CH3 N O Физико-химические основы биокатализа в иллюстрациях Лаврик О.И., Дырхеева Н.С. Мультимедийный курс является вспомогательным материалом к курсу лекций «Физическая химия биополимеров» подготовлен в рамках реализации Программы развития НИУ-НГУ» НГУ- 2011 Физико-химические основы биокатализа в иллюстрациях 1. Структурная организация активного центра ферментов. Строение активных центров ферментов на примере карбоксипептидазы, рибонуклеазы, химотрипсина Ферменты Белки До открытия рибозимов ферменты-белки считались единственными биологическими катализаторами Рибозимы Нобелевская премия по химии 1989 г. за «обнаружение каталитических свойств РНК» (Т.Чек и С.Алтман) Классы ферментов: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Оксидоредуктазы Трансферазы Гидролазы Лиазы Изомеразы Лигазы Оксидоредуктазы Катализируют окисление или восстановление с переносом электронов или атомов водорода (электрон+протон). AH + B → A + BH (восстановленный) A + O → AO (окисленный) Подклассы: дегидрогеназы, оксидазы, пероксидазы, редуктазы, монооксидазы, диоксигеназы. Примеры: каталаза, алкогольдегидрогеназа, лактатдегидрогеназа, малатдегидрогеназа. Алкогольдегидрогеназа Трансферазы Катализируют перенос различных групп как единого целого от одного субстрата к другому. AB + C → A + BC Подклассы: аминотрансферазы, фосфотрансферазы, C1-трансферазы, гликозилтрансферазы. Примеры: киназы, переносящие фосфатную группу, используя в качестве субстрата АТР, а также ДНК- и РНК-полимеразы, осуществляющие синтез ДНК и РНК. Фосфофруктокиназа Гидролазы Катализируют гидролиз химических связей – присоединение молекулы воды с разрывом связи в молекуле субстрата. AB + H2O → AOH + BH Подклассы: эстеразы, липазы, фосфатазы, гликозидазы, протеазы (пептидазы), нуклеазы. Примеры: пепсин, трипсин, химотрипсин, амилаза. ТАГ-липаза Лиазы Катализируют отщепление от субстрата определенных групп, с разрывом химических связей без участия молекул воды и с образованием двойной связи в одном из продуктов. RCOCOOH → RCOH + CO2 Подклассы: C-O-лиаза, C-S-лиаза, C-N-лиаза, C-C-лиаза. Примеры: альдолаза, декарбоксилаза. Пируват-декарбоксилаза Изомеразы Катализируют структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата. Изомеразы изменяют положение атома или группы атомов в пределах одной молекулы или же изменяют пространственное строение молекул. AB → BA Примеры: рацемазы, цис-транс-изомеразы. Рибулозофосфат 3-эпимераза Фосфоглюкомутаза Лигазы (синтетазы) Катализируют образование химических связей между субстратами с использованием гидролиза АТР или GTP, т.е. синтез с использованием энергии макроэргической связи. X + Y+ ATP → XY + ADP + pi Подклассы: C-O-лигаза, C-S-лигаза, C-N-лигаза, C-C-лигаза. Примеры: амид-синтетазы, аминоацил-тРНК-синтетазы. Глутаминсинтетаза Кофактор – дополнительный компонент небелковой природы, необходимый для работы фермента, апофермент – фермент, который требует наличия кофактора для проявления каталитической активности: апофермент + кофактор = холофермент Неорганические молекулы (например, ионы металлов) Органические молекулы (например, NAD+, АТР) Кофакторы Коферменты способны диссоциировать от фермента (например, АТР и GTP в реакциях, катализируемых синтетазами) Простетические группы связаны с ферментом ковалентно (например, пиридоксальфосфат в реакциях трансаминирования и декарбоксилирования аминокислот) Активный центр фермента – организованная функциональная структура, состоящая из ограниченного числа аминокислотных остатков, которая вступает в непосредственный контакт с субстратом. Формирование активного центра – результат образования вторичной и третичной структуры белка на основе первичной последовательности. В формировании могут принимать участие молекулы воды, ионы металлов или органические кофакторы. Работа активного центра: 1) Связывание субстрата k-1/k1=Kd [моль/л=М] Kd – константа диссоциации фермент-субстратного комплекса 2) Химическое превращение. k2 = kcat [cек-1] характеризует число оборотов ферментативной реакции Двустадийный механизм реакции гидролиза рибонуклеазой А первая стадия Двустадийный механизм реакции гидролиза рибонуклеазой А вторая стадия Схема активного центра сериновых протеаз и механизм их действия Схема активного центра карбоксипептидазы А в присутствии субстрата