Металлоферменты и ферменты активируемые металлами
Обновлено: 10.05.2024
Обусловлены наличием аномального НЬ. У них изменяется одно из трёх свойств:
3. устойчивость к денатурации.
1). НЬ с изменённой растворимостью. HbS - серповидно-клеточный, в Б-цепях НЬ в 6 положении заменяются аминокислотные остатки, изменяется форма, повышается ломкость, укорачивается продолжительность жизни ЭЦ.
Талассемии - нарушение синтеза цепи НЬ. а - талассемия - а - цепи, b-b- (3 - цепей, следовательно изменяется продукция эритроидных клеток в костном мозге и насыщение ЭЦНЬ.
2). Метгемоглобин - в нём железо трехвалентно
Восстановление метНЬ в нормальный происходит с участием витамина С и фермента НАДФН - метгемоглобинредуктазы. Развивается при:
а), отравлениях NO3 ,Br - , NО - 2, анилином, особая опасность: нитратсодержащая вода для
б), наследственный дефицит фермента метгемоглобинредуктазы.
Карбоксигемоглобин. Сродство НЬ человека к СО в 200 раз выше,чем к О2, т.к. СО
вытесняет О2 из оксиНЬ, при отравлении СО на коже и в тканях жертвы проявляется
Ферменты - биокатализаторы, ускоряющие скорость химических реакций в организме, в реакциях не расходуются, катализируют как прямую, так и обратную реакции, катализируют не более 1 хим. реакции, увеличивают скорость хим. реакции при обычной температуре, обладают высокой степенью специфичности, могут регулироваться. С термодинамической точки зрения ускоряют реакции за счет снижения энергии активации, путем увеличения числа активированных молекул, становятся реакционно-способными на более низком энергетическом уровне.
Энергия активации - энергия, необходимая для перевода всех молекул 1 моля вещества в
активированное состояние при данной температуре.
Название: 1. субстрат 2. тип катализируемой реакции с окончанием «аза»
Классы ферментов (в основе классификации лежит специфичность ферментов).Для
некоторых используются тривиальные названия (пепсин, трипсин).
1. оксидоредуктазы (ОВР)
НАД, ФАД '
2. трансферазы(перенос отдельных групп атомов кроме Н от одной молекулы к другой) Аминотрасфераза
3. гидролазы (гидролиз пептидных, эфирных связей с участием воды - ферменты ЖКТ)
4. лиазы (отщепление групп от субстрата без воды с образованием двойных связей, или
присоединение групп по = связи) Амидинлиаза, фумаратгидротаза
5. изомеразы(взаимопревращение изомеров) Рацемаза
6. лигазы или синтетазы (образование связей в реакциях конденсации у различных соединений с использованием энергии АТФ или витамина Н(биотин))
Глутаминсинтетаза
Все ферменты - глобулярные белки, состоящие из одной или нескольких ППЦ в
третичной структуре. Имеют активный центр (АЦ) - это участок, образованный
боковыми радикалами аминокислотных остатков, отдаленных друг от друга, которые на
уровне третичной структуры формируют центр. К нему присоединяется субстрат,
который обладает пространственным и химическим сродством к нему
Субстрат - это лиганд или вещество, которое подвергается химической модификации
при взаимодействии с АЦ фермента.
АЦ содержит якорный участок, который не играет каталитической роли, а служит для
специфического связывания субстрата; каталитический центр, который участвует в
химической модификации. Кроме АЦ в молекуле фермента может присутствовать
аллостерический центр (регуляторный), при помощи него осуществляется регуляция
Аллостерический центр содержат ферменты, состоящие из нескольких субъединиц, эти ферменты являются ключевыми в различных метаболических путях. Часто молекулы фермента содержат небелковый компонент, от которого зависит его активность - кофактор. Комплекс белковой части и кофактора называют холоферментом. К кофакторам относят: ионы металлов и коферменты (орг.соединения).
Более 25% ферментов прочно связаны с ионами металлов.
Различают:
1. металлоферменты - содержат ионы металлов, имеющих функциональное значение,
которые в ходе очистки не отделяются от фермента
2. ферменты, активируемые металлами - связаны с металлом менее прочно, но для
проявления активности фермента необходимо добавление металла в среду.
В отличие от ионов металлов коферменты участвуют в химической реакции. Коферменты являются переносчиками различных групп и их рассматривают как второй субстрат. Коферменты претерпевают химические превращения, противоположные тем, которые происходят с субстратом (в ОВР субстрат окисляется, а кофермент -восстанавливается).
19. Кофакторы и коферменты. Водорастворимые витамины, как предшественники коферментов. Металлоферменты и ферменты, активируемые металлами
Большинство ферментов для проявления ферментативной активности нуждается в низкомолекулярных органических соединениях небелковой природы (коферментах) и/или в ионах металлов (кофакторах).
Термин. "кофермент" был введён в начале XX века и обозначал часть некоторых ферментов, которая легко отделялась от белковой молекулы фермента и удалялась через полупроницаемую мембрану при диализе. Несколько позже было выяснено, что большинство ферментов состоит из термолабильной белковой части и термостабильного небелкового фактора - кофермента. Белковая часть получила название "апофермент", который в отсутствие кофермента не обладает каталитической активностью. Кофермент с белковой молекулой (апоферментом) формируют молекулу холофермента, обладающую каталитической активностью.
А. Кофакторы
Более 25% всех ферментов для проявления полной каталитической активности нуждается в ионах металлов. Рассмотрим роль кофакторов в ферментативном катализе.
1. Роль металлов в присоединении субстрата
в активном центре фермента
Ионы металла выполняют функцию стабилизаторов молекулы субстрата, активного центра фермента и конформации белковой молекулы фермента, а именно третичной и четвертичной структур.
Ионы металлов - стабилизаторы молекулы субстрата
Для некоторых ферментов субстратом служит комплекс превращаемого вещества с ионом металла. Например, для большинства киназ в качестве одного из субстратов выступает не молекула АТФ, а комплекс Mg2+-ATФ. В этом случае ион Mg2+ не взаимодействует непосредственно с ферментом, а участвует в стабилизации молекулы АТФ и нейтрализации отрицательного заряда субстрата, что облегчает его присоединение к активному центру фермента.
Ионы металла - стабилизаторы активного центра фермента
В некоторых случаях ионы металла служат "мостиком" между ферментом и субстратом. Они выполняют функцию стабилизаторов активного центра, облегчая присоединение к нему субстрата и протекание химической реакции. В ряде случаев ион металла может способствовать присоединению кофермента. Перечисленные выше функции выполняют такие металлы, как Mg2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Мо2+. В отсутствие металла эти ферменты активностью не обладают. Такие ферменты получили название "металлоэнзимы". Схематично данный процесс взаимодействия фермента, субстрата и металла можно представить следующим образом:
К металлоэнзимам относят, например, фермент пируват киназу (рис. 2-4), катализирующий реакцию:
2. Роль металлов в стабилизации третичной
и четвертичной структуры фермента
Ионы металлов обеспечивают сохранение вторичной, третичной, четвертичной структуры молекулы фермента. Такие ферменты в отсутствие
ионов металлов способны к химическому катализу, однако они нестабильны. Их активность снижается и даже полностью исчезает при небольших изменениях рН, температуры и других незначительных изменениях внешнего окружения. Таким образом, ионы металлов выполняют функцию стабилизаторов оптимальной конформации белковой молекулы.
Иногда в стабилизации вторичной и третичной структуры принимают участие ионы щёлочноземельных металлов. Так, для поддержания третичной конформации пируваткиназы необходимы ионы К+.
Для стабилизации четвертичной структуры алкогольдегидрогеназы, катализирующей реакцию окисления этанола, необходимы ионы цинка. Алкогольдегидрогеназа состоит из 4 субъединиц с молекулярной массой 151 кД. В состав фермента входят 4 атома Zn2+. Удаление Zn2+ приводит к потере активности фермента за счёт диссоциации на 4 неактивные субъединицы с молекулярной массой 36 кД (рис. 2-5).
Металлоферменты и ферменты активируемые металлами
Свыше 25% всех ферментов содержат прочно связанные ионы металлов или активны только в их присутствии. Для изучения функций ионов металлов используются методы рентгеновской кристаллографии, ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). В сочетании со сведениями об образовании и распаде
металлсодержащих комплексов и о реакциях, в которых затрагивается координационная сфера ионов металлов, данные, полученные этими методами, позволяют лучше понять роль ионов металлов в ферментативном катализе. Об этой роли и говорится ниже.
Металлоферменты и ферменты, активируемые металлами
Металлоферменты содержат определенное количество ионов металлов, имеющих функциональное значение и остающихся связанными с молекулой фермента в ходе его очистки. Ферменты, активируемые металлами, связывают последние менее прочно, но для своей активности требуют добавления металлов в среду. Таким образом, разграничение между металлоферментами и ферментами, активируемыми металлами, основано на сродстве данного фермента к иону «своего» металла. Механизмы, основанные на участии ионов металлов в катализе, в обоих случаях, по-видимому, сходны.
Тройные комплексы фермент—металл — субстрат
Для тройных (трехкомпонентных) комплексов, включающих каталитический центр ион металла (М) и субстрат (S) со стехиометрией 1:1:1, возможны четыре различных схемы образования:
В случае ферментов, активируемых металлами, реализуются все четыре схемы. Для металлофермен-тов образование комплекса невозможно, иначе они не могли бы удерживать металл в процессе очистки (они находятся в форме ). Можно сформулировать три общих правила.
1. Большинство (но не все) киназ (-трансферазы) образуют комплексы с мостиковым субстратом типа -нуклеозид—М.
2. Фосфотрансферазы, использующие в качестве субстрата пируват или фосфоенолпируват, другие ферменты, катализирующие реакции с участием фосфоенолпирувата, а также карбоксилазы образуют комплексы с мостиковым металлом.
3. Данный фермент может быть способен к образованию мостикового комплекса одного типа с одним субстратом и другого типа — с другим.
Комплексы с мостиковым ферментом (М—Enz—S)
Металлы в комплексах с мостиковым ферментом, по-видимому, выполняют структурную роль, поддерживая активную конформацию (примером служит глутаминсинтаза), или образуют мостик с другим субстратом (как в пируваткиназе). В пируваткиназе ион металла играет не только структурную роль, но и удерживает один из субстратов (АТР) и активирует его:
Комплексы с мостиковым субстратом
Образование тройных комплексов с мостиковым субстратом, которое наблюдается при взаимодействии ферментов с нуклеозидтрифосфатами, по-видимому, связано с выстеснением из координационной сферы металла, место которой занимает АТР.
Затем субстрат связывается с ферментом, образуя тройной комплекс:
В фосфотрансферазных реакциях ионы металлов, как полагают, активируют атомы фосфора и образуют жесткий полифосфат-адениновый комплекс в соответствующей конформации, который включается в состав активного четырехкомпонентного комплекса.
Комплексы с мостиковым металлом
Кристаллографические данные, а также анализ первичной структуры показывают, что в активных центрах многих белков в связывании металла участвует остаток гистидина (примерами служат карбоксипептидаза А, цитохром с, рубредоксин, метмиоглобин и метгемоглобин; см. гл. 6). Лимитирующей стадией образования бинарных (двухкомпонентных) комплексов Enz-М во многих случаях является вытеснение воды из координационной сферы иона металла. Активация многих пептидаз ионами металла является медленным процессом, длящимся несколько часов. Эта медленная реакция,
по всей вероятности, состоит в конформационной перестройке бинарного комплекса Enz—М, приводящей к формированию активной конформации. Этот процесс можно представить таким образом:
Перестройка с образованием активной конформации (Enz:
В случае металлоферментов образование тройного комплекса с мостиковым металлом должно происходить путем присоединения субстрата к бинарному комплексу:
Роль металлов в катализе
Ионы металлов могут участвовать в каждом из четырех известных типов механизмов, с помощью которых ферменты ускоряют химические реакции: 1) общий кислотно-основный катализ; 2) ковалентный катализ; 3) сближение реактантов; 4) индукция напряжения в ферменте или субстрате. Помимо ионов железа, которые функционируют в гемсодержащих белках, в ферментативном катализе чаще всего участвуют , хотя в работе некоторых ферментов важную роль играют и другие ионы (например, ).
Ионы металлов, как и протоны, являются льюисовыми кислотами (электрофилами) и могут образовывать со своими лигандами -связь за счет поделенной электронной пары. Ионы металлов можно рассматривать также как «сверхкислоты», поскольку они устойчивы в нейтральном растворе, часто несут положительный заряд (> 1) и способны к образованию -связей. Кроме того (в отличие от протонов), металлы могут служить трехмерной матрицей, ориентирующей основные группы фермента или субстрата.
Ионы металлов могут функционировать как акцепторы электронов с образованием или -связей, активируя электрофилы или нуклеофилы (общий кислотно-основный катализ). Металлы могут активировать нуклеофилы, отдавая электроны, или же сами действовать как нуклеофилы.
Таблица 9.1. Примеры, иллюстрирующие роль ионов металлов в механимс лсйсгвия ферментов
Координационная сфера металла может обеспечивать контактирование фермента и субстрата (сближение) либо путем образования хелатов переводить фермент или субстрат в напряженное состояние. Ион металла может маскировать нуклеофил, предотвращая побочные реакции. Наконец, возможен стереохимический контроль хода ферментативной реакции, который обеспечивается способностью координационной сферы металла играть роль трехмерной матрицы, удерживающей реагирующие группы в нужной пространственной ориентации (табл. 9.1).
ЛИТЕРАТУРА
Crane F. Hydroquinone dehydrogenases, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 439.
Fersht A. Enzyme Structure and Mechanism, 2nd ed., Freeman, 1985. [Имеется перевод 1-го издания: Фёршт Э. Структура и механизм действия ферментов.— М.: Мир, 1980.]
Kraut J. Serine proteases: Structure and mechanism of catalysis, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 331.
Mildvan A. S. Mechanism of enzyme action, Annu. Rev. Biochem., 1974, 43, 357.
Purich D.L. (ed.) Enzyme kinetics and mechanisms. Parts A and B. In: Methods in Enzymology, Vol. 63, 1979; Vol. 64, 1980, Academic Press.
Wimmer M.J., Rose I. A. Mechanisms of enzyme-catalyzed group transfer reactions, Annu. Rev. Biochem., 1978, 47, 1031.
Wood H.G., Barden R.E. Biotin enzymes, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 385.
3. Роль металлов в ферментативном
Не менее важную роль отводят ионам металлов в осуществлении ферментативного катализа.
Участие в электрофильном катализе
Наиболее часто эту функцию выполняют ионы металлов с переменной валентностью, имеющие свободную d-орбиталь и выступающие
в качестве электрофилов. Это, в первую очередь, такие металлы, как Zn2+, Fe2+, Mn2+, Cu2+. Ионы щёлочно-земельных металлов, такие как Na+ и К+, не обладают этим свойством. В качестве примера можно рассмотреть функционирование фермента карбоангидразы. Карбоангидраза - цинксодержащий фермент, катализирующий реакцию образования угольной кислоты:
Ион Zn2+ в результате электрофильной атаки участвует в образовании Н+ и ОН- ионов из молекулы воды:
Протон и гидроксйльная группа последовательно присоединяются к диоксиду углерода с образованием угольной кислоты (см. схему А).
В ходе электрофильного катализа ионы металлов часто участвуют в стабилизации промежуточных соединений.
Участие в окислительно-восстановительных реакциях
Ионы металлов с переменной валентностью могут также участвовать в переносе электронов. Например, в цитохромах (гемсодержащих белках) ион железа способен присоединять и отдавать один электрон:
Благодаря этому свойству цитохромы участвуют в окислительно-восстановительных реакциях.
Другой пример участия ионов металлов в окислительно-восстановительных реакциях - работа фермента дофамингидроксилазы, катализирующего реакцию образования норадреналина при участии витамина С (см. схему Б).
За окислительно-восстановительные свойства у дофамингидроксилазы отвечает ион меди (рис. 2-6).
Фермент, содержащий ион Сu2+, не вступает в реакцию с молекулой кислорода. При восстановлении Си2+ до Си+ с помощью аскорбиновой кислоты образуется ион меди, способный взаимодействовать с кислородом с образованием перекисного соединения. Далее гидроксильная группа переносится на молекулу дофамина с образованием норадреналина.
4. Роль металлов в регуляции активности
Иногда ионы металлов выступают в роли регуляторных молекул. Например, ионы Са2+ служат активаторами фермента протеинкиназы С,
катализирующего реакции фосфорилирования белков (см, раздел 5). Ионы Са2+ также изменяют активность ряда кальций-кальмодулинзависимых ферментов (см. подраздел V).
Б. Коферменты
Как уже было сказано, для проявления каталитической активности большинству ферментов необходимо наличие кофермента. Исключение составляют гидролитические ферменты (например, протеазы, липазы, рибонуклеаза), выполняющие свою функцию в отсутствие кофермента.
Кофермент, локализуясь в каталитическом участке активного центра, принимает непосредственное участие в химической реакции, выступая в качестве акцептора и донора химических группировок, атомов, электронов. Кофермент может быть связан с белковой частью молекулы ковалентными и нековалентными связями. В первом случае он называется простетической группой (например, FAD, FMN, биотин, липоевая кислота). Вместе с тем известны примеры, когда кофермент присоединяется к ферменту нековалентными связями настолько прочно, что не диссоциирует от белковой молекулы, например тиаминдифосфат.
Во втором случае кофермент взаимодействует с ферментом только на время химической реакции и может рассматриваться в качестве второго субстрата. Примеры - NAD+, NADP+.
Апофермент обеспечивает специфичность действия и отвечает за выбор типа химического превращения субстрата. Один и тот же кофермент, взаимодействуя с различными апоферментами, может участвовать в разных химических превращениях субстрата. Например, пиридоксальфосфат в зависимости от того, с каким апоферментом взаимодействует, участвует в реакциях трансаминирования или декарбоксилирования аминокислот.
Химическая природа коферментов, их функции в ферментативных реакциях чрезвычайно разнообразны. Традиционно к коферментам относят производные витаминов, хотя помимо них есть значительный класс небелковых соединений, принимающих участие в
проявлении каталитической функции ферментов.
К коферментам относят следующие соединения:
гемы, входящие в состав цитохромов, каталазы, пероксидазы, гуанилатциклазы, NO-синтазы и являющиеся простетической группой ферментов;
нуклеотиды - доноры и акцепторы остатка фосфорной кислоты;
убихинон, или кофермент Q, участвующий в переносе электронов и протонов в ЦПЭ;
фосфоаденозилфосфосульфат, участвующий в переносе сульфата;
S-аденозилметионин (SAM) - донор метильной группы;
глутатион, участвующий в окислительно-восстановительных реакциях.
Строение и функции этих коферментов подробно рассмотрены в соответствующих разделах учебника.
В. Мультисубстратные реакции
Большинство ферментов катализирует реакции, в которых участвует более чем один субстрат. В случае если кофермент не является простетической группой, его также можно рассматривать как ещё один субстрат. Следовательно, участников ферментативной реакции может быть несколько: непосредственно фермент, несколько субстратов и кофермент.
В этих случаях механизм ферментативной реакции, как правило, может идти по одному из двух путей: по механизму "пинг-понг" (механизму двойного замещения) или последовательному. Рассмотрим оба механизма.
Видео: Difference Between Metalloenzyme And Metal Activated Enzyme | Enzyme Part 3 (BioChemistry)
Содержание
В ключевое отличие между металлоферментами и металлоактивированными ферментами заключается в том, что Металлоферменты имеют прочно связанный ион металла в качестве кофактора, тогда как ионы металлов в ферментах, активируемых металлами, прочно не связаны.
Активность некоторых ферментов зависит от ионов металлов, поскольку эти ионы металлов действуют как кофакторы. Эти ферменты делятся на две основные категории: металлоферменты и ферменты, активируемые металлами. Следовательно, эти ферменты отличаются друг от друга в зависимости от наличия или отсутствия прочно связанных ионов металлов. Давайте обсудим более подробно эти ферменты.
1. Обзор и основные отличия
2. Что такое металлоферменты
3. Что такое ферменты, активированные металлами
4. Сравнение бок о бок - металлоферменты и металлоактивированные ферменты в табличной форме
5. Резюме
Что такое металлоферменты?
Металлоферменты - это ферменты, которые содержат прочно связанный ион металла. Этот ион металла образует координированные ковалентные связи с аминокислотами фермента или с простетической группой. Кроме того, он действует как кофермент и передает активность фермента. При рассмотрении местоположения иона металла в ферменте, он обычно находится в определенной области на поверхности фермента. Следовательно, ион не нарушает связывание субстрата с активным центром. Иногда ферментам для своей активности требуется более одного иона металла. В редких случаях им также требуются два разных иона металла. Наиболее распространенными металлами, участвующими в этом процессе, являются Fe, Zn, Cu и Mn. Металлоферменты, содержащие металлические центры, отличные от железа (негемовые центры), широко распространены в природе.
Примеры металлоферментов:
- Амилаза, термолизин связываются с Са 2+ ионы
- Диолдегидраза, глицериндегидратаза связываются с Co 2+
- Цитохром с оксидаза, дофамин-b-гидроксилаза содержит Cu 2+
- Каталаза, нитрогеназа, пероксидаза, сукцинатдегидрогеназа содержит Fe 2+
- Аргиназа, гистидин-аммиаклиаза, пируваткарбоксилаза содержит Mn 2+
Что такое ферменты, активированные металлами?
Ферменты, активируемые металлами, - это ферменты, которые обладают повышенной активностью из-за присутствия ионов металлов. В большинстве случаев эти ионы металлов являются одновалентными или двухвалентными. Однако эти ионы не связаны прочно с ферментом, как в металлоферментах. Металл может активировать субстрат, таким образом, напрямую взаимодействуя с активностью фермента. Этим ферментам требуется избыток ионов металлов. Пример: примерно в 2-10 раз выше, чем концентрация фермента. Это потому, что они не могут связываться с ионом металла постоянно. Однако эти ферменты теряют свою активность при его очистке.
Примеры метаактивированных ферментов:
- Пируваткиназа требует K +
- Фосфотрансфераз требует Mg 2+ или Mn 2+
В чем разница между металлоферментами и ферментами, активированными металлами?
Металлоферменты - это ферменты, которые содержат прочно связанный ион металла. В качестве уникальной характеристики они имеют прочно связанный ион металла в качестве кофактора. Более того, этим ферментам для их активности требуется один или два иона металла, связанные с определенной областью поверхности фермента. Ферменты, активируемые металлами, - это ферменты, которые обладают повышенной активностью из-за присутствия ионов металлов, которые не связаны прочно. Это ключевое различие между металлоферментами и ферментами, активируемыми металлами. То есть, в отличие от металлоферментов, металлоактивированные ферменты не имеют прочно связанного иона металла в качестве кофактора. Кроме того, эти ферменты требуют высокой концентрации ионов металлов вокруг себя.
Резюме - Металлоферменты против металлоактивированных ферментов
Фермент, активность которого зависит от наличия ионов металлов, бывает двух типов; это металлоферменты и металлоактивированные ферменты. Разница между металлоферментами и ферментами, активируемыми металлами, заключается в том, что металлоферменты имеют прочно связанный ион металла в качестве кофактора, тогда как ионы металлов в ферментах, активируемых металлом, не связаны прочно.
Читайте также: