Ферменты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

на тему: «Ферменты»

Содержание

Введение

Глава 1. Локализация ферментов в организме

Глава 2. Изоферменты, их биологическое значение

Глава 3. Иммобилизованные ферменты и их применение

Заключение

Список литературы

Введение

Ферменты - это специфические белки, которые действуют как катализаторы в биологических системах.

Являясь веществами белковой природы, ферменты обладают всеми свойствами белков:

- имеют несколько уровней организации макромолекул, подтвержденных данными рентгеноструктурного анализа;

- подобно растворимым белкам, образуют коллоидные растворы;

- дают положительные цветные реакции на белки;

- являются амфотерными соединениями;

- склонны к денатурации под влиянием тех же факторов: температуры, изменений рН, действия солей тяжелых металлов, физических факторов (ультразвука, ионизирующего излучения и т. д.):

- ферменты, как и белки, при гидролизе распадаются до аминокислот.

В отличие от других белков, ферменты обладают каталитической активностью. При этом, обладая свойствами, присущими неорганическим катализаторам, они существенно отличаются от них рядом свойств.

Учение о ферментах выделено в самостоятельную науку - энзимологию. Термин «энзим» (от греч. еn zyme - в дрожжах) так же, как и «фермент» (от лат. fermentum - закваска), означает процесс, связанный с выделением газов, брожением.

Глава 1. Локализация ферментов в организме

Ферменты по локализации и функциональности делят на три группы:

I - общие ферменты (универсальные);

II - органоспецифические;

III - органеллоспецифические.

Общие ферменты обнаруживаются практически во всех клетках, обеспечивают жизнедеятельность клетки, катализируя реакции биосинтеза белка, нуклеиновых кислот, образование биомембран и основных клеточных органелл, энергообмен. Общие ферменты разных тканей и органов, тем не менее, отличаются по активности.

Ферменты, свойственные только или преимущественно определенному органу или ткани, называются органоспецифическими. В печени - это аргиназа, урокиназа, гистидаза,

-глутамилтрансфераза, аланинаминотрансфераза, сорбитол-дегидрогеназа. Органоспецифическим ферментом почек и костной ткани является щелочная фосфатаза, предстательной железы - кислая фосфатаза, поджелудочной - -амилаза и липаза [1].

Внутри клетки ферменты распределены также неравномерно. Одни ферменты находятся в коллоидно-растворенном состоянии в цитозоле, другие вмонтированы в клеточные органеллы (структурированное состояние). Разным органеллам клетки присущ специфический набор ферментов, которые определяют их функции:

- клеточная мембрана: щелочная фосфатаза, аденилатциклаза, К+-Na+-АТФ-аза;

- цитоплазма: ферменты гликолиза, пентозного цикла;

- микросомы: ферменты, обеспечивающие гидроксилирование;

- рибосомы: ферменты, обеспечивающие синтез белка;

- лизосомы: гидролитические ферменты;

- митохондрии: ферменты цикла трикарбоновых кислот и окислительного

фосфорилирования;

- ядро клетки: ферменты, обеспечивающие синтез РНК и ДНК;

- ядрышко: ДНК-зависимая РНК-полимераза.

В клетке существуют отсеки (компартменты), которые, отличаясь набором ферментов, отличаются и метаболизмом (компартментализация метаболизма).

Определение в плазме или сыворотке крови активности органо- или органеллоспецифических ферментов широко используется в клинической диагностике. Увеличение активности ферментов в плазме (сыворотке) крови связано прежде всего с цитолизом (т. е. повышением проницаемости биомембран или некрозом клетки) и выходом ферментов в кровяное русло. При этом активность ферментов в поврежденном органе уменьшается, а в плазме или сыворотке крови возрастает. [1]

Глава 2. Изоферменты, их биологическое значение

Изоферменты - это множественные формы фермента, катализирующие одни и те же реакции, но отличающиеся по физическим и химическим свойствам (сродство к субстрату, скорость катализируемой реакции, электрофоретическая подвижность, различная чувствительность к ингибиторам и активаторам, термостабильность, оптимум рН).

В качестве примера можно рассмотреть лактатдегидрогеназу (ЛДГ) - фермент, катализирующий обратимую реакцию:

фермент организм

Этот фермент существует в виде 5 изоформ, каждая из которых состоит из 4 протомеров (субъединиц) двух типов (М и Н). Изоферменты ЛДГ различаются на уровне четвертичной структуры: ЛДГ₁ - 4Н; ЛДГ₂ - 3Н1М; ЛДГ₃ - 2Н2М; ЛДГ₄ - 1Н3М; ЛДГ₅ - 4М. Полипептидные цепи Н- и М-типа имеют одинаковую молекулярную массу, но в составе первых преобладают дикарбоновые аминокислоты, последних - диаминокислоты, поэтому они несут разный заряд и могут быть разделены методом электрофореза. Обозначение изоформ принято в соответствии с их подвижностью к аноду - Рисунок 3.

В процессе индивидуального развития организма происходит изменение содержания изоформ в той или иной ткани. У зародыша преобладают ЛДГ₄ и ЛДГ₅. После рождения происходит изменение содержания изоформ в некоторых тканях. В миокарде, надпочечниках, где доминирует аэробный обмен, преобладают ЛДГ₁ и ЛДГ₂. В тканях, где сохранился анаэробный обмен, преобладают ЛДГ₄ и ЛДГ₅ (скелетная мускулатура, печень) [1].

Рисунок 1. Распределение и относительные количества изоферментов ЛДГ в различных органах.

Существование изоформ повышает адаптационную возможность тканей, органов и организма в целом к меняющимся условиям. Определение изоферментного спектра плазмы крови ЛДГ имеет клинико-диагностическое значение для дифференциальной диагностики: при инфаркте миокарда преобладают ЛДГ₁ и ЛДГ₂, а при заболеваниях печени - ЛДГ₄ и ЛДГ₅. [1]

Глава 3. Иммобилизованные ферменты и их применение

Под иммобилизацией фермента понимается его включение в какую-либо изолированную фазу, которая отделена от фазы свободного раствора, но способна обмениваться с находящимися в последней молекулами субстрата или эффектора. Иными словами, иммобилизация представляет собой включение фермента в такую среду, в которой для него доступной является лишь ограниченная часть общего объема. Иммобилизация ферментов - это перевод их в нерастворимое состояние с сохранением (частичным или полным) каталитической активности.

Вообще, в идеальном случае иммобилизация фермента не должна приводить к потере каталитической активности. Адсорбция - мягкий метод иммобилизации, который, как правило, слабо изменяет каталитическую активность фермента [2].

Наоборот, ковалентное связывание приводит часто к снижению ферментативной активности. Однако инактивацию фермента можно предотвратить, если проводить иммобилизацию в присутствии субстрата, который защищает активный центр. Приведем примеры типичных водо-нерастворимых носителей, используемых для адсорбции и ковалентной иммобилизации ферментов (Таб. 1).

Таблица 1. Материалы, используемые для иммобилизации

Широкое технологическое применение ферментов долгое время сдерживалось рядом причин, из которых важнейшим являются:

- трудоемкость отделения ферментов от исходных реагентов и продуктов реакции после завершения процесса, в результате чего ферменты используются, как правило, однократно;

- неустойчивость (лабильность) ферментов при хранении, а также при различных воздействиях (главным образом тепловых);

- трудоемкость очистки ферментов и получения их в достаточно активном виде и, как следствие, высокая стоимость активных ферментов.

В последнее десятилетие определились пути преодоления этих трудностей. Они связаны как раз с получением иммобилизованных ферментов, а также иммобилизованных клеток (микроорганизмов). Открылись принципиально новые перспективы перед прикладной наукой в результате создания иммобилизованных ферментов. Дж. Нельсон и Е. Гриффин в 1916 г. показали, что инвертаза, адсорбированная на угле (т. е. иммобилизованная), сохраняет каталитическую активность. В 20-30-х годах прошлого века работы по получению адсорбции белков и ферментов были продолжены главным образом в практических целях.

Каким образом, с помощью иммобилизации удается преодолеть перечисленные выше трудности промышленного использования ферментов?

1. В результате иммобилизации ферменты приобретают преимущества гетерогенных катализаторов - их можно удалять из реакционной смеси (и отделять от субстратов и продуктов ферментативной реакции) простой фильтрацией. Этим устраняется первый из перечисленных недостатков растворимых ферментов как технологических катализаторов. Более того, появляется возможность перевода многих периодических ферментативных процессов на непрерывный режим, используя колонны или проточные аппараты с иммобилизованными ферментами [2].

2. Иммобилизованные ферменты более устойчивы к внешним воздействиям, чем растворимые ферменты. Таким образом, возникли перспективы преодоления и второго недостатка - их лабильности.

3. Наконец, принцип иммобилизации был применен не только к ферментам, но и к их субстратам, ингибиторам и кофакторам, т. е. веществам, имеющим избирательное сродство к ферментам. Это позволило создать метод выделения и очистки ферментов, основанный на хроматографии по сродству, или аффинной хроматографии. Тем самым существенно облегчается выделение чистых ферментов, и в настоящее время можно рассчитывать на то, что и третья из отмеченных причин, ограничивающих промышленное применение ферментов, успешно преодолевается.

Иммобилизованные ферменты обладают рядом преимуществ при использовании их в прикладных целях:

1. Гетерогенный катализатор легко отделить о реакционной среды, что дает возможность:

- остановить в нужный момент реакцию;

- использовать катализатор повторно;

- получать продукт, не загрязненный ферментом (важное обстоятельство для пищевых и фармацевтических производств).

2. Использование гетерогенных катализаторов позволяет проводить ферментативный процесс непрерывно, например, в проточных колоннах, и регулировать скорость катализируемой реакции, а также выход продукта путем изменения скорости потока.

3. Иммобилизация или модификация фермента способствует целенаправленному изменению свойств катализатора, в том числе специфичности, зависимости каталитической активности от рН, ионного состава и других параметров среды и, что важно, его стабильности по отношению к различного рода денатурирующим воздействиям [2].

4. Иммобилизация ферментов дает возможность регулировать их каталитическую активность путем изменения свойств носителя под действием некоторых физических факторов (свет, звук); создаются механо- и звукочувствительные датчики, усилители слабых сигналов и бессеребряные фотографические процессы.

С практической точки зрения иммобилизация ферментов на водонерастворимых носителях очень выгодна, поскольку после завершения ферментативной реакции иммобилизованный фермент может быть выделен и использован повторно. Однако необходимо знать, остается ли иммобилизованный фермент связанным с носителем при различных условиях (рН, температура, присутствие субстрата и продуктов). Убедившись в прочности связывания фермента с носителем, можно сравнивать свойства свободного и иммобилизованного фермента. Одним из свойств носителя является максимальная «нагрузка». Под максимальной «нагрузкой» (емкостью) носителя ферментом подразумевается максимальное количество фермента, которое может быть иммобилизовано на определенном количестве носителя. Это очень важный параметр, так как высокая степень нагрузки носителя позволяет уменьшить размеры реактора. Перенасыщение носителя может привести к тесному сближению молекул и к уменьшению активности фермента за счет стерических затруднений при взаимодействии субстрата с активным центром. Однако, ограниченная «нагрузка» носителя может приводить к блокированию свободными молекулами пространства между связанными молекулами фермента. [2]

Заключение

Связь между ферментами и наследственными болезнями обмена веществ была впервые установлена А. Гэрродом в 1910-е гг. Гэррод назвал заболевания, связанные с дефектами ферментов, «врождёнными ошибками метаболизма».

Если происходит мутация в гене, кодирующем определённый фермент, может измениться аминокислотная последовательность фермента. При этом в результате большинства мутаций его каталитическая активность снижается или полностью пропадает. Если организм получает два таких мутантных гена (по одному от каждого из родителей), в организме перестаёт идти химическая реакция, которую катализирует данный фермент. Например, появление альбиносов связано с прекращением выработки фермента тирозиназы, отвечающего за одну из стадий синтеза тёмного пигмента меланина. Фенилкетонурия связана с пониженной или отсутствующей активностью фермента фенилаланин-4-гидроксилазы в печени.

В настоящее время известны сотни наследственных заболеваний, связанные с дефектами ферментов. Разработаны методы лечения и профилактики многих из таких болезней.

Список литературы

1. Емельянов, В.В. Биохимия. Основной курс: Учебное пособие / В.В. Емельянов. - Екатеринбург.: ИУУ, 2016. - 255 с.

2. Юрин, В.М. Иммобилизованные клетки и ферменты. Основной курс: Учебное пособие / В.М. Юрин. - Беларусь.: БГУ, 2014. - 108 с.

3. Ферменты [Электронный ресурс]: URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ферменты (дата обращения: 10.04.2020).

Размещено на Allbest.ru