Fermenta aktīvajam centram nav. Aktīvo enzīmu centrs

Fermenta katalizētās ķīmiskās reakcijas mehānisma izpēte, kā arī starpproduktu un galaproduktu noteikšana dažādos reakcijas posmos nozīmē precīzas zināšanas par fermenta terciārās struktūras ģeometriju, tā molekulu funkcionālo grupu raksturu, nodrošinot darbības specifiskumu un augstu katalītisko aktivitāti uz šo substrātu, kā arī vietas (vietu) ķīmisko raksturu. ) fermenta molekula, kas nodrošina augstu katalītiskās reakcijas ātrumu. Parasti substrāta molekulas, kas iesaistītas fermentatīvās reakcijās, ir salīdzinoši mazas, salīdzinot ar fermentu molekulām. Tādējādi, veidojot enzīma-substrāta kompleksus, tiešā ķīmiskā mijiedarbībā nonāk tikai ierobežoti polipeptīdu ķēdes aminoskābju secības fragmenti - “aktīvais centrs” ir unikāla aminoskābju atlikumu kombinācija enzīma molekulā, kas nodrošina tiešu mijiedarbību ar substrāta molekulu un tiešu dalību katalīzes darbībā

Aktīvajā centrā nosacīti izolēts

katalītiskais centrs - tieši ķīmiski mijiedarbojas ar substrātu;

saistošais centrs (kontakta vai "enkura" vieta) - nodrošina īpašu afinitāti pret substrātu un fermenta-substrāta kompleksa veidošanos.

Lai katalizētu reakciju, fermentam jāsaistās ar vienu vai vairākiem substrātiem. Fermenta olbaltumvielu ķēde ir salocīta tādā veidā, ka uz globula virsmas veidojas sprauga vai dobums, kur substrāti saistās. Šo zonu sauc par substrāta saistošo vietu. Parasti tas sakrīt ar enzīma aktīvo centru vai atrodas tā tuvumā. Daži fermenti satur arī saistīšanas vietas kofaktoriem vai metāla joniem.

Ferments, kas savieno ar substrātu:

attīra substrātu no ūdens "apvalka"

reaģējošās substrāta molekulas izvieto telpā, kas nepieciešama reakcijas norisei

sagatavo substrātu molekulas reakcijai (piemēram, polarizē).

Parasti fermenta pievienošana substrātam notiek jonu vai ūdeņraža saišu dēļ, reti kovalento saišu dēļ. Reakcijas beigās tā produktu (vai produktus) atdala no fermenta.

Tā rezultātā ferments samazina reakcijas aktivizācijas enerģiju. Tas notiek tāpēc, ka fermenta klātbūtnē reakcija notiek atšķirīgā veidā (faktiski notiek atšķirīga reakcija), piemēram:

Ja nav fermenta:

Fermenta klātbūtnē:

• AF + B \u003d AVF

  AVF \u003d AV + F

kur A, B ir substrāti, AB ir reakcijas produkts, un F ir ferments.

Fermenti nevar patstāvīgi nodrošināt enerģiju endergonic reakcijām (kurām nepieciešama enerģija). Tāpēc fermenti, kas veic šādas reakcijas, tos konjugē ar eksergoniskām reakcijām, kas rada vairāk enerģijas. Piemēram, biopolimēru sintēzes reakcijas bieži tiek saistītas ar ATP hidrolīzi.

Dažu enzīmu aktīvajiem centriem raksturīga kooperatīva parādība.

Specifiskums

Fermentiem parasti ir augsta specifikācija attiecībā uz substrātiem (substrāta specifiskums). Tas tiek panākts ar formas daļēju komplementaritāti, lādiņu un hidrofobu reģionu sadalījumu uz substrāta molekulu un substrāta saistīšanas centrā ar enzīmu. Fermentiem parasti piemīt arī augsts stereospecifiskuma līmenis (veido tikai vienu no iespējamiem stereoizomēriem kā produktu vai kā substrātu izmanto tikai vienu stereoizomēru), regioselektivitāti (veido vai sarauj ķīmisko saiti tikai vienā no substrāta iespējamām pozīcijām) un ķīmisko selektivitāti (katalizē tikai vienu ķīmisko reakciju) no vairākiem iespējamiem šo apstākļu nosacījumiem). Neskatoties uz vispārējo augsto specifiskuma līmeni, fermentu substrāta un reakcijas specifiskuma pakāpe var atšķirties. Piemēram, tripsīna endopeptidāze pārtrauc peptīda saiti tikai pēc arginīna vai lizīna, ja vien prolīns neseko, un pepsīns ir daudz mazāk specifisks un var salauzt peptīda saiti pēc daudzām aminoskābēm.

8.7.1.   Šūnu saturā fermenti tiek sadalīti nevis nejauši, bet stingri sakārtoti. Izmantojot starpšūnu membrānas, šūna tiek sadalīta nodalījumos vai nodalījumi(8.18. Attēls). Katrā no tām tiek veikti stingri definēti bioķīmiskie procesi un tiek koncentrēti atbilstošie enzīmi vai polenzīmu kompleksi. Šeit ir daži tipiski piemēri.

Attēls 8.18.Dažādu metabolisma ceļu enzīmu sadalījums intracelulārā stāvoklī.

Lizosomas galvenokārt ir koncentrētas dažādos hidrolītiskos fermentos. Šeit notiek sarežģītu organisko savienojumu sadalīšanas procesi to strukturālajos komponentos.

Sarežģītās mitohondrijās ir redoksa enzīmi.

Aminoskābes aktivizējošie enzīmi tiek izplatīti hialoplazmā, bet tie pastāv arī kodolā. Hialoplazmā ir sastopami neskaitāmi glikolīzes metabolīti, kas ir strukturāli apvienoti ar pentozes fosfāta ciklu, kas nodrošina ogļhidrātu sadalīšanās dihotomisko un apotomisko ceļu savstarpējo savienojumu.

Tajā pašā laikā šūnas ribosomālajā aparātā tiek koncentrēti fermenti, kas paātrina aminoskābju atlikumu pārnešanu uz polipeptīdu ķēdes augošo galu un katalizē dažas citas reakcijas olbaltumvielu biosintēzes laikā.

Nukleotidiltransferāzes galvenokārt tiek lokalizētas šūnas kodolā, paātrinot nukleotīdu atlikumu pārnešanas reakciju nukleīnskābju veidošanās laikā.

8.7.2.   Enzīmu sadalījumu pa subcelulārām organellām pēta pēc šūnu homogenizatoru iepriekšējas frakcionēšanas, ātri centrifugējot, nosakot fermentu saturu katrā frakcijā.

Šī fermenta lokalizāciju audos vai šūnā bieži var noteikt in situ ar histoķīmiskajām metodēm (“histoenzimoloģija”). Šim nolūkam plānas (no 2 līdz 10 μm) sasalušu audu daļas apstrādā ar substrāta šķīdumu, kuram šis enzīms ir specifisks. Vietās, kur atrodas ferments, veidojas reakcijas produkts, ko katalizē šis ferments. Ja produkts ir krāsains un nešķīst, tas paliek veidošanās vietā un ļauj lokalizēt fermentu. Histo enzimoloģija nodrošina skaidru un zināmā mērā fizioloģisku priekšstatu par fermentu sadalījumu.

Fermentu enzīmu sistēmas, kas koncentrētas intracelulārās struktūrās, ir precīzi saskaņotas viena ar otru. To katalizēto reakciju savstarpēja saikne nodrošina šūnu, orgānu, audu un visa ķermeņa dzīvībai svarīgo darbību.

Pētot dažādu enzīmu aktivitāti veselīga ķermeņa audos, jūs varat iegūt priekšstatu par to izplatību. Izrādās, ka daži fermenti ir plaši izplatīti daudzos audos, bet dažādās koncentrācijās, savukārt citi ir ļoti aktīvi ekstraktos, kas iegūti no viena vai vairākiem audiem, un citos ķermeņa audos to praktiski nav.

Attēls 8.19.   Dažu enzīmu relatīvā aktivitāte cilvēka audos, izteikta procentos no aktivitātes audos ar maksimālo šī fermenta koncentrāciju (Moss, Butterworth, 1978).

8.7.3. Enzimopātiju jēdziens. 1908. gadā angļu ārsts Archibalds Garrods ierosināja, ka daudzu slimību cēlonis varētu būt metabolismā iesaistīto galveno enzīmu neesamība. Viņš iepazīstināja ar jēdzienu "iedzimtas metabolisma kļūdas" (iedzimts metabolisma defekts). Vēlāk šo teoriju apstiprināja jauni dati, kas iegūti molekulārās bioloģijas un patoloģiskās bioķīmijas jomā.

Informācija par aminoskābju secību olbaltumvielu polipeptīdu ķēdē tiek ierakstīta attiecīgajā DNS molekulas sadaļā kā trinukleotīdu fragmentu - tripletu vai kodonu - secība. Katrs triplets kodē noteiktu aminoskābi. Šo korespondenci sauc par ģenētisko kodu. Turklāt dažas aminoskābes var kodēt, izmantojot vairākus kodonus. Ir arī speciāli kodoni, kas ir signāli, lai sāktu polipeptīdu ķēdes sintēzi un tās izbeigšanu. Līdz šim ģenētiskais kods ir pilnībā atšifrēts. Tas ir universāls visiem dzīvu organismu veidiem.

DNS molekulā iestrādātās informācijas ieviešana ietver vairākus posmus. Pirmkārt, matricas RNS (mRNS), kas nonāk citoplazmā, transkripcijas laikā tiek sintezēta šūnas kodolā. Savukārt mRNS kalpo kā paraugs translācijai - polipeptīdu ķēžu sintēzei ribosomās. Tādējādi molekulāro slimību raksturu nosaka nukleīnskābju un to kontrolēto olbaltumvielu struktūras un funkcijas pārkāpums.

8.7.4.   Tā kā informācija par visu šūnas olbaltumvielu struktūru ir ietverta DNS nukleotīdu secībā, un katru aminoskābi nosaka nukleotīdu triplets, DNS primārās struktūras izmaiņām galu galā var būt dziļa ietekme uz sintezēto olbaltumvielu. Šādas izmaiņas rodas DNS replikācijas kļūdu dēļ, kad vienu slāpekļa bāzi apmaina ar citu, vai nu radiācijas, vai ķīmiskās modifikācijas rezultātā. Tiek saukti visi šādi mantotie defekti mutācijas. Tās var izraisīt nepareizu galvenās aminoskābes koda nolasīšanu un izdzēšanu (pazušanu), vienas aminoskābes aizstāšanu ar citu, priekšlaicīgu olbaltumvielu sintēzes pārtraukšanu vai aminoskābju secību pievienošanu. Ņemot vērā olbaltumvielu telpiskā iepakojuma atkarību no tajā esošo aminoskābju lineārās secības, mēs varam pieņemt, ka šādi defekti var mainīt olbaltumvielu struktūru un līdz ar to arī tā funkciju. Tomēr daudzas mutācijas ir atrodamas tikai laboratorijas apstākļos, un tām nav kaitīgas ietekmes uz olbaltumvielu funkcijām. Tādējādi galvenais ir primārās struktūras izmaiņu lokalizācija. Ja aizvietotās aminoskābes pozīcija ir kritiska, lai veidotos terciārā struktūra un fermenta katalītiskais centrs, tad mutācija ir nopietna un var izpausties kā slimība.

Viena enzīma neveiksmes sekas metabolisma reakciju ķēdē var izpausties dažādos veidos. Pieņemsim, ka savienojuma pārvēršana A   savienojumā B   katalizē fermentu E   un tas savienojums C   notiek alternatīvā transformāciju ceļā (8.20. attēls):

8.20. Attēls.   Bioķīmisko pārvērtību alternatīvo ceļu shēma.

Fermentu deficīta sekas var būt šādas parādības:

1. fermentatīvās reakcijas produkta izgāšanās ( B) Kā piemēru mēs varam norādīt uz glikozes līmeņa pazemināšanos asinīs dažās glikogenozes formās;
2. vielas uzkrāšanās ( A), kura pārvēršana katalizē fermentu (piemēram, homogentisīnskābi alkalptonūrijā). Daudzās lizosomu uzglabāšanas slimībās vielas, kuras parasti tiek hidrolizētas lizosomās, uzkrājas tajās viena enzīma nepietiekamības dēļ;
3. novirze uz alternatīvu ceļu ar dažu bioloģiski aktīvu savienojumu veidošanos ( C) Šajā parādību grupā ietilpst fenilpiruvirskābes un fenilaktīnskābes izdalīšanās ar urīnu, kas veidojas fenilketonūrijas slimnieku ķermenī fenilalanīna sadalīšanās palīgceļu aktivizēšanas rezultātā.

Ja metabolisma pārveidošanu parasti regulē atgriezeniskā saikne ar galaproduktu, tad pēdējo divu veidu anomāliju ietekme būs ievērojamāka. Tā, piemēram, ar porfīriju (iedzimtiem hema sintēzes traucējumiem) tiek novērsta hema inhibējošā iedarbība uz sākotnējām sintēzes reakcijām, kas noved pie pārmērīga daudzuma metabolisma ceļa starpproduktu veidošanās, kuriem ir toksiska ietekme uz ādas un nervu sistēmas šūnām.

Vides faktori var uzlabot vai pat pilnībā noteikt dažu iedzimtu metabolisma traucējumu klīniskās izpausmes. Piemēram, daudziem pacientiem ar glikozes-6-fosfāta dehidrogenāzes deficītu slimība sākas tikai pēc tādu zāļu kā primaquine lietošanas. Ja nav saskares ar zālēm, šādi cilvēki rada iespaidu, ka ir veseli.

8.7.5.   Enzīma deficītu parasti vērtē netieši, palielinot izejvielas koncentrāciju, kas parasti tiek pārveidota šī fermenta ietekmē (piemēram, fenilalanīns fenilketonūrijā). Tieša šādu enzīmu aktivitātes noteikšana tiek veikta tikai specializētos centros, taču, ja iespējams, diagnoze jāapstiprina ar šo metodi. Dažu iedzimtu metabolisma traucējumu pirmsdzemdību (pirmsdzemdību) diagnoze ir iespējama, pārbaudot amnija šķidruma šūnas, kas iegūtas grūtniecības sākuma stadijās un kultivētas in vitro.

Dažus iedzimtus metabolisma traucējumus var ārstēt, nogādājot trūkstošo metabolītu organismā vai ierobežojot traucētu metabolisma procesu kuņģa-zarnu trakta prekursoru uzņemšanu. Uzkrājošos produktus (piemēram, dzelzi hemohromatozes laikā) dažreiz var noņemt.

1. Aktīvais centrsIr salīdzinoši mazs   zemes gabalsatrodas šaurā hidrofobā padziļinājumā (spraugā) enzīma molekulas virsmā,   tieši iesaistīts katalīzē.

2. Termiskās struktūras līmenī veidojas aktīvie enzīmu centri.

3. Fermentatīvajai katalīzei ir nepieciešama precīza lielo ansambļu telpiskā organizācija, kas izgatavoti no aminoskābju atlikumiem un to sānu grupām. Šādi ansambļi veido gan aktīvos, gan regulējošos (allosteriskos) enzīmu centrus.

4. Aktīvais centrs, izņemot katalītiskā vietaietver substrāta iesiešanavieta, kas ir atbildīga par substrāta specifisko papildinošo saistīšanos un fermenta-substrāta kompleksa (ES) veidošanos; enzīma aktīvās vietas vietā bieži tiek iekļauta vietne vai domēns kofaktora saistīšanai.

1. piemērsAktīvie enzīmu centri veidojas terciārās struktūras līmenī.

Serīna proteāzes ir plaši izplatītas dabā un kopā ar citu klašu proteolītiskajiem fermentiem (aspartilgrupa, cisteīns un metalloproteināzes) nodrošina olbaltumvielu sadalīšanos (katabolismu) un vairākas ierobežotas proteolīzes reakcijas, kurām ir normatīva nozīme šūnu dzīvē.

Iekšāatšķirīgas serīna proteāzes, šīs aminoskābes var ieņemt dažādas vietas enzīma peptīdu ķēdē, taču tās saplūst, kad polipeptīdu ķēde sarecē un tiek stingri saglabāta to relatīvā pozīcija telpā (2.3. att.).

  5. Aktīvo centru nevar ieskicēt ar stingri noteiktām robežām, jo \u200b\u200bkatrs tā komponents vienā vai otrā veidā mijiedarbojas ar citām enzīma molekulas daļām. Mikrovides ietekme var būt ļoti nozīmīga: - aktīvā centra komponenti, ieskaitot faktorus, mijiedarbojas ar blakus esošajām enzīma grupām, kuras maina funkcionālo grupu ķīmiskās īpašības,iesaistīts katalīzē;

6. Aktīvā centra uzbūve nosaka fermentu darbības specifiku. Lielākā daļa fermentu ir ļoti specifiski gan dabai, gan substrāta pārvēršanās ceļam.

7. Substrāta specifiskums ir saistīts ar fermenta substrātu saistošā centra un substrāta struktūras papildinošo struktūru (2.4. Att.).

Kā att. 2.4., Substrāta saistošā vieta formāatbilst substrātam (ģeometriskā korespondence), turklāt starp enzīma aktīvā centra un substrāta aminoskābju atlikumiem veidojas specifiskas saites (hidrofobiskas, joniskas un ūdeņraža), t.i. ir nodibināta elektroniskavai ķīmiskaatbilstība.