Ферменты как катализаторы биохимических процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»

Факультет ветеринарной медицины, пищевых и биотехнологий

Кафедра микробиологии, биотехнологии и химии

Реферат по теме

«Ферменты как катализаторы биохимических процессов»

Выполнила

Студентка 3курса группы Б-БТ-301

Сердитова Анастасия

Саратов 2015

Содержание

Введение

1. Ферменты

2. Характеристика отдельных видов ферментов

3. Ферментативный катализ

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Ферменты играют немаловажную роль и в проведении многих технологических процессов. Ферменты высокого качества позволяют улучшить технологию, сократить затраты и даже получить новые продукты.

В настоящее время ферменты применяются более чем в 25 отраслях промышленности: это и пищевая промышленность, и фармацевтическая, целлюлозно-бумажная, лёгкая, а так же в сельском хозяйстве.

Целью моего реферата является: подробное исследование понятий фермента и ферментативного катализа (биокатализа).

В этой связи мне стало интересно узнать историю появления первых ферментов, особенности строения, их свойства, классификацию, принцип действия, методы выделения ферментов.

1. Ферменты

Термин фермент предложен в XVII веке химиком Ван Гельмонтом при обсуждении механизмов пищеварения. В кон. ХVIII -- нач. XIX вв. уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком, а крахмал превращается в сахар под действием слюны. Однако механизм этих явлений был неизвестен. В XIX в. Луи Пастер, изучая превращение углеводов в этиловый спирт под действием дрожжей, пришел к выводу, что этот процесс (брожение) катализируется некой жизненной силой, находящейся в дрожжевых клетках. Термин энзим был предложен в 1876 году.

Первый кристаллический фермент (уреаза) выделен американским биохимиком Д. Самнером в 1926 г.

Ферменты играют очень важную роль в работе организма человека. Они ускоряют химические процессы, происходящие на клеточном уровне. Фермент - это катализатор усваивания питательных веществ, поступающих в организм. Система пищеварения работает над преобразованием и расщеплением жиров, углеводов и белков, так как в пищевых продуктах все эти компоненты содержатся в сложных для переваривания формах. Без участия ферментов это процесс невозможен. Процессы, протекающие в организмах, - дыхание, пищеварение - связаны с действием ферментов. Например, в процессе дыхания происходит разложение угольной кислоты

Н2СО3 = СО2 + Н2О

Эта реакция происходит в организме с участием фермента карбоангидратазы.

Крахмал превращается в сахар под действие амилаз, белки - в аминокислоты под действие протеаз, жиры - в глицерин и жирные кислоты под действием липаз. Превращение гликогена в молочную кислоту происходит при участии системы ферментов.

Для изучения природы и действия ферментов, а также для применения в практических целях их извлекают из измельченных органов и тканей водой, глицерином, растворами солей и слабых кислот. В глицериновых вытяжках ферменты долго сохраняют активность, а в водных вытяжках они разрушаются быстрее. Многие ферменты готовят в высушенном виде. Сухие препараты ферментов долгое время сохраняют активность.

Для того чтобы они образовались в организме человека, необходимо получать с пищей определенное количество витаминов. При авитаминозе снижается действие ферментов и замедляется процесс обмена веществ. Каждый вид ферментов активен только в своей среде - ферменты желудка работают только в кислой среде, ферменты поджелудочной железы - только в щелочной. Идеальная температура для них - это температура человеческого тела и чуть выше, не более 39 градусов. Фермент - это специфический белок, и поэтому не выдерживает очень низких и высоких температур. При более высоких показателях они сворачиваются, при очень низких - теряют активность. Скорость реакции ферментов, то есть их активность, зависит от совокупности этих факторов - температуры, pH-среды, а также от концентрации субстрата исходного вещества.

Виды ферментов В зависимости от типов реакций ферменты делятся на шесть классов, имеющих свои подклассы. Ускоряющий окислительные реакции фермент - это оксидоредуктаза.

Все пищеварительные ферменты можно разделить на три группы. Амилаза участвует в преобразовании углеводов, расщепляя их, после чего они быстро проникают в кровеносную систему. Этот фермент выделяется в кишечнике и слюне. Липаза вырабатывается в поджелудочной железе, содержится в желудочном соке. Необходима для переработки жиров. Протеаза также выделяется поджелудочной железой и содержится в желудочном соке. Этот фермент служит для расщепления белка. Кроме пищеварительных, различают еще группу метаболических ферментов, участвующих в биохимических процессах внутри клеток.

Ферментом может быть глобулярный белок, в активном центре которого собраны функциональные группы, входящие в состав аминокислотных остатков этого белка. В других случаях в состав активного центра входит прочно связанная с белковой цепью простетическая группа (например, липоевая кислота) или слабо связанный кофермент (например, АТФ). Фермент в целом называют холоферментом, а то, что остается после удаления кофермента, - апоферментом.

В соответствии с требованиями, предъявляемыми при подборе катализаторов-фементов, их подразделяют на следующие группы:

1. Ферменты без коферментов - простые гидролазы, лиазы и изомеразы.

2. Ферменты, которые не требуют наличия кофермента (содержат прочно связанную простетическую группу, например, флавиновую или пиридоксальную) - трансаминазы, пероксидазы и т. п.

3. Ферменты, которые требуют регенерации кофермента, обычно АТФ или НАД(Ф)Н - например, киназы, большинство оксидоредуктаз.

4. Ферменты, которые встречаются в многоферментных системах.

Ферменты первой группы используются пока шире, часто и в промышленном масштабе (синтез L-аминокислот, 6-аминопеницилиновой кислоты, изомеризация глюкозы во фруктозу и т. д.). Остальные группы ферментов требуют создания особых условий и до сих пор находят применение только в лабораторных синтезах.

Что такое ферменты и за счет каких факторов они работают так эффективно?

Объяснение состоит в том, что фермент обладает способностью формировать так называемый активный центри создавать в нем специфическое окружение, в котором протекание катализируемой реакции происходит несоизмеримо быстрее, чем в растворе.

В активном центре происходит специфическое связывание субстрата. Например, сбраживание глюкозы в спирт дрожжами требует участия более 12 ферментов, каждый из которых выполняет свою функцию. Это возможно только благо даря высокой специфичности.

Различают абсолютную специфичность - специфичность по отношению к одному конкретному субстрату (уреаза - мочевина; галактокиназа переносит фосфат от АТФ только на Д-галактозу, но не на ее стерео изомеры Д-глюкозу и Д-маннозу );

Абсолютную групповую специфичность- специфичность к определенному классу субстратов (спирты, альдегиды, простые или сложные эфиры). Так, протеолитический фермент пепсин специфичен в отношении гидролиза пептидной связи. Алкогольдегидраза окисляет только спирты, а лактикодегидраза - только б-оксикислоты;

Относительная групповая специфичность- фермент действует предпочтительно на один класс соединений, но может в некоторой степени действовать и на представителей других классов, превращая их с меньшими скоростями, чем представителей основного класса. Трипсин способен расщеплять как пептидные, так и сложноэфирные связи.

Оптическая специфичность- общее свойство большей части ферментов взаимодействовать с веществами, имеющими определенную оптическую активность.

Основу ферментов составляют белки, поэтому можно сказать, что ферменты - это белки, способные катализировать химические реакции. Открыты ферменты были в 30-е годы 19-го века, и примерно сто лет ушло на то, чтобы прийти к приведенному определению. Не всякий белок может быть ферментом. По внешней форме белки бывают линейные (фибриллярные) и глобулярные. Только глобулярные белки могут быть ферментами. Белки - это полипептиды, т.е. полимеры, состоящие из аминокислотных остатков, соединенных пептидной связью.

2. Характеристика отдельных классов ферментов

1.Оксидоредуктазы. В этот класс входят ферменты, которые катализируют окислительно-восстановительные реакции - дегидрогеназы, оксидазы, пероксидазы, каталазы. Например:

СН3- СО- СООН + 2Н СН3- СНОН- СООН

гидролазы фермент питательный

2.Трансферазы осуществляют реакции переноса разных радикалов, таких как -NH2,-СН3, остатки фосфорной кислоты. В этот класс входят аминотрансферазы, фосфотрансферазы, метилтрансферазы и т.д.

3.Гидролазы катализируют реакции гидролиза. В этот класс входят пептидазы, амидазы, липазы. Например:

(NH2)2С=О + Н2О 2 NH3 + CО2

Мочевина Аммиак Углекислый газ

4.Лиазы ускоряют реакции присоединения групп по двойным связям или реакции отщепления радикалов. К этой группе относится пируватдекарбоксилаза.

СН3- СО- СООН СН3СHO + СО2

Пировиноградная кислота Уксусный альдегид

5.Изомеразы - ферменты, вызывающие изомерные превращения.

6.Лигазы - ферменты, катализирующие реакции синтеза.

3. Ферментативный катализ

Ферментативный катализ используется людьми тысячи лет, задолго до появления самого понятия «катализ». Получение молочно-кислых продуктов, сыра, приготовление теста, вина, красителей и др. продуктов включало применение ферментативных процессов. Технология этих процессов передавалась из поколения в поколение и была эмпирически отработана до совершенства. Считают, что в эволюции жизни и появлении сложных биологических систем (включая человека) важную роль сыграл ферментативный катализ.

Ферменты (энзимы) - биологические катализаторы обладают уникальными свойствами: высокой производительностью в расчете на один реакционный центр и селективностью, связанной со специфичностью действия. Работают ферменты в очень мягких условиях, при атмосферном давлении и температуре до 40о . В биологических системах отсутствуют неводные растворители и сильные кислоты и основания ( рН ? 7 ). Например фермент уреаза гидролизует только молекулы мочевины, не обращая внимания на другие амиды, и делает это гораздо эффективнее обычных кислотных катализаторов.

А. Некаталитическая реакция (в отсутствие фермента)

В качестве примера рассмотрим реакцию типа А + В > С + D. ВеществаA и В в растворе окружены оболочкой из молекул воды (гидратной оболочкой) и под действием теплового движения перемещаются случайным образом. Они могут вступать в реакцию друг с другом только в том случае, когда сталкиваются в благоприятной ориентации, что маловероятно и происходит редко. Для образования продуктов C + D комплексA--В, возникший в результате соударения молекул, должен образоватьпереходноесостояние, для чего требуется, как правило, значительная энергияактивации Ea. Поскольку получить эту энергию может только небольшая часть комплексов A--В, достижение переходного состояния -- еще более редкий случай, чем возникновение комплекса. В растворе большая часть анергии активации расходуется на преодолениегидратныхоболочекмежду A и В, сближениереагентов и другиехимическиепроцессы, в которых эти реагенты участвуют. В результате в отсутствие катализатора образование продуктов происходит крайне редко и скорость реакции v незначительна, даже когда реакция термодинамически допустима, т. е. ДG < 0 .

Б. Ферментативная реакция

Ферменты специфически связывают реагенты (свои субстраты) в активномцентре. При этом субстраты ориентируются таким образом, что приобретают оптимальное положение для образованияпереходного состояния (1-3). Сближениеи необходимаяориентацииреагентов значительно повышают вероятность образования продуктивного комплекса A--B. Кроме того, связывание субстрата в активном центре приводит к удалению гидратной оболочки субстрата.В результате удалениямолекулводыв активном центре фермента во время катализа создаются совершенно другие условия, чем в растворе (3-5). Еще одним важным фактором является стабилизацияпереходногосостояниявследствие взаимодействия между аминокислотными остатками белка и субстратом (4). Таким образом, переходное состояние в случае ферментативной реакции требует меньшей энергии активации. Кроме того, многие ферменты во время катализа переносят специфические группировки с субстрата или на субстрат. Особенно часто осуществляется перенос протонов. Этот ферментативныйкислотно-основнойкатализзначительно более эффективен, чем обмен протонов с кислотами и основаниями в растворе. Часто химические группировки ковалентно присоединяются к остаткам фермента. Это явление называют ковалентнымкатализом. Принципы ферментативного катализа разъяснены на примере лактатдегидрогеназы.

В. Основы ферментативного катализа

Несмотря на то, что сегодня трудно количественно оценить вклад отдельных каталитических эффектов, решающим фактором считается стабилизацияпереходногосостоянияв активном центре фермента. При этом наиболее существенным моментом является прочное связывание не столько субстрата, сколько его переходного состояния. Данное положение подтверждается крайне высоким сродством многих ферментов по отношению к аналогам переходного состояния, что можно пояснить простой механической аналогией (на схеме справа): если хотят перекатить металлические шарики (реагенты) с места EA (состояние субстрата) в энергетически более высокое переходное состояние, а затем в EP (состояние продукта), нужно расположить магнит (катализатор) таким образом, чтобы сила притяжения действовала не на EA (а), а на переходное состояние

Кинетика ферментативного катализа имеет некоторые особенности. Способность ферментов специфически связывать свои субстраты обусловливает важнейшую особенность катализируемых ими реакций: они начинаются с образования фермент-субстратного комплекса. Связывание субстратов ограничивает их подвижность, сближает и ориентирует их относительно друг друга оптимальным образом для осуществления реакции; уменьшение степеней свободы поступательного и вращательного движения приводит к снижению энтропии. Важным следствием сближения и взаимной ориентации реагирующих групп субстратов, с одной стороны, и функциональных групп фермента, с другой, является то, что катализ становится внутримолекулярным. Это существенно увеличивает его эффективность, так как продуктивные столкновения между молекулами в растворе относительно редки.

По Л. Михаэлису и М. Ментен образование фермент-субстратного комплекса осуществляется в результате сравнительно быстрой обратимой стадии:

k1

E + SES

k-1

Затем комплекс более медленно распадается с образованием продукта и высвобождением фермента:

k2

ESE + P

k-2

Вторая стадия реакции является лимитирующей. Общая скорость реакции пропорциональна концентрации фермент-субстратного комплекса. В начальный период реакции концентрация продукта пренебрежимо мала, и вторую стадию можно считать необратимой. В таком случае начальная скорость ферментативной реакции выражается уравнением:

Ro = k2 [ES]

Приняв, что [Eo ] - общая концентрация фермента, а ([Eo ] - [ES]) соответствует концентрации свободного фермента, а также что [S] >> [Eo ], можно получить выражение для [ES]:

[ES] = ([Eo ]• [S]/{ [S] + (k2 + k-1 )/k1 }

Отношение (k2 + k-1 )/k1 называется константой Михаэлиса ( КМ); с учетом этого концентрация фермент-субстратного комплекса и начальная скорость могут быть описаны уравнениями:

[ES] = [Eo ]• [S]/ (КМ+ [S])

Ro = k2 [ES] = k2 [Eo ]• [S]/ (КМ+ [S])

Последнее уравнение называют уравнением Михаэлиса-Ментен. Необходимо отметить, что величина КМсовпадает с термодинамической константой диссоциации фермент-субстратного комплекса только в случае квазиравновесия первой стадии и лимитирования процесса второй стадией. Во всех остальных случаях КМявляется сложным комплексом констант скорости стадий ферментативного процесса.

Заключение

В данной работе рассмотрено одно из биологически активных веществ, а именно - ферменты. Ферменты являются биологическим катализатором белковой природы, ускоряющим химические реакции в живых организмов и вне их. Ферменты обладают уникальными свойствами, которые отличают их от обычных органических катализаторов. Это, прежде всего, необычно высокая каталитическая активность. Другое важнейшее свойство ферментов - это избирательность их действия.

Важным свойством ферментов, которое необходимо учитывать при их практическом пользовании, является стабильность, т.е. их способность сохранять каталитическую активность.

Благодаря высокой специфичности ферментов в организме не воцаряется хаос: каждый фермент выполняет строго отведённые ему функции, не влияя на течение многих десятков и сотен других реакций, происходящих в его окружении. Роль ферментов в жизнедеятельности организмов велика.

Список использованной литературы

1. ''Ферменты-двигатели жизни'' В. И. Розенгарт

2. Габриелян О.С, Маскаев Ф.Н., Пономарев С.Ю, Теренин В.И. Учебник химия 10 класс. - М., 2005.

3. ''Основы биохимии'' Г. А. Смирнова

4. ''Биофизическая химия'' А. Г. Пасынский

5. Энциклопедический словарь юного биолога''М. С. Гиляров

Размещено на Allbest.ru