Локалізація ферментів у клітині

5 Локалізація ферментів у клітині

В кожній рослинній клітині синтезуються білкові молекули, які діють як каталізатори. Сотні різних ферментів, які діють в кожній клітині, прискорюють численні ферментативні реакції, послідовність яких становить так звані метаболічні шляхи. Ферментативні реакції поділяють на реакції синтезу (анаболічні) та реакції розпаду (катаболічні). Ферменти характеризуються специфічністю, з’єднуючись із субстратом, вони утворюють короткоживучий фермент – субстратний комплекс, який по закінченні реакції розпадається на продукти реакції та фермент. Фермент в реакції не змінюється. Концентрації ферменту і субстрату при певних умовах значно впливають на швидкість ферментативної реакції. Концентрація ферменту помітно позначається на швидкості ферментативної реакції тоді, коли спостерігається значний надлишок субстрату. Як правило, згадану залежність на графіку можна показати прямою лінією. Лише в разі порушення нормального перебігу реакції (під впливом інгібіторів або активаторів, при затримці пересування молекул субстрату до молекул ферменту) спостерігається відхилення від загальної закономірності.

Ферменти резистентного дихання

Мітохондрії рослин відрізняються від мітохондрій тварин тим, що в них можуть функціонувати два різних шляхи перенесення електронів від субстрату типу НАД•Н та сукцинату до О2. Якщо один з цих шляхів пригнічується з допомогою KCN-ціанідів, що блокують цитохромоксидазу, то інший шлях не блокується ціанідом, а тому його називають ціанід резистентним ланцюгом перенесення електронів. Аналогічно сам окислювальний процес, що призводить до утворення такого термінального ланцюга, має назву ціанідрезистентного дихання, або дихання, стійкого до ціаніду. Слід підкреслити, що ці два ланцюги не зовсім незалежні. Справа в тому, що в обох випадках введення в ланцюг електронних пар здійснюється внутрішньою та зовнішньою НАДН-дегідрогеназою та сукцинатдегідрогеназою і далі вони передають на убіхінон. Тільки потім, після убіхінону, спостерігається розділення їхніх дальших шляхів. В нормальному ланцюгу електрони поступово переносяться через ФП, цитохроми b- і с- типу та цитохромоксидазу до О2, тоді як в ціанід резистентному ланцюгу електрони переносяться від убіхінону на ФП, а потім через ціанідрезистентну термінальну оксидазу теж на О2. Природу термінальної оксидази поки що не вивчено. Вважають, що це залізо сірчаний білок, що не є гемопротеїном. Фізіологічне значення ціанідрезистентного дихання не зрозуміле. Вважають, що воно відповідає за клімактерій у плодів, тобто посилення дихання в процесі перед дозріванням плодів. Є дані, що клімактерій індукується етиленом, тому вважають, що етилен стимулятор ціанідрезистентного дихання. Доведено, що у деяких проростків цей тип дихання функціонує на ранніх етапах (бубнявіння насіння).

Допоміжні ферменти

До ферментних систем, які беруть участь у диханні, слід віднести також карбоксилази. Вони каталізують відщеплення СО2 від різних органічних кислот, в результаті чого утворюються сполуки з укороченим вуглецевим ланцюгом. Наприклад, таким чином при декарбоксилуванні пірувату утворюється оцтовий альдегід і т.д. Слід також згадати ще одну групу ферментних систем, які не беруть безпосередньої участі в окисленні субстратів та перенесенні електронів, але беруть активну участь в підготовці субстратів дихання. Нагадаємо, що здатність ферментів дегідрогеназ здійснювати окислення поширюється лише на сполуки з невеликою, досить простої структури молекулою (органічні кислоти, спирти, цукри). Однак при диханні використовуються досить складні органічні сполуки типу поліцукрів, білків, жирів .Саме тому використанню їх передує перетворення їхньої структури з допомогою ферментів гідролітичного комплексу. Потім в дію вступають ферменти, діяльність яких направлена на активування молекул мономерів, шляхом утворення їхніх фосфорних ефірів. Дальше активування досягається перетворенням хімічної структури молекули за допомогою ізомераз. Слід назвати також групу трансфераз, які каталізують відщеплення та перенесення окремих фрагментів вуглецевого ланцюга (трансальдолази та транскетолази).

Ізоферменти

Ізоферменти – це ферменти з однаковою каталітичною активністю, але з різною структурою. Зазвичай вони складаються з певних субодиниць. Різноманітне поєднання субодиниць дає ферменти, які мають одну й ту саму активність, але при цьому можуть розділятися на різні фракції за допомогою сучасних методів хімії білка. Основна роль ізоферментів – це регуляцію метаболічних процесів в клітині. Різні ізоферменти знаходяться в різних органелах рослинної клітини. Чим пояснити такий розподіл, до кінця ще не зрозуміло.

 

6 Створення нових ферментів

 

Команді учених із США і Ізраїлю вдалося створити ферменти, що прискорюють реакцію, для якої в природі не існує природного каталізатора. Щоб досягти максимальної ефективності нового ферменту, дослідники імітували in vitro процес його "еволюції". Робота опублікована в одному з найавторитетніших наукових журналів - Nature.

У своїй роботі учені задалися метою створити фермент, який каталізував би реакцію відщеплення протона, пов'язаного з вуглецем. У природі відповідного фермента не існує. На першій стадії експерименту дослідники визначили структуру активного центру майбутнього фермента. Потім вони визначили, якою повинна бути повна послідовність амінокислот, щоб вони змогли "згорнутися" і утворити активний центр заданої структури. За допомогою нової методики професор Девід Бейкер з Університету Вашигтона в Сієтлі проаналізував десятки тисяч можливих варіантів і виділив близько 60 "кандидатів". Учені синтезували їх і перевірили на наявність біологічної активності. Цей тест пройшли вісім "претендентів", їх яких дослідники відібрали три найбільш перспективні варіанти. Фахівці з відділу структурної біології Інституту Вайсмана визначили тривимірну структуру одного з трьох ферментів. Вона виявилася практично ідентична структурі, передбаченій за допомогою комп'ютерного аналізу. Проте ефективність цих ферментів була істотно нижча, ніж у їх природних "родичів", яких природа відбирала мільйони років.

Дослідники з Ізраїлю змоделювали еволюцію ферменту in vitro. Вони випадковим чином вносили в послідовності ферментів зміни, після чого аналізували активність одержаних мутантів. Після семи циклів внесення мутацій активність ферменту збільшилася в 200 разів в порівнянні з початковим варіантом, розробленим на основі комп'ютерної моделі. Швидкість реакції у присутності нового фермента зростала на шість порядків. Внесені мутації трохи змінювали структуру активного центру ферментів, що оптимізувало протікання безпосередньо реакції відщеплення, або змінювали гнучкість всього ланцюга, що сприяло прискоренню звільнення продукту реакції. Розроблений ученими алгоритм дозволяє створювати ферменти, що каталізують необхідні реакції, і збільшувати їх активність до рівня природних аналогів. Крім того, отримані результати допоможуть краще зрозуміти принципи роботи ферментів.

Висновки

Дослідження ферментів почалось у 19 столітті. Пізніше було введено термін «ензим» вченим В.Кюне. Ферменти за хімічною природою є білками. Ферменти є каталізаторами усіх хімічних реакцій в рослинній клітині. Ферменти широко використовуються і в народному господарстві — харчовій, текстильній промисловості, у фармакології. Одна з найбільш характерних властивостей ферментів – це їх специфічність, в міру якої кожен фермент діє тільки на одну речовину або дуже невелику кількість споріднених речовин. Специфічність дії ферментів – найважливіше біологічне явище, без якого неможливий впорядкований обмін у живій природі, відповідно і саме життя.

Сьогодні наука стрімко розвивається. Вчені виявляють нові ферменти, які досі були невідомі. Для того, щоб не розгубитися у великій кількості назв ферментів, потрібно знати принципи їх класифікації. У рефераті подано сучасну систему класифікації ферментів. Усі ферменти поділяють на шість головних класів.

Рослинна клітина багата на ферменти. Вони локалізовані в органелах рослинної клітини і каталізують життєво важливі процеси. Проте вчені пішли далі і створили штучні ферменти, які каталізують реакції, для яких в природі не існує каталізаторів.
Список літератури 1.    Гудвин Т., Мерсер Э. Введение в биохимию растений, т.1. – М.: Мир, 1986. – С. 387 2.    Диксон М., Уэбб Э. Ферменты, т.1. – М.: Мир, 1982. – С. 331-333, 292-294 3.    Мосс Ф. Ферменты. – М.: Мир, 1970. – С. 10-13, 57-62. 4.    Мусієнко М.М. Фізіологія рослин. – К.: Вища школа, 1995. – С. 33-34, 186-187 5.    http://sciencereview.org 6.    http://uk.wikipedia.org