[Ензими] Ензими Цел



страница1/6
Дата21.08.2017
Размер0.67 Mb.
  1   2   3   4   5   6




[Ензими]




Ензими


Цел: Да се характеризират ензимите като биокатализатори, да се опишат възможностите за тяхната регулация и да се покаже ползата от тези познания за клиничната практика.

След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели:

А. Знания

1. да дадат определение за ензими, значение и видове;


2. да дадат определение за простетични групи и коензими и да дадат конкретни примери;
3. да опишат принципите за ензимната класификация и номенклатура и да ги подкрепят с конкретни примери;
4. да дадат определение за активен център;
5. да опишат как скоростта на ензимната реакция зависи от субстратната концентрация при ензими, подчиняващи се на Михаелис-Ментенова кинетика (да познават двете форми на уравнението на Михаелис-Ментен);
6. да дефинират кинетичните параметри на ензимната реакция Кm и Vmax и как се определят чрез уравнението на Lineweaver-Burk;
7. да опишат как рН и температурата влияят на скоростта на ензимната реакция;
8. да опишат как ефектори (инхибитори и активатори) повлияват скоростта на ензимната реакция;
9. да изброят единиците за ензимна активност;

Б. Разбирания

1. да обяснят приликите и разликите на ензимите с останалите катализатори;


2. да обяснят механизма на ензимно-катализираните реакции;
3. да обяснят ролята на витамините;
4. да разбират ролята на активния център и на останалата част от ензимната молекула;
5. да обяснят реакционната и субстратната специфичност на ензимите;
6. да обяснят защо зависимостта на скоростта на ензимните реакции от субстратната концентрация е хипербола, а не права линия както при химичните реакции;
7. да обяснят значението на Кm и Vmax;
8. да обяснят хода на кривата за зависимостта на скоростта на ензимната реакция от рН и температурата;
9. да обяснят разликите между конкурентни и неконкурентни инхибитори;
10. да обяснят основните харастеристики на алостеричното повлияване;
11. да обяснят основните харастеристики на фосфорилирането-дефосфорилирането и да дадат конкретен пример;
В. Умения

1. да прилагат знанията си върху нуклеотиди и витамини, за да представят с формули никотинамидни и флавинови коензими;


2. да могат при зададена реакция да определят главната група на ензима, катализиращ реакцията;
3. при зададена стойност на Кm да могат да преценяват какво е сродството между ензима и субстрата;
4. да анализират уравнението на Михаелис-Ментен и да изведат дефиниция за Кm;
5. да приложат познанията върху алостерично повлияване, за да обяснят оротатемия и подагра при някои пациенти;
6. да приложат познанията върху рН зависимостта на ензимната активност и върху Кm, за да обяснят повишена чувствителност към алкохол в някои пациенти с променени активности на алкохолдехидрогеназа и ацеталдехиддехидрогеназа;
7. да прилагат познанията си върху ензими за решаване на клинични случаи с инфаркт на миокарда - диагностика и терапия;
8. да прилагат познанията си върху ензими за разбиране механизма на различни генетично обусловени ензимопатии (оротатурия, фенилкетонурия, раазлични случаи на подагра, синдром на Lesh-Nihan);
9. да илюстрират принципа на метода Еlisa.
4.1 Обща характеристика на ензимите

4.1.1 Резюме

Разбирането и възможностите за повлияване на всеки жизнен процес в норма и патология е


немислимо без познаване на учението за ензимите.

Ензимите са биологични катализатори, за които


са валидни всички общи свойства на катализаторите. Отличават се от тях по изключително високата си
ефективност, специфичност (субстратна и реакционна) и възможността за регулация на активността и синтезата им.

Ензимите са високоспециализирани белтъчни молекули, които биват еднокомпонентни (съдържащи само


белтъчна част) и двукомпонентни (съдържащи белтъчна и небелтъчна част ). Ако връзката между двете съставни
части е слаба, небелтъчната част се нарича коензим, ако връзката между двете части е здрава, ковалентна - небелтъчната
част се определя като простетична група. Ролята на коензими и простетични групи се изпълнява от
витамини или техни производни, от някои метални йони, фосфатни остатъци и др. От химична гледна точка част
от коензимите са нуклеотиди, напр. АТФ. Някои от нуклеотидните коензими са едновременно и производни на
витамини, напр. НАД, ФАД и др.

Броят на ензимите, участващи в осъществяване на метаболизма на клетката надвишава 3000. Те са разпределени в


шест главни групи: І.Оксидоредуктази; ІІ. Трансферази; ІІІ. Хидролази, ІV. Лиази, V. Изомерази, VІ. Синтетази.
Ензимното име има две части: напр. сукцинат дехидрогеназа. Първата част дава името на субстрата, а втората посочва
типа на катализираната реакция. Всеки ензим има кодов номер, състоящ се от четири цифри. Първата дава типа на реакцията (главната група);
втората и третата цифри дават допълнителна информация за характера и механизма на реакцията (определят подгрупата и подподгрупата).
Четвъртата цифра е индивидуалният номер на ензима.

Активният център е малка част по повърхността на ензимната молекула, където се свързва субстратът,


за да се превърне в продукт. В еднокомпонентните ензими активният център се състои от няколко отдалечени по протежение
на веригата аминокиселинни остатъци, които са близко в пространството поради формираната третична
структура на белтъчната молекула. От функционална гледна точка различните химични групи в активния център
се определят като каталитични и контактни. В двукомпонентните ензими за формиране на активния център
групи предоставя и небелтъчната съставка. Тя предлага най-често каталитични групи, оставяйки за апоензима
контактната функция.

Специфичността, реакционна и субстратна, е едно от най-съществените свойства на ензимите. Реакционната


специфичност се определя от възможностите на групите в активния център да образуват или разграждат определен тип
химични връзки. Субстратната специфичност се обяснява с високите стерични изисквания на активния център спрямо
субстрата, произтичащи от определена ензимна конформация. Има различни модели за обяснение на субстратната
специфичност: 1) на Фишер (абсолютно структурно и геометрично съответствие между активния център и субстрата)
, валиден за малък брой абсолютно специфични ензими; и 2) на Кошланд (индуцирано структурно притъкмяване плюс субстратно напрежение),
валиден за повечето ензими. Стереоспецифичността се обяснява с множествено свързване на субстрата към активния център.
4.1.2 Значение на ензимите

Учението за ензимите е основа на нашите познания върху всеки жизнен процес в норма и патология. Всеки физиологичен процес протича благодарение на каталитичното действие на определени ензими. Много заболявания непосредствено възникват от нарушения в ензимната катализа. Определянето на ензимни активности в кръв и други биологични течности дава ценни сведения за медицинската диагностика. Ензими се използват и за терапия при някои заболявания, напр. инфаркт на миокарда.

Поради това изучаването на особеностите на ензимите и на катализираните от тях реакции е рационален и съвременен подход в медицината.
4.1.3 Определение и общи свойства на ензимите като катализатори

Ензимите са биокатализатори, ускоряващи определени химични реакции в клетката. Болшинството от ензимите са белтъци, предимно глобуларни. Отскоро се знае, че малка част от РНК, наречени рибозими (виж глава 3), също действат като биокатализатори. Тази глава е посветена на ензимите с белтъчна природа.

За ензимите са валидни всички общи свойства на катализаторите:
1) Увеличават скоростта на спонтанно протичащи реакции, без да изместват химичното равновесие.
2) Променят в еднаква степен скоростта на правата и на обратната реакция до достигане на химично равновесие.
3) Действуват в незначителни количества.
4) Понижават активиращата енергия на реакцията.

Ензимите, както и другите катализатори, снижават активиращата енергия, защото провеждат реакцията по друг път с по-ниски енергетични изисквания. Характерно е образуването на междинно съединение между изходното вещество (т.н. субстрат) и ензима, което се нарича ензим-субстратен комплекс. Възможно е да се образуват няколко междинни съединения. Независимо колко са междинните фази, активиращата им енергия е винаги по-ниска от тази за некатализираната реакция.


4.1.4 Разлики между ензимите и останалите катализатори

Ензимите са високо специализирани белтъчни молекули. Отличават се от останалите катализатори по следните показатели:

1) Ензимите имат изключително висока ефективност - те ускоряват скоростта от 109 до 1012 пъти. Като пример е дадена реакцията на разграждане на Н2О2 до вода и кислород. (вж табл. 4-1).



Табл. 4-1. Ефективност на ензимното действие. Сравнение на ензима каталаза с други катализатори [1].

Катализатор

Активираща енергия*
(kJ/mol)

Увеличение на реакционната скорост



Без катализатор

75

1



Йодид

58

8.102



Колоидна платина

50

2.104



Каталаза

8

3.1011



*Активираща енергия е количеството енергия, необходима за преминаване на всички молекули от едно вещество в активирано състояние. Енергетичната бариера на реакцията е разликата между активиращата енергия и средната енергия.

2) Въпреки че като общ клас съединения ензимите са катализатори с изключително широк спектър на действие и на практика катализират всички известни реакции в организмите, отделният ензим проявява висока специфичност по отношение природата на реакцията и структурата на субстрата.

3) Действат обикновено при по-меки условия - атмосферно налягане, рН около неутралното, невисока температура.

4) Активността и синтезата на ензимите в клетките строго се регулират.

4.1.5 Коензими и простетични групи

Освен еднокомпонентни, има и двукомпонентни ензими, които съдържат белтъчна съставка (апоензим) и небелтъчна съставка. Апоензимът е термолабилен, високомолекулен и не диализира през полупропускливи мембрани. Небелтъчната съставка е термостабилно, нискомолекулно вещество, което диализира през полупропускливи мембрани. Двукомпонентният ензим се означава като холоензим. В зависимост от дисоциацията на холоензима до апоензим и небелтъчна съставка, дисоциационната константа К има различни стойности (4.1.1). При ниски стойности на К преобладава холоензимът, т.е. връзката между апоензима и небелтъчната съставка е здрава и небелтъчната съставка се нарича простетична група. Ако връзката с апоензима. е слаба, небелтъчната съставка се нарича коензим.









Като коензими или простетични групи функционират витамини или техни производни (витамините се синтезират в растенията и постъпват в организма на животните и човека с храната). Напр. витамин Н или биотин (фиг. 4-1-1) е простетична група на карбоксилази, свързана към апоензима с ковалентна връзка. Пиридоксалфосфат и пиридоксаминфосфат, близки производни на витамин В6 (пиридоксол), са коензим на трансаминази (фиг. 4-1-2-2). Метални йони и фосфатни остатъци често действат като простетични групи.



Фиг. 4-1.
Примери за коензими и простетични групи.

1 - витамин Н (биотин) - простетична група на карбоксилази;


2 - витамин В6 (пиридоксол), пиридоксал и активните производни пиридоксалфосфат и пиридоксаминфосфат, коензими на трансаминази.

От химична гледна точка част от коензимите са нуклеотиди - напр. АТФ е преносител на фосфатна група и енергия. Други нуклеотидни коензими (фиг. 4-2) са едновременно и производни на витамини - напр. никотинамидаденин динуклеотид (НАД) , пренасящ водород, е динуклеотид, който съдържа аденилов нуклеотид и друг нуклеотид с никотинамидна база. Последната е всъщност витамин РР. Подобен е случаят и с други Н-пренасящи коензими като флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД). ФМН и ФАД съдържат базата рибофлавин (витамин В2).







Фиг. 4-2. Примери за нуклеотиди, съдържащи витамини и изпълняващи ролята на коензими.

А - никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ);


Б - флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД).

В зависимост от своята функция небелтъчните съставки се разделят на четири групи - вж табл. 4-2. Таблицата е почти изчерпателна, а от това ще заключим, че броят на коензимите не е много голям. Едни и същи коензими оперират с много ензими - напр. НАД+ е коензим на стотици дехидрогенази. Някои коензими участват в различни от химична гледна точка процеси - напр. пиридоксалфосфат взема участие както при трансаминиране, така и при декарбоксилиране на аминокиселини.


Табл. 4-2. Функции на коензимите и простетичните групи и връзки с витамините [2].

Коензим (простетична група) и функция

Съкраще-
ние

Име на съдържащия се
 витамин



I. Пренасящи водород






1. никотинамидадениндинуклеотид

НАД

РР (никотинамид)



2. никотинамидадениндинуклеотидфосфат

НАДФ

РР (никотинамид)



3. флавинмононуклеотид

ФМН

В2 (рибофлавин)



4. флавинадениндинуклеотид

ФАД

В2 (рибофлавин)



5. убихинон

УХ

-



6. липоева к-на (липоат)
 

ЛК

-



II. Пренасящи групи






7. Аденозинтрифосфат - пренася фосфатна група или АМФ-остатък

АТФ

-



8. пиридоксалфосфат - пренася аминогрупа

ПФ

витамин В6 (пиридоксол)



9. уридиндифосфат - пренася гликозилни групи

УДФ

-



10. цитидиндифосфат- пренася фосфохолин

ЦДФ

-



11. аденозилметионин - пренася метилова група

-

-



12. тетрахидрофолат - пренася С1 групи

ФН4

фолиева киселина



13. биотин - пренася -СООН група

-

биотин (витамин Н)



14. Коензим А - пренася ацилни групи

КоА

пантотенова киселина



15. тиаминпирофосфат- пренася С2 групи
 

ТФФ

тиамин (витамин В1)



III. Коензими на изомерази и лиази






16. уридиндифосфат - изомеризиране на въглехидрати

УДФ

-



17. пиридоксалфосфат - декарбоксилиране на аминокиселини

ПФ

пиридоксол (витамин В6)



18. тиаминпирофосфат - декарбоксилиране на алфа-кетокиселини

ТФФ

тиамин (витамин В1)



19. метилкобаламин - вътрешномолекулни премествания на групи

-

В12 (кобаламин)


4.1.6 Номенклатура и класификация на ензимите

Понастоящем са известни над 3000 ензима.
Международният съюз по биохимия и молекулярна биология (IUBMB) е възприел система за ензимна номенклатура, която позволява класификацията да бъде недвусмислена, трайна и всеки новооткрит ензим да намира мястото си в нея [3]. Характерни за класификацията са следните особености:
1) Реакциите и ензимите, които ги катализират, се разделят на 6 големи групи, всяка от които съдържа от 4 до 13 подгрупи.
2) Ензимното име има 2 части.
Например за ензима малат дехидрогеназа първата част съобщава името на субстрата (в случая малат) или субстратите. Втората част, окончаваща на -аза (в случая дехидрогеназа), посочва типа на катализираната реакция.
3) Всеки ензим има кодов номер, състоящ се от 4 числа. Първото дава типа на реакцията (главната група); второто определя подгрупата, третото - подподгрупата и четвъртото е индивидуалният номер на ензима.
Напр. кодовият номер ЕС. 1.9.3.1 определя цитохром с оксидазата:
1 - главна група - оксидоредуктаза;
9 - подгрупа 9 - отнема електрони от хемни групи като донатор;
3 - подподгрупа 3 - предава електрони на кислород като акцептор,
1 - цитохром с оксидаза - първи ензим в подподгрупа 3, окисляващ цитохром с
Съкращението ЕС идва от Enzyme Commission (Ензимна Комисия).

Заради яснотата и недвусмислеността си тази система е препоръчвана за употреба при научните изследвания [1]. В учебниците и в клиничната практика се допуска употреба на по-кратки названия на ензимите.


4.1.7 Кратка характеристика на шестте главни групи ензимно-катализирани реакции



I. Окислително-редукционни реакции
Ензимите се наричат оксидоредуктази. Те катализират окислително-редукционни реакции.
Под действие на дехидрогенази от различни субстрати се отделят 2 атома водород. Под действие на транселектронази се пренасят по 2 електрона. По-рядко в субстратите директно се внася кислород под действие на хидроксилази и оксигенази. По-долу е даден пример за сукцинат дехидрогеназа, която окислява сукцинат до фумарат (фиг. 4-3-I).






Фиг. 4-3-I. Пример за оксидоредуктаза.

II. Трансферазни реакции (прехвърляне на групи)
Ензимите са трансферази. Те катализират реакции на прехвърляне. Прехвърлят се разнообразни групи - съдържащи 1 въглероден атом (метилова, хидроксиметилова, формилова групи), ацилни радикали, гликозилни групи, амино-групи, фосфатни групи и др. По-долу е даден пример за фосфотрансферазата хексокиназа, която пренася фосфатна група от АТФ върху глюкоза (фиг. 4-3-II).






Фиг. 4-3-II. Пример за трансфераза.
  1   2   3   4   5   6


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница