Комплексный характер медьсодержащих и цинкосодержащих ферментов и химизм их дейтсвия в метаболических реакциях

Введение
1. Понятие о ферментах
Строение ферментов
2. Микроэлемент медь и его ферменты
Цитохромоксидаза
Супероксиддисмутаза
3. Микроэлемент цинк и его ферменты
Карбоангидраза
Карбоксипептидазы
Лактатдегидрогеназа
Выводы
Используемая литература:

Комплексный характер медьсодержащих и цинкосодержащих ферментов и химизм их дейтсвия в метаболических реакциях

От неорганических катализаторов ферменты отличаются рядом характерных особенностей. Прежде всего, ферменты чрезвычайно эффективны и проявляют в миллионы и миллиарды раз более высокую каталитическую активность в условиях умеренной температуры (температура тела), нормального давления и в области к нейтральным значениям рН среды.
Ферменты отличаются высокой специфичностью действия в отношении, как химической природы субстрата, так и типа реакции, т.е. каждый фермент, катализирует в основном только определенную химическую реакцию. Для каждого фермента характерны специфическая последовательность расположения аминокислотных остатков и пространственная конформация. Существенной особенностью ферментов является и то, что их активность в клетках строго контролируется как на генетическом уровне, так и посредством определенных низкомолекулярных соединений, в частности субстратов и продуктов реакций, катализируемых этими же ферментами, ингибиторов и др. таким образом, молекула фермента характеризуется уникальностью структуры, которая и определяет уникальность ее функции.2
Строение ферментов
Все известные ферменты являются глобулярными белками, имеющими в своей вторичной структуре различные виды организации (α – спирали, ß – складки, статистические клубки). Некоторые ферменты имеют четвертичную структуру, т.е. являются олигомерами, состоящими из гетерогенных субъединиц.
Для большинства ферментов характерна пространственная упаковка глобулы с максимальным количеством полярных аминокислот на поверхности, поскольку они работают в водных средах. Исключением из правила являются мембранные ферменты – интегральные белки, имеющие гидрофобный домен на поверхности. Благодаря наличию большого числа ионогенных групп на поверхности, ферменты быстро реагируют на изменения рН среды: изменение заряда приводит к конфармационному изменению, обеспечивающему стабильность глобулы в новых условиях.
Все ферменты имеют в своей структуре активный центр – щелевидную впадину на поверхности глобулы, которая способна взаимодействовать с субстратом: узнавать его, связывать, понижая энергию активации, и трансформировать в продукт реакции. Нередко в состав активного центра, помимо остатков аминокислот, включается ион металл (кофактор), производное витамина (кофермент) или ковалентно связанный небелковый комплекс (простетическая группа). В активном центре любого фермента можно выделить связывающий участок и каталитически активные группы. Аминокислотный состав связывающего участка в разных ферментах зависит от типа субстрата: это могут быть гидрофобные «выступы»; цистеиновые сульфгидрильные группы; комплексы гистидина с ионами металла и т.д. Каталитически активные группы чаще всего принадлежат аминокислотам с химически активной боковой цепью: цистеину (SH-группа); серину и треонину (ОН-группа); аспартату и глутамату (-СОО); аргинину и его гуанидиниевой группой; гистидину и лизину с их выраженнм положительным зарядом.
Некоторые ферменты помимо активного центра имеют еще один центр, в котором связываются вещества-регуляторы. Этот центр называют регуляторным, а ферменты, имеющие кроме активного еще и регуляторный центр, называют аллостерическими.3
2. Микроэлемент медь и его ферменты
Медь – необходимый микроэлемент живых организмов. Это биогенный элемент, содержится в тканях организма. Медь необходима в первую очередь для правильного развития соединительной ткани и кровеносных сосудов. Суточная потребность 1-2 (до 5) мг.4
Общая масса меди в организме взрослого человека примерно 100 мг, что составляет около 0,0001%. Примерно 30% этого количества содержится в мышцах. Печень и мозг также богаты медью. Наиболее важными с физиологической точки зрения являются медьсодержащие белки – цитохромоксидаза и суперокисддисмутаза. 5
Цитохромоксидаза, цитохром а, a3, фермент класса оксидоредуктаз, конечный компонент цепи дыхательных ферментов, переносящий электроны от цитохрома на молекулярный кислород. Цитохромоксидаза открыта в 1926 немецким учёным О. Варбургом (т. н. «дыхательный фермент Варбурга»). В растительных и животных клетках локализована во внутренней мембране митохондрий. Обеспечивает клеточное дыхание, восстанавливая кислород до воды на конечном участке дыхательной цепи.6
По химической природе Цитохромоксидаза — сложный белок, в состав молекулы которого входят семь белковых субъединиц и четыре связанных с ними активных центров: двух молекул гемма, связывающих ионы железа, и двух ионов меди, непосредственно связанных с белковыми субъединицами, а также 20—30% липидного компонента. При отделении меди Цитохромоксидаза теряет активность. Молекулярная масса Цитохромоксидаза (по разным данным) от 50 000 до 240 000. Ингибиторами
Оба гема представлены гемом а, но только часть гема а окисляется кислородом и обозначается a3.
Такая структура цитохромоксидазы обеспечивает передачу четырех электронов из дыхательной цепи и осуществление реакции
Цитохромоксидаза
О2 + 4Н+ + 4ē —————— 2Н2О
При неполном восстановлении кислорода в дыхательной цепи образуется супероксид-анион радикал:

О2 + ē → О2-
Супероксид-анион обладает еще более высокой окислительной способностью, чем водопероксид Н2О2. Взаимодействие О2- с органическими соединениями клетки приводит к образованию радикалов и нарушению нормального развития клетки.
Повреждающее действие супероксид-аниона предотвращается медьсодержащим ферментом супероксиддисмутазой (СОД), этот фермент катализирует реакцию
сод
О2- + О2- + 2Н+ → Н2О2 + О2
Образующийся при этом водопероксид разлагается каталазой. В результате совместного действия содержание радикалов в клетке поддерживается на безопасном уровне.7

Супероксиддисмутаза
Фермент супероксиддисмутаза (СОД) относится к группе антиоксидантных ферментов. Вместе с каталазой и другими антиоксидантными ферментами она защищает организм человека от постоянно образующихся высокотоксичных кислородных радикалов. Данный фермент катализирует дисмутацию супероксида в кислород и пероксид водорода. Таким образом, она играет важнейшую роль в антиоксидантной защите практически всех клеток, так или иначе находящихся в контакте с кислородом. Одним из редких исключений является молочнокислая бактерия Lactobacillus plantarum и родственные ей молочнокислые бактерии, использующие иной механизм защиты от образующегося супероксида.
Реакцию дисмутации супероксида, катализируемую супероксиддисмутазой, можно разбить на две части (парциальные реакции) следующим образом:
M(n+1)+ − СОД + O2− → Mn+ − СОД + O2
Mn+ − СОД + O2− + 2H+ → M(n+1)+ − СОД + H2O2.
где M (переходный металл) = Cu (n=1); Mn (n=2); Fe (n=2); Ni (n=2).
В данной реакции окислительное состояние катиона металла осцилирует между n и n+1.
Существует несколько форм супероксиддисмутазы в зависимости от типа переходного металла-кофактора активного центра фермента: Cu, Zn-СОД (медь как кофактор активного центра и цинк как кофактор, стабилизирующий конформацию).
В организме человека существует три типа СОД. СОД1 находится в цитоплазме, СОД2 — в митохондрии, а СОД3 — это внеклеточная (экстраклеточная) форма. Первая форма — димерная, тогда как вторая и третья формы — тетрамерные (состоящие из 4 равных субъединиц). СОД1 и СОД3 содержат медь и цинк, а СОД2 содержит марганец в активном центре. Цитозольная СОД1 является небольшим белком с молекулярной массой 32,5 кДа, молекулярная масса митохондриальной СОД2 — около 86-88 кДа. Экстраклеточная СОД3 представляет собой самую крупную супероксиддисмутазу, молекулярная масса — 135 кДа. Субъединицы белка СОД1 связаны друг с другом в первую очередь гидрофобными и электростатическими связями. Медь и цинк связаны с белковой частью молекулы через гистидиновые остатки.8
Супероксид является одним из основных прооксидантов в клетке, поэтому СОД играет одну из ключевых ролей в антиоксидантной защите организма. Роль этого фермента была показана экспериментально: мыши, у которых отсутствует митохондриальная СОД, выживают лишь несколько дней после рождения, т.к. у них развивается сильный оксидативный стресс.9
3. Микроэлемент цинк и его ферменты
Цинк – необходимый элемент организма. В организме взрослого человека больше всего цинка в мышцах (65%) и костях (20%). Остальное количество приходится на плазму крови, печень, эритроциты. Наибольшая концентрация цинка в предстательной железе. 10
Цинк не проявляет переменной валентности. Видимо поэтому его биокомплексы принимают участие во многих биохимических реакциях гидролиза, идущих без переноса электронов. Ион цинка входит в состав более 40 металлоферментов, катализирующих гидролиз эфиров и белков.
Одним из наиболее изученных является бионеорганический комплекс цинка - фермент карбоангидраза.11
Карбоангидраза (синоним: карбонатдегидратаза, карбонатгидролиаза) — фермент, катализирующий обратимую реакцию гидратации диоксида углерода. Содержится в эритроцитах, клетках слизистой оболочки желудка, коре надпочечников, почках, в незначительных количествах — в ЦНС, поджелудочной железе и других органах. Фермент состоит примерно из 260 аминокислотных остатков. Роль карбоангидразы в организме связана с поддержанием кислотно-щелочного равновесия, транспортом СО2, образованием соляной кислоты слизистой оболочкой желудка.12
Белковый лиганд, связанный с Zn2+, представляет активный центр фермента. Цинка в ферменте всего 0,22%. Тем не менее, наличие цинка – необходимое условие каталитической активности карбоангидразы, которая обеспечивает гидратацию СО2:
КА
СО2 + Н2О → НСО3- + Н+
Протекание этой реакции обусловливает нормальное дыхание. В отсутствие карбоангидразы нормальный газообмен был бы затруднен, так как гидратация СО2 замедлилась бы в 10000000 (107) раз.
Координационное число Zn2+ в карбоангидразе равно 4. Три связки заняты аминокислотными остатками (His – гистидил), а четвертая связывает гидроксил – ион ОН - или молекулу воды.
Единого мнения о действии карбоангидразы нет. Одни исследователи считают, что цинк координирует молекулу воды, гидратирующую СО2. другие полагают, механизм «цинк – гидроксид», что цинк координирует гидроксильную группу при гидратации СО2: