Участие ферментов в почвенных биохимических процессах

Размещено на http://www.allbest.ru

Участие ферментов в почвенных биохимических процессах

Оксидредуктазы

К классу оксидоредуктаз относятся катализирующие окислительно-восстановительные реакции.

В подавляющем большинстве биологических окислений происходит не присоединение кислорода к окисляющейся молекуле, а отщепление водорода от окисляемых субстратов. Этот процесс получил название дегидрирования и катализируется ферментами дегидрогеназами.

Различают аэробные дегидрогеназы, или оксидазы, и анаэробные дегидрогеназы, или редуктазы. Оксидазы переносят атомы водорода или электроны от окисляемого вещества на кислород воздуха. Анаэробные дегидрогеназы передают атомы водорода и электроны другим акцепторам, ферментам или переносчикам водорода, без передачи их на кислородные атомы. Окислению подвергаются многочисленные органические соединения, попадающие в почву с растениями и животными: белки, жиры, углеводы, клетчатка, органические кислоты, аминокислоты, пурины, фенолы, хиноны, специфические органические вещества типа гуминовых и фульвокислот и др.

В окислительно-восстановительных процессах в клетках животных, растений, микроорганизмов участвуют, как правило, анаэробные дегидрогеназы, которые передают отщепляемый от субстрата водород промежуточным переносчикам. В почвенной среде участвуют в окислительно-восстановительных процессах в основном аэробные дегидрогеназы, с помощью которых водород субстрата переносится непосредственно на кислород воздуха, т.е. акцептором водорода является кислород. Простейшая окислительно-восстановительная система в почвах состоит из окисляемого субстрата, оксидаз и кислорода.

Ядовитая для растений и микроорганизмов перекись водорода расщепляется с помощью каталазы.

Особенность оксидоредуктаз состоит в том, что, несмотря на ограниченный набор активных групп (коферментов), они способны ускорять большое число самых разнообразных окислительно- восстановительных реакций. Это достигается за счет способности одного кофермента соединяться со многими апоферментами и образовывать каждый раз оксидоредуктазу, специфичную по отношению к тому или иному субстрату.

Другой важной особенностью оксидоредуктаз является то, что они ускоряют химические реакции, связанные с высвобождением энергии, которая необходима для синтетических процессов. Окислительно-восстановительные процессы в почве катализируются как аэробными, так и анаэробными дегидрогеназами. По химической природе это двукомпонентные ферменты, состоящие из белка и активной группы, или коферменты. В качестве активной группы могут выступать НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид), НАДФ+ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), ФМН (флавинмононуклеотид), ФАД (флавинадениндинуклеотид), цитохромы.

Обнаружено около пятисот различных оксидоредуктаз. Однако наиболее распространнеными оксидоредуктазами являются такие, которые содержат в качестве активной группы НАД+.

Соединяясь с белком и образуя двукомпонентный фермент (пиридинпротеин), НАД+ усиливает свою способность восстанавливаться. В результате пиридинпротеины становятся способны отнимать от субстратов, в качестве которых могут быть углеводы, дикарбоновые и кетокислоты, аминокислоты, амины, спирты, альдегиды, специфические почвенные органические соединения (гуминовые и фульвокислоты) и др., атомы водорода в виде протонов (Н+). В результате активная группа фермента (Н АД+) восстанавливается, а субстрат переходит в окисленное состояние.

Механизм связывания двух атомов водорода, т.е. двух протонов и двух электронов, состоит в следующем. Активный группой дегидрогеназ, которая принимает протоны и электроны, является пиридиновое кольцо. При восстановлении НАД+ к одному из углеродных атомов пиридинового кольца присоединяются один протон и один электрон, т.е. один атом водорода. Второй электрон присоединяется к положительно заряженному атому азота, а оставшийся протон переходит в окружающую среду.

Все пиридинпротеины являются анаэробными дегидрогеназами. Они не передают снятые с субстрата атомы водорода на кислород, а посылают их на другой фермент.

Кроме НАД+ пиридинферменты могут содержать в качестве кофермента никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ+). Этот кофермент является производным НАД*, у которого водород ОН" группы второго углеродного атома рибозы аденозина замещен на остаток фосфорной кислоты. Механизм окисления субстратов при участии НАДФ* в качестве кофермента аналогичен НАД*.

После присоединения водорода НАДН и НАДФН обладают значительным восстановительным потенциалом. Они могут передавать свой водород другим соединениям и восстанавливать их, а сами превращаются при этом в окисленную форму. Однако водород, присоединенный к анаэробной дегидрогеназе, не может передаваться на кислород воздуха, а только преносчикам водорода. Такими промежуточными переносчиками являются флавиновые ферменты (флавопротеины). Они представляют собой двухкомпонентные ферменты, в качестве активной группы в которых может находиться фосфорилированный витамин В2 (рибофлавин). Каждая молекула такого фермента имеет молекулу рибофлавинфосфата (или флавинмононуклеотида, ФМН). Таким образом, ФМН представляет собой соединение азотистого основания диметилизоаллоксазина с остатками пятиуглеродного спирта рибита и фосфорной кислоты. ФМН способен принимать и отдавать два атома водрода (Н) по атомам азота (N) изоаллоксазинового кольца.

Как видно, ФАД представляет собой соединение диметилизоаллоксазина, рибита, двух остатков фосфорной кислоты, рибозы и аденина. Флавиновые ферменты присоединяют два атома водорода к двум атомам азота в изоаллоксазиновой группировке с соответствующей перегруппировкой двойной связи.

Анаэробные дегидрогеназы, имеющие в качестве активной группы ФАД, получили название флавиновые дегидрогеназы. Они катализируют отщепление от субстратов двух атомов водорода. ФМН и ФАД, соединяясь с различными апоферментами, образуют около тридцати флавопротеинов, которые отличаются различной специфичностью к субстратам. Основная функция флавопротеинов - перенос электронов (атомов Н) от восстановленых пиридинпротеинов к другим соединениям. Однако некоторые флавиновые дегидрогеназы могут непосредственно снимать атом водорода с субстрата.

В дыхательной цепи между флавиновыми ферментами и цитох- ромной системой находится еще одна группа промежуточных переносчиков атома водорода. Эти соединения представляют собой производные бензохинона. Такие переносчики протонов и электронов, т. е. атомов водорода были названы коферментом Q (Ко Q) или убихинонами. Соединяясь с белком, убихиноны (Ко Q) образуют убихинонпротеины, являющиеся важной составной частью оксидоредуктаз. При их участии осуществляется перенос атомов водорода и электронов. Убихиноны. являясь производными бенэохинона. обладаю! боковой цепью, составленной из изопреноидных остатков (от 6 до 10). Они принимают участие в окислительно-восстановительных процессах, осуществляя передачу атомов водорода.

Окисление атомов водорода, снятых с субстрата, может происходить при посредстве цитохромной системы. Цитохромную цепь образуют несколько оксидоредуктаз, имеющих в качестве простетичсских групп жслезопорфирины. Соединяясь с белками, железопорфирины образуют цитохромы. Каждый индивидуальным цитохром обозначают строчной буквой латинского алфавита и порядковым индексом, например av а2, а3, br и г. д., а класс цитохрома прописной латинской буквой А, В, С или D. Принадлежность цитохрома к конкретному классу определяется строением простетической группы (железопорфирина), а окончательная индивидуальность - строением апофермента (белка).

Видовая специфичность цитохромов связана с небольшими различиями в чередовании аминокислот в белке. Цитохромы b1,b2,b3 и т. д., содержащие одну и ту же простетическую группу, отличаются друг от друга первичной структурой апофермента. Характер изменений в ядре порфирина, а также тип связей между белками и железоиорфирином различают цитохромы между собой. Кроме того, цитохромы резко различаются по молекулярным массам белков, входящих в состав их молекул. Так, молекулярная масса белка цитохрома с составляет 13 тыс., цитохрома b-30 тыс., цитохрома с, 37 тыс.

Замечательным свойством молекул цитохромов является способность их реагировать друг с другом. Благодаря этому цитохромы образуют цитохромную систему, которая иредегавляет собой упорядоченное сочетание различных цитохромов и фермент цитохромоксидазу. Все цитохромы служат переносчиками электронов и участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Эта способность к переносу электронов обусловлена тем, что железо про- стетической группы цитохромов при присоединении электрона может обратимо менять свою валентность.

Все цитохромы в простетической группе имеют четыре пирольных кольца с боковыми цепями. В центре находится атом железа. Связь с белковой частью молекулы у цитохрома, например, осуществляется через атомы серы. Строение боковых цепей железоиорфиринов, тип связей с белковой частью молекулы и структура последней могут различаться у различных цитохромов.

Трансферазы

Трансферазы называют ферментами переноса. Они катализируют перенос отдельных радикалов, частей молекул и целых молекул с одних соединений на другие. Реакции переноса обычно идут в две фазы. На первой фазе фермент отщепляет атомную группировку от участвующего в реакции вещества и образует с нею комплексное соединение. На второй фазе фермент катализирует присоединение группировки к другому веществу, участвующему в реакции, а сам освобождается в неизменном состоянии. Класс трансфераз насчитывает около 500 индивидуальных ферментов. В зависимости от того, какие группировки или радикалы переносят трансферазы, различают фосфотрансферазы, аминотрансферазы, гликозилтрансферазы, ацилтрансферазы, метилтрансферазы и др.

Фосфотрансферазы (киназы) - ферменты, катализирующие перенос остатков фосфорной кислоты (Н2Р03). Донором фосфатных остатков, как правило, является АТФ. Перенос фосфатных групп производится на спиртовые, карбоксильные, азотсодержащие, фосфорсодержащие и другие группы органических соединений. К фосфотрансферазам относится повсеместно распространенная гексокиназа - фермент, ускоряющий перенос остатка фосфорной кислоты от молекулы АТФ к глюкозе. С этой реакции начинается превращение глюкозы в другие соединения.

Преобразование других моносахаров также начинается с их фосфорилирования при участии фосфотрансфераз.

Фосфотрансферазы, обеспечивающие перенос остатка фосфорной кислоты с АТФ на белки, называется протеинкиназы. В результате этой реакции резко изменяется биологическая активность белков, что связано с усилением интенсивности химических процессов. Активность фосфотрансфераз зависит от присутствия ионов Mg2+. Магний связывается с АТФ, образуя комплекс MgA'1Ф2*, который и принимает участие в реакциях.

Реакции, катализируемые фосфотрансферазами, в основном необратимы, так как происходит частичная потеря энергии макро- эргических связей. В случае обратимых реакций энергия АТФ не теряется, а переносится без потерь на другие соединения, которые становятся макроэргическими:

Биосинтез аминокислот ускоряется аминотрансфсразами в реакциях переаминирования. Аминотрансферазы - двухкомпонентные ферменты, простетической группой которых является фосфорилированное производное витамина В6-пиридоксальфосфаг, ковалентно присоединенный к апоферменту через альдегидную группу и ионной связью - через остаток фосфорной кислоты.

Механизм реакций переаминирования с участием аминотрансфераз включает несколько стадий и состоит в следующем.

На первой стадии аминокислота, подвергающаяся переаминиронанию, взаимодействует по аминогруппе с альдегидной группой пнридоксальфермента с образованием фермент-субстратного комплекса.

На второй стадии происходит преобразование фермент-субстратного комплекса, выражающееся в таутамерной перегруппировке.

На третьей стадии происходит тдролиз преобразованною фермент-субстратного комплекса на основе аспарагиновой кислоты, в результате чего освобождаются кетокислота и фермент в виде пиридоксаминофермента.

На четвертой стадии между иридокеаминофсрментом и другой кетокислотой снова возникает фермент-субстратный комплекс.

На пятой стадии фермент-субстратный комплекс снова подвергается преобразованию за счет таутомерного превращения.

На шестой стадии преобразованный фермент-субстратный комплекс на основе а-кетоглутаровой кислоты гидролизуется, в результате чего возникает новая аминокислота.

Таким образом, попеременное образование фермент-субстратных комплексов приводит к переходу аспарагиновой кислоты в щавелевоуксусную, а акстоглутаровой - в глутаминовую.

Гликозилтрансферазы ускоряют реакции переноса гликозильных остатков к молекулам моносахаридов, полисахаридов или других веществ. Это ферменты, обеспечивающие реакции синтеза новых молекул углеводов, коферментами гликозилтрансфераз являются нуклеозиддифосфатсахара (НДФ-сахара). С них в процессе синтеза олигосахаридов гликозильный остаток переносится на моносахарид. В настоящее время известно около пятидесяти НДФ- сахаров. Они широко распространены в природе, синтезируются из фосфорных эфиров моносахаридов и соответствующих нуклеозидтрифосфатов.

Ацилтрансферазы переносят остатки уксусной кислоты СН3СО", а также остатки других жирных кислот на аминокислоты, амины, спирты и другие соединения. Это двухкомпонентные ферменты, в состав которых входит кофермент А. Источником ацильных групп является ацилкоэнзим А, который можно рассматривать как активную группу ацилтрансфераз. При переносе остатков уксусной кислоты в реакции участвует ацетил кофермент А.

Гидролазы

К классу гидролаз относятся ферменты, катализирующие гидролиз, а иногда и синтез сложных органических соединений с участием воды.

Подкласс эстераз включает ферменты, ускоряющие реакции гидролиза сложных эфиров, спиртов с органическими и неорганическими кислотами.

Важнейшими подподклассами эстераз являются гидролазы эфиров карбоновых кислот и фосфатазы. Реакции гидролиза жиров (триглицеридов), в результате которых освобождаются глицирин и высшие жирные кислоты, ускоряются гидролазой эфиров глицерина липазой. Различают простые липазы, которые катализируют освобождение высших жирных кислот из свободных триглицеридов, и липопротеинлипазы, осуществляющие гидролиз связанных с белками липидов. Липазы однокомпонентные белки с молекулярным весом от 48 тыс. до 60 тыс.. Хорошо изучена липаза дрожжей. Ее полипептидная цепь состоит из 430 аминокислотных остатков и сложена в глобулу, в центре которой находится активный центр фермента. Ведущую роль в активном центре липазы играют радикалы гистидина, серина, дикарбоновых кислот и изолейцина.

Активность липаз регулируется путем их фосфорилирования- дефосфорилирования. Активные липазы фосфорилированы, не активные дефосфорилированы.

Фосфатазы катализируют гидролиз фосфорных эфиров. Широ- ;о распространены фосфатазы, действующие на сложные эфиры фосфорной кислоты и углеводов. К таким соединениям относятся, например, глюкозо-6-фосфат, глюкозо|1-фосфатаза, фруктозо-1,6-ди- фосфат и др. Соответствующие ферменты нося г названия глюкозо-6-фосфатаза, глюкозо-1-фосфатаза, гексозодмфосфатаза и т. д. Они катализируют отщепление остатка фосфорной кислоты от фосфорных эфиров:

Фосфатазы фосфодиэфиров - дезоксирибонуклеаза и рибонуклеаза катализируют расщепление ДНК и РНК до свободных нуклеотидиов.

К подклассу гидролаз относятся гликозидазы ускоряющие реакции гидролиза гликозидов. Кроме гл и коз идо в, содержащих в качестве агликонов остатки одноатомных спиртов, субстратами, на которые действуют гликозидазы, являются олиго- и полисахариды. Из действующих на олигосахариды гликозидаз важнейшими являются мальтоза и сахароза. Они осуществляют гидролиз мальтозы и сахарозы.

Из гликозидаз, действующих на полисахариды, наибольшее значение имеют амилазы. Характерная особенность амилаз - отсутствие абсолютной специфичности действия. Все амилазы - ме- таллопротеины, содержат Zn2+ и Са2+. Активные центры амилаз образованы радикалами гистидина, аспарагиновой и глутаминовой кислот, а также тирозина. Последний выполняет функцию связывания субстрата, а первые три - каталитическую. Амилазы ускоряют реакции гидролиза гликозильных связей в молекуле крахмала с образованием глюкозы, мальтозы или олигосахаридов.

Немаловажное значение имеет целлюлаза, катализирующая расщепление целлюлозы, инулаза, расщепляющая полисахарид инулин, аглюкозидаза, превращающая дисахарид мальтозу в две молекулы глюкозы. Некоторые гликозидазы могут катализировать реакции переноса гликозильных остатков, в этом случае их называют трансгликозидазами.

Протеазы (пептидгидролазы) катализируют гидролитическое расщепление пептидных CO-NH-связей в белках или пептидах с образованием пептидов меньшей молекулярной массы или свободных аминокислот. Среди пептидгидролаз различают эндопептидазы (протеиназы), катализирующие гидролиз внутренних связей в белковой молекуле, и экзопептидазы (пептидазы), обеспечивающие отщепление от пептидной цепи свободных аминокислот. Субстратами ирогеиназ и иеитидаз являются белки и пептиды.

Протеиназы делят на четыре подкласса.

1. Сериновые протеиназы, в состав активнового центра этих ферментов входит остаток серина. Последовательность аминокислотных остатков на участке полипептидной цепи у сериновых протеиназ одинакова: аспарагиновая кислота-серии-глицин. Гидроксильная группа серина характеризуется высокой процессах. Второй активной функциональной группой является имидазол остатка гистидина, активизирующий гидроксил сери- на в результате образования водородной связи.

Тиоловые (цистеиновые) протеиназы, имеют в активном центре остаток цистеина, энзиматической активностью обладают сульфгидрильные группы и ионизированная карбоксильная группа.

Кислые (карбоксильные) протеиназы, оптимум рН < 5, содержат радикалы дикарбоновых кислот в активном центре.

Металлпротеиназы, каталитическое действие их обусловлено присутствием в активном центре Mg2+, Mn2+, Со2+, Zn2+, Fe2+. Прочность связи металла с белковой частью фермента может быть различной. Входящие в состав активного центра ионы металлов принимают участие в образовании фермент-субстратных комплексов и облегчают активацию субстратов.

Важной особенностью протеиназ является селективный характер их действия на пептидные связи в белковой молекуле. В результате индивидуальный белок под воздействием определенной протеиназы расщепляется всегда на строго ограниченное число пептидов.

Пептидгидролазы, отщепляющие аминокислоты от пептида, начиная с аминокислоты, обладающей свободной МН2-группой, называются аминопептидазами, имеющие свободную СООН группу - карбоксипептидазами. Завершают гидролиз белка дипептида- зы, расщепляя дипептиды на аминокислоты.

Амидазы действуют на C-N-O-связи. Они катализируют гидролитическое дезаминирование аминов. К этой группе ферментов относится уреаза, которая осуществляет гидролитическое расщепление мочевины. окислительный фермент оксидоредуктаза фосфотрансфераза

Уреаза однокомпонентный фермент (М = 480 тыс.). Молекула представляет собой глобулу и состоит из восьми равных субъединиц. Обладает абсолютной субстратной специфичностью, действует только на мочевину.

Размещено на Allbest.ru