kuras kopā var salīdzināt ar lielu ķīmisko rūpnīcu. Bet visām šīm ķīmiskajām reakcijām ir nepieciešama fermentatīvā katalīze, pretējā gadījumā tās vai nu nenotiek, vai norit ļoti lēni. Katrs enzīms piedalās vienā ķīmiskajā reakcijā. Dažus fermentus organisms nevar sintezēt. Ja organismā trūkst kādu enzīmu, tad pastāv kādas slimības attīstības draudi vai pirmsslimības stāvokļa rašanās, kas agri vai vēlu izpaudīsies slimībā.

Tāpēc, ja vēlaties saglabāt savu jaunību, skaistumu un veselību ilgus gadus, jums ir jānodrošina, lai organismā būtu pietiekams daudzums enzīmu. Un, ja to līmenis ir zems, tad galvenais to papildināšanas avots ir ikdienas uzņemšana bioaktīvo piedevu veidā.

Cilvēku grupas, kurām īpaši nepieciešami papildu enzīmu avoti
Apsveriet, kurām cilvēku grupām īpaši nepieciešama papildu fermentu lietošana.

Tie, kuri vēlas uzlabot savu fizisko sagatavotību, uzlabot veselību vai atjaunot to pēc slimības.

Cilvēki ar novājinātu imunitāti, bieži pakļauti infekcijām.

Tie, kas izjūt pastāvīgu nogurumu, sūdzas par enerģijas trūkumu, biežu vājumu.

Priekšlaicīgi novecojoši, nespēcīgi cilvēki.

Cilvēki, kas cieš no hroniskām slimībām.

Vēža pacienti ar dažāda veida vēzi, pirms un pēcoperācijas periodā.

Cilvēki, kas cieš no aknu slimībām.

Cilvēki, kuri dod priekšroku gaļai.

Cilvēki, kuriem ir nosliece uz neirastēniju un citām neiropsihiskām slimībām.

Cilvēki, kas cieš no seksuālās disfunkcijas.

Sievietes pirmsdzemdību un pēcdzemdību periodā.

Cilvēki ar gremošanas traucējumiem.

Veģetārieši (uztura bagātinātāji veicinās šūnu stabilitāti).

Cilvēki ar nepietiekamu ķermeņa uzbūvi, lai uzlabotu fizisko sagatavotību (liekais svars un aptaukošanās, nepietiekams svars).

Cilvēki ar invaliditāti un pārvietošanās ierobežojumiem.

Bērni intensīvas izaugsmes periodā (jo mūsdienu bērni lielākoties gandrīz nelieto pārtikas produktus, kas satur gremošanas enzīmus - lipāzi, amilāzi un proteāzi; un tas ir viens no galvenajiem bērnu aptaukošanās, biežu alerģiju, aizcietējumu un paaugstināts nogurums).

Gados vecāki cilvēki (ar vecumu samazinās organisma spēja ražot savus enzīmus, samazinās "inventāra" procesu stimulējošā enzīma daudzums organismā, tieši tāpēc papildu enzīmu patēriņš viņiem ir ceļš uz ilgmūžību).

Pacienti ar konstatētu enzīmu disfunkciju (tā kā viņu pašu enzīmu krājumi ir izsmelti, viņiem īpaši nepieciešama papildu enzīmu uzņemšana).

Sportistiem īpaši nepieciešams liels papildu enzīmu daudzums, jo viņu organismā intensīvas fiziskās aktivitātes dēļ notiek paātrināta vielmaiņa, kas nozīmē, ka intensīvi notiek arī enzīmu rezervju patēriņš (tēlaini tos var salīdzināt ar sveces degšanu no diviem galiem ).

Fermenti ir īpašs proteīnu veids, kam daba ir piešķīrusi dažādu ķīmisko procesu katalizatoru lomu.

Šis termins tiek dzirdams pastāvīgi, tomēr ne visi saprot, kas ir ferments vai ferments, kādas funkcijas šī viela veic un kā fermenti atšķiras no fermentiem un vai tie vispār atšķiras. To visu mēs tagad uzzināsim.

Bez šīm vielām ne cilvēki, ne dzīvnieki nespētu sagremot pārtiku. Un pirmo reizi cilvēce ķērās pie fermentu izmantošanas ikdienas dzīvē pirms vairāk nekā 5 tūkstošiem gadu, kad mūsu senči iemācījās uzglabāt pienu "trauciņos" no dzīvnieku kuņģiem. Šādos apstākļos, fermenta ietekmē, tas pārtapa sierā. Un tas ir tikai viens piemērs tam, kā ferments darbojas kā katalizators, kas paātrina bioloģiskos procesus. Mūsdienās fermenti ir neaizstājami rūpniecībā, tie ir svarīgi ādas, tekstilizstrādājumu, spirta un pat betona ražošanā. Šīs labvēlīgās vielas ir arī mazgāšanas līdzekļos un veļas pulveros – tie palīdz noņemt traipus zemā temperatūrā.

Atklājumu vēsture

Enzīms grieķu valodā nozīmē "skābs". Un cilvēce ir parādā par šīs vielas atklāšanu holandietim Janam Baptistam Van Helmontam, kurš dzīvoja 16. gadsimtā. Savulaik viņš ļoti aizrāvās ar alkoholisko fermentāciju un pētījuma laikā atrada nezināmu vielu, kas šo procesu paātrina. Holandietis to sauca par fermentum, kas nozīmē fermentācija. Tad, gandrīz trīs gadsimtus vēlāk, francūzis Luiss Pastērs, arī vērojot fermentācijas procesus, nonāca pie secinājuma, ka fermenti nav nekas cits kā dzīvas šūnas vielas. Un pēc kāda laika vācietis Eduards Buhners ekstrahēja fermentu no rauga un noteica, ka šī viela nav dzīvs organisms. Viņš arī deva viņam savu vārdu - "zimaza". Dažus gadus vēlāk cits vācietis Villijs Kuhne ierosināja visus olbaltumvielu katalizatorus sadalīt divās grupās: fermentos un fermentos. Turklāt viņš ierosināja otro terminu saukt par "skābu", kura darbība iziet ārpus dzīviem organismiem. Un tikai 1897. gads pielika punktu visiem zinātniskajiem strīdiem: tika nolemts abus terminus (enzīms un ferments) izmantot kā absolūtus sinonīmus.

Uzbūve: tūkstošiem aminoskābju ķēde

Visi fermenti ir olbaltumvielas, bet ne visi proteīni ir fermenti. Tāpat kā citi proteīni, fermenti sastāv no . Un interesanti, ka katra fermenta izveide aizņem no simts līdz miljonam aminoskābju, kas savērtas kā pērles virknē. Bet šis pavediens nav vienmērīgs - tas parasti ir saliekts simtiem reižu. Tādējādi tiek izveidota trīsdimensiju struktūra, kas ir unikāla katram fermentam. Tikmēr enzīma molekula ir salīdzinoši liels veidojums, un tikai neliela tās struktūras daļa, tā sauktais aktīvais centrs, ir iesaistīta bioķīmiskās reakcijās.

Katra aminoskābe ir saistīta ar noteikta veida ķīmisko saiti, un katram fermentam ir sava unikāla aminoskābju secība. Lai izveidotu lielāko daļu no tiem, tiek izmantoti aptuveni 20 veidi. Pat nelielas izmaiņas aminoskābju secībā var krasi mainīt fermenta izskatu un sajūtu.

Bioķīmiskās īpašības

Lai gan dabā notiek milzīgs skaits reakciju, piedaloties fermentiem, tās visas var iedalīt 6 kategorijās. Attiecīgi katra no šīm sešām reakcijām notiek noteikta veida fermentu ietekmē.

Reakcijas ar fermentiem:

1. Oksidācija un reducēšana.

Šajās reakcijās iesaistītos fermentus sauc par oksidoreduktāzēm. Piemēram, atcerieties, kā alkohola dehidrogenāzes pārvērš primāros spirtus par aldehīdu.

1. Grupas pārneses reakcija.

Fermentus, kas ir atbildīgi par šīm reakcijām, sauc par transferāzēm. Viņiem ir iespēja pārvietot funkcionālās grupas no vienas molekulas uz otru. Tas notiek, piemēram, kad alanīna aminotransferāzes pārvieto alfa-aminogrupas starp alanīnu un aspartātu. Transferāzes arī pārvieto fosfātu grupas starp ATP un citiem savienojumiem un veido tās no atlikumiem.

1. Hidrolīze.

Reakcijā iesaistītās hidrolāzes spēj saraut atsevišķas saites, pievienojot ūdens elementus.

1. Izveidojiet vai noņemiet dubultsaiti.

Šāda veida reakcija notiek nehidrolītiskā veidā, piedaloties liāzei.

1. Funkcionālo grupu izomerizācija.

Daudzās ķīmiskajās reakcijās funkcionālās grupas pozīcija molekulā mainās, bet pati molekula sastāv no tāda paša atomu skaita un veida, kāds tai bija pirms reakcijas sākuma. Citiem vārdiem sakot, reakcijas substrāts un produkts ir izomēri. Šāda veida transformācija iespējama izomerāzes enzīmu ietekmē.

1. Vienotas saites veidošanās ar ūdens elementa izvadīšanu.

Hidrolāzes sarauj saites, pievienojot molekulai ūdens elementus. Liāzes veic apgriezto reakciju, atdalot ūdens daļu no funkcionālajām grupām. Tādējādi tiek izveidots vienkāršs savienojums.

Kā tie darbojas organismā

Fermenti paātrina gandrīz visas ķīmiskās reakcijas, kas notiek šūnās. Tie ir vitāli svarīgi cilvēkiem, atvieglo gremošanu un paātrina vielmaiņu.

Dažas no šīm vielām palīdz sadalīt pārāk lielas molekulas mazākos "gabalos", ko organisms var sagremot. Citi, gluži pretēji, saista mazas molekulas. Bet fermenti, zinātniski runājot, ir ļoti selektīvi. Tas nozīmē, ka katra no šīm vielām spēj paātrināt tikai noteiktu reakciju. Molekulas, ar kurām strādā fermenti, sauc par substrātiem. Substrāti savukārt veido saiti ar fermenta daļu, ko sauc par aktīvo vietu.

Ir divi principi, kas izskaidro fermentu un substrātu mijiedarbības specifiku. Tā sauktajā "taustiņu bloķēšanas" modelī enzīma aktīvā vieta substrātā ieņem stingri noteiktas konfigurācijas vietu. Saskaņā ar citu modeli abi reakcijas dalībnieki, aktīvā vieta un substrāts, maina savas formas, lai savienotos.

Lai kāds būtu mijiedarbības princips, rezultāts vienmēr ir vienāds – reakcija fermenta ietekmē norit daudzkārt ātrāk. Šīs mijiedarbības rezultātā “dzimst” jaunas molekulas, kuras pēc tam tiek atdalītas no fermenta. Un katalizatora viela turpina veikt savu darbu, bet ar citu daļiņu līdzdalību.

Hiper- un hipoaktivitāte

Ir reizes, kad fermenti pilda savas funkcijas ar nepareizu intensitāti. Pārmērīga aktivitāte izraisa pārmērīgu reakcijas produktu veidošanos un substrāta deficītu. Rezultāts ir slikta veselība un nopietna slimība. Fermentu hiperaktivitātes cēlonis var būt vai nu ģenētisks traucējums, vai vitamīnu pārpalikums, vai tas var būt izmantots reakcijā.

Fermentu hipoaktivitāte var izraisīt pat nāvi, ja, piemēram, fermenti neizvada toksīnus no organisma vai rodas ATP deficīts. Šī stāvokļa cēlonis var būt arī mutācijas gēni vai, gluži pretēji, hipovitaminoze un citu uzturvielu trūkums. Turklāt zemāka ķermeņa temperatūra līdzīgi palēnina enzīmu darbību.

Katalizators un daudz kas cits

Šodien jūs bieži varat dzirdēt par fermentu priekšrocībām. Bet kas ir šīs vielas, no kurām ir atkarīga mūsu ķermeņa darbība?

Fermenti ir bioloģiskas molekulas, kuru dzīves ciklu nenosaka dzimšanas un nāves robežas. Viņi vienkārši strādā ķermenī, līdz izšķīst. Parasti tas notiek citu enzīmu ietekmē.

Bioķīmiskās reakcijas gaitā tie nekļūst par galaprodukta sastāvdaļu. Kad reakcija ir pabeigta, ferments atstāj substrātu. Pēc tam viela ir gatava atsākt darboties, bet uz citas molekulas. Un tā tas turpinās tik ilgi, cik ķermenim nepieciešams.

Fermentu unikalitāte ir tāda, ka katrs no tiem veic tikai vienu piešķirto funkciju. Bioloģiskā reakcija notiek tikai tad, kad ferments atrod tam piemērotu substrātu. Šo mijiedarbību var salīdzināt ar atslēgas un slēdzenes darbības principu – kopā var darboties tikai pareizi izvēlēti elementi. Vēl viena iezīme: tie var darboties zemā temperatūrā un mērenā pH līmenī, un kā katalizatori tie ir stabilāki nekā jebkuras citas ķīmiskas vielas.

Fermenti kā katalizatori paātrina vielmaiņas procesus un citas reakcijas.

Parasti šie procesi sastāv no noteiktiem posmiem, no kuriem katrs prasa noteikta fermenta darbu. Bez tā transformācijas vai paātrinājuma ciklu nevar pabeigt.

Varbūt vispazīstamākā no visām fermentu funkcijām ir katalizatora loma. Tas nozīmē, ka fermenti apvieno ķīmiskās vielas tā, lai samazinātu enerģijas izmaksas, kas nepieciešamas, lai ātrāk izveidotu produktu. Bez šīm vielām ķīmiskās reakcijas noritētu simtiem reižu lēnāk. Bet ar to fermentu spējas nebeidzas. Visi dzīvie organismi satur enerģiju, kas tiem nepieciešama, lai turpinātu dzīvot. Adenozīna trifosfāts jeb ATP ir sava veida uzlādēts akumulators, kas piegādā šūnām enerģiju. Bet ATP darbība nav iespējama bez fermentiem. Un galvenais enzīms, kas ražo ATP, ir sintāze. Katrai glikozes molekulai, kas tiek pārvērsta enerģijā, sintāze ražo apmēram 32-34 ATP molekulas.

Turklāt medicīnā aktīvi tiek izmantoti fermenti (lipāze, amilāze, proteāze). Jo īpaši tie kalpo kā fermentatīvo preparātu sastāvdaļa, piemēram, Festal, Mezim, Panzinorm, Pancreatin, ko lieto gremošanas traucējumu ārstēšanai. Bet daži fermenti var ietekmēt arī asinsrites sistēmu (izšķīdināt asins recekļus), paātrināt strutojošu brūču dzīšanu. Un pat pretvēža terapijā viņi izmanto arī fermentu palīdzību.

Faktori, kas nosaka fermentu aktivitāti

Tā kā ferments spēj vairākas reizes paātrināt reakcijas, tā aktivitāti nosaka tā sauktais apgrozījuma skaitlis. Šis termins attiecas uz substrāta molekulu (reaktīvo vielu) skaitu, ko 1 enzīma molekula var pārveidot 1 minūtē. Tomēr ir vairāki faktori, kas nosaka reakcijas ātrumu:

1. substrāta koncentrācija.

Substrāta koncentrācijas palielināšana izraisa reakcijas paātrinājumu. Jo vairāk aktīvās vielas molekulu, jo ātrāk notiek reakcija, jo tiek iesaistīti vairāk aktīvo centru. Tomēr paātrinājums ir iespējams tikai līdz tiek iesaistītas visas fermentu molekulas. Pēc tam pat substrāta koncentrācijas palielināšana nepaātrinās reakciju.

1. Temperatūra.

Parasti temperatūras paaugstināšanās izraisa reakciju paātrināšanos. Šis noteikums darbojas lielākajā daļā fermentatīvo reakciju, bet tikai tik ilgi, kamēr temperatūra nepaaugstinās virs 40 grādiem pēc Celsija. Pēc šīs atzīmes reakcijas ātrums, gluži pretēji, sāk strauji samazināties. Ja temperatūra nokrītas zem kritiskā punkta, fermentatīvo reakciju ātrums atkal palielināsies. Ja temperatūra turpina paaugstināties, kovalentās saites tiek pārtrauktas un fermenta katalītiskā aktivitāte tiek zaudēta uz visiem laikiem.

1. Skābums.

Enzīmu reakciju ātrumu ietekmē arī pH vērtība. Katram fermentam ir savs optimālais skābuma līmenis, pie kura reakcija norit vispiemērotāk. PH līmeņa maiņa ietekmē fermenta aktivitāti un līdz ar to arī reakcijas ātrumu. Ja izmaiņas ir pārāk lielas, substrāts zaudē spēju saistīties ar aktīvo kodolu, un ferments vairs nevar katalizēt reakciju. Atjaunojot nepieciešamo pH līmeni, tiek atjaunota arī fermenta darbība.

Cilvēka organismā esošos enzīmus var iedalīt 2 grupās:

• vielmaiņas;
• gremošanas.

Metabolisma "strādā", lai neitralizētu toksiskas vielas, kā arī veicina enerģijas un olbaltumvielu ražošanu. Un, protams, tie paātrina bioķīmiskos procesus organismā.

No nosaukuma ir skaidrs, par ko ir atbildīgi gremošanas orgāni. Bet arī šeit darbojas selektivitātes princips: noteikta veida ferments ietekmē tikai vienu pārtikas veidu. Tāpēc, lai uzlabotu gremošanu, varat ķerties pie neliela trika. Ja organisms kaut ko no pārtikas slikti sagremo, tad uzturu nepieciešams papildināt ar produktu, kas satur enzīmu, kas spēj noārdīt grūti sagremojamu pārtiku.

Pārtikas fermenti ir katalizatori, kas sašķeļ pārtiku līdz stāvoklim, kurā organisms spēj no tiem uzņemt lietderīgās vielas. Gremošanas enzīmi ir vairāku veidu. Cilvēka organismā dažāda veida fermenti atrodas dažādās gremošanas trakta daļās.

Mutes dobums

Šajā posmā alfa-amilāze iedarbojas uz pārtiku. Tas sadala ogļhidrātus, cieti un glikozi, kas atrodas kartupeļos, augļos, dārzeņos un citos pārtikas produktos.

Vēders

Šeit pepsīns sadala olbaltumvielas peptīdos, un želatināze sadala gaļā atrodamo želatīnu un kolagēnu.

Aizkuņģa dziedzeris

Šajā posmā "strādājiet":

• tripsīns - atbild par olbaltumvielu sadalīšanos;
• alfa-himotripsīns - palīdz uzsūkties olbaltumvielām;
• elastāze - sadala noteikta veida olbaltumvielas;
• nukleāzes - palīdz sadalīt nukleīnskābes;
• steapsin - veicina taukainas pārtikas uzsūkšanos;
• amilāze - atbild par cietes uzsūkšanos;
• lipāze - sadala taukus (lipīdus), kas atrodami piena produktos, riekstos, eļļās un gaļā.

Tievās zarnas

Pāri ēdiena daļiņas "uzbur":

• peptidāzes - sadala peptīdu savienojumus līdz aminoskābju līmenim;
• saharāze - palīdz absorbēt kompleksos cukurus un cieti;
• maltāze - sadala disaharīdus līdz monosaharīdu stāvoklim (iesala cukurs);
• laktāze - sadala laktozi (glikozi, kas atrodama piena produktos);
• lipāze - veicina triglicerīdu, taukskābju uzsūkšanos;
• erepsīns - ietekmē olbaltumvielas;
• izomaltāze - "strādā" ar maltozi un izomaltozi.

Kols

Šeit tiek veiktas fermentu funkcijas:

• coli - atbild par gremošanu;
• lactobacilli - ietekmē laktozi un dažus citus ogļhidrātus.

Papildus šiem fermentiem ir arī:

• diastāze - sagremo augu cieti;
• invertāze - sadala saharozi (galda cukuru);
• glikoamilāze - pārvēršas par glikozi;
• alfa-galaktozidāze - veicina pupiņu, sēklu, sojas produktu, sakņu dārzeņu un lapu dārzeņu gremošanu;
• bromelīns - ferments, kas iegūts no, veicina dažāda veida proteīnu sadalīšanos, ir efektīvs dažādos vides skābuma līmeņos, un tam piemīt pretiekaisuma īpašības;
• papaīns, ferments, kas izolēts no neapstrādātas papaijas, veicina mazu un lielu olbaltumvielu sadalīšanos, un tas ir efektīvs plašā substrātu un skābuma diapazonā.
• celulāze - sadala celulozi, augu šķiedras (cilvēka organismā nav atrodamas);
• endoproteāze - sašķeļ peptīdu saites;
• vērša žults ekstrakts - dzīvnieku izcelsmes ferments, stimulē zarnu motoriku;
• pankreatīns - dzīvnieku izcelsmes enzīms, paātrina olbaltumvielu gremošanu;
• pankrelipāze – dzīvnieku enzīms, kas veicina uzsūkšanos

  Raudzēta pārtika ir gandrīz ideāls labvēlīgo baktēriju avots, kas nepieciešamas pareizai gremošanai. Un, kamēr aptiekas probiotikas "strādā" tikai augšējā gremošanas sistēmā un bieži vien nesasniedz zarnas, fermentatīvo produktu iedarbība ir jūtama visā kuņģa-zarnu traktā.

  Piemēram, aprikozes satur labvēlīgu enzīmu maisījumu, tostarp invertāzi, kas ir atbildīga par glikozes sadalīšanos un veicina ātru enerģijas izdalīšanos.

  Var kalpot dabisks lipāzes avots (veicina ātrāku lipīdu gremošanu). Organismā šo vielu ražo aizkuņģa dziedzeris. Bet, lai atvieglotu dzīvi šim organismam, var palutināt sevi, piemēram, ar salātiem ar avokado – garšīgi un veselīgi.

  Papildus tam, ka tas ir, iespējams, slavenākais avots, tas arī piegādā ķermenim amilāzi un maltāzi. Amilāze ir atrodama arī maizē un graudaugos. Maltāze palīdz sadalīt maltozi, tā saukto iesala cukuru, kas ir daudz alū un kukurūzas sīrupā.

  Vēl viens eksotisks auglis – ananāss satur veselu virkni enzīmu, arī bromelīnu. Un tam, saskaņā ar dažiem pētījumiem, ir arī pretvēža un pretiekaisuma īpašības.

  Ekstremofili un rūpniecība

  Ekstremofīli ir vielas, kas var izdzīvot ekstremālos apstākļos.

  Dzīvie organismi, kā arī fermenti, kas nodrošina to darbību, ir atrasti geizeros, kur temperatūra ir tuvu viršanas temperatūrai, un dziļi ledū, kā arī ekstrēma sāļuma apstākļos (ASV Nāves ieleja). Turklāt zinātnieki atraduši fermentus, kuriem pH līmenis, kā izrādījās, arī nav pamatprasība efektīvam darbam. Pētnieki ar īpašu interesi pēta ekstremofilos enzīmus kā vielas, ko var plaši izmantot rūpniecībā. Lai gan arī mūsdienās fermenti jau ir atraduši savu pielietojumu nozarē kā bioloģiski un videi draudzīgas vielas. Fermentu izmantošana tiek izmantota pārtikas rūpniecībā, kosmetoloģijā un sadzīves ķīmijas ražošanā.

  Izvozčikova Ņina Vladislavovna

  Specialitāte: infektologs, gastroenterologs, pulmonologs.

  Vispārējā pieredze: 35 gadi.

  Izglītība:1975-1982, 1MMI, San-Gig, augstākā kvalifikācija, infekcijas slimību ārsts.

  Zinātnes grāds: augstākās kategorijas doktors, medicīnas zinātņu kandidāts.