Строение и механизм действия ферментов. Ферменты

Механизм действия простого и сложного ферментов одинаков, так как активные центры в их молекулах выполняют сходные функции.

В основе действия ферментов лежит их способность ускорять реакции за счет уменьшения энергии активации субстрата. Ферменты деформируют электоронные оболочки субстратов, облегчая таким образом взаимодействие между ними. Энергитя, необходимая для того, чтобы привести молекулы в активное состояние, называется энергией активации. Роль обычного катализатора (и еще в большей мере биологического) состоит в том, что он снижает энергию активации субстрата.

Основы механизма действия ферментов были изучены в начале XX в. В 1902 г. английский химик А.Браун высказал предположение о том, что фермент, воздействуя на субстрат, должен образовать с ним промежуточный фермент - субстратный комплекс. Одновременно и независимо от А. Брауна это же предположение высказал французский ученый В. Анри. В 1913 г. Л. Михэлис и М. Ментэн подтвердили и развили представления о механизме действия ферментов, который можно представить в виде схемы:

Е + S " " [Е-Р]  Е + Р,

где Е - фермент, S - субстрат, Р - продукт.

На первой стадии ферментативного катализа происходит образование фермент-субстратного комплекса, где фермент и субстрат могут быть связаны ионной, ковалентной или иной связью. Образование комплекса E-S происходит практически мгновенно.

На второй стадии субстрат под воздействием связанного с ним фермента видоизменяется и становится более доступным для соответствующей химической реакции. Эта стадия определяет скорость всего процесса. На этих стадиях ферментативного катализа происходят неоднократные изменения третичной структуры белка фермента, приводящие к последовательному сближениюс субстратом и ориентации в пространстве тех активных групп, которые взаимодействуют друг с другом на различных этапах преобразования субстратов

На третьей стадии происходит химическая реакция, в результате которой образуется комплекс продукта реакции с ферментом.

Заключительным процессом является высвобождение продукта реакции из комплекса.

В организме превращение веществ до конечных продуктов происходит в несколько этапов, каждый из которых катализируется отдельным ферментом. Сумма энергии активации промежуточных реакций ниже энергии активации, необходимой для одновременного расщепления субстрата.

4.3. Свойства ферментов

Ферменты обладают всеми свойствами белков. Однако по сравнению с белками, выполняющими другие функции в клетке, ферменты имеют ряд специфических, присущих только им свойств.

Зависимость активности ферментов от температуры. Температура может влиять по-разному на активность фермента. При высоких значениях температуры может происходить денатурация белковой части фермента, что негативно сказывается на его активности. При определенных (оптимальных) значениях температура может влиять на скорость образования фермент-субстратного комплекса, вызывая увеличение скорости реакции. Температура, при которой каталитическая активность фермента максимальна, называется температурным оптимумом фермента. Различные клеточные ферменты имеют собственные температурные оптимумы, которые определяются экспериментально. Для ферментов животного происхождения температурный оптимум находится в интервале 40-50°С.

Зависимость активности фермента от рН-среды. Большинство ферментов проявляет максимальную активность при значениях рН, близких к нейтральным. Лишь отдельные ферменты работают в сильно кислой или сильно щелочной среде. Например, активность пепсина - фермента, гидролизующего белки в желудке, - максимальна при рН 1,5-2,5. В щелочной среде «работают» ферменты, локализованные в кишечнике. Изменение оптимального для данного фермента значения рН-среды может привести к изменению третичной стурктуры фермента, что скажется на его активности. С другой стороны, при изменении рН может измениться ионизация субстрата, что повлияет на образование фермент-суб­стратного комплекса.

Специфичность действия ферментов -- одно из главных их свойств. Специфичность - это избирательность фермента по от­ношению к субстрату (или субстратам). Специфичность действия ферментов объясняется тем, что субстрат должен подходить к ак­тивному центру как «ключ к замку». Это образное сравнение сделано Э.Фишером в 1894 г. Он рассматривал фермент как жесткую струк­туру, активный центр которой представляет собой «слепок» субстрата. Однако этой гипотезой трудно объяснить групповую специфичность ферментов, т. к. конфигурация «ключей» (субстра­тов), подходящих к одному «замку», слишком разнообразна. Такое несоответствие получило объяснение в 50-е гг. XX в. в ги­потезе Д. Кошланда. Она получила название гипотезы «вынужден­ного соответствия».

По гипотезе Д.Кошланда, молекула фермента не жесткая, а гибкая, эластичная, поэтому информация фермента и его ак­тивного центра может изменяться при присоединении субстрата или других лигандов. В момент присоединения субстрат «вынуждает» активный центр фермента принять соответствующую форму. Это можно сравнить с «перчаткой» и «рукой».

Гипотеза «вынужденного соответствия» получила эксперимен­тальное подтверждение. Эта гипотеза позволяет также объяснить причину превращения близких аналогов субстратов.

Различают несколько видов специфичности.

Стереохамическая субстратная специфичность - фермент

катализирует превращение только одного стереоизомера субстрата. Например, фумаратгидратаза катализирует присоединение молекулы воды к кратной связи фумаровой кислоты, но не к ее стереоизомеру - малеиновой кислоте.

Абсолютная субстратная специфичность - фермент катализирует превращение только одного субстрата. Например, уреаза катализирует гидролиз только мочевины.

Групповая субстратная специфичность - фермент катализирует превращение группы субстратов сходной химической структуры. Например, алкогольдегидрогеназа катализирует превращение этанола и других алифатических спиртов, но с разной скоростью.

Влияние на активность ферментов активаторов и ингибиторов . К числу факторов, повышающих активность ферментов, относятся катионы металлов и некоторые анионы. Чаще всего активаторами ферментов являются катионы Mg 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ , К + и Со 2+ , а из анионов - Сl - . Катионы действуют на ферменты по-разному. В одних случаях они облегчают образование фермент-субстратного комплекса, в других - способствуют присоединению кофермента к апоферменту, либо присоединяются к аллостерическому центру фермента и изменяют его третичную структуру, в результате чего субстратный и каталитический центры приобретают наиболее выгодную для осуществления катализа конфигурацию.

Ингибиторы тормозят действие ферментов. Ингибиторами могут быть как эндогенные, так и экзогенные вещества. Механизмы ингибирующего действия различных химических соединений разнообразны.

Номенклатура и классификация ферментов

Номенклатура ферментов.На первых этапах развития энзимологии названия ферментам давали их первооткрыватели по случайным признакам (тривиальная номенклатура). Например, к тривиальным относятся названия ферментов: пепсин, трипсин, химотрипсин. Первая попытка ввести правило для названий ферментов была предпринята Е. Дюкло в 1898 г. (рациональная номенклатура). Согласно рациональной номенклатуре, простой фермент называли по названию субстрата с добавлением окон­чания -аза (ДНКаза, РНКаза, амилаза, уреаза). Для названия холо-фермента по рациональной номенклатуре использовали название кофермента (пиридоксальфермент, геминфермент). Позднее в на­звании фермента стали использовать название субстрата и тип ка­тализируемой реакции (алкогольдегидрогеназа).

В 1961 г. V Международный биохимичекий конгресс, прохо­дивший в Москве, утвердил научную номенклатуру ферментов. Согласно этой номенклатуре название фермента складывается из химического названия субстрата (субстратов), на который дейст­вует фермент, типа катализируемой реакции и окончания -аза. Например, фермент, осуществляющий гидролиз мочевины (рацио­нальное название - уреаза), по научной номенклатуре называют карбамидамидогидролазой.

Если в химической реакции участвуют донор какой-либо груп­пировки атомов и акцептор, то фермент называют следующим обра­зом: химическое название донора, химическое название акцептора, тип катализируемой реакции. Например, фермент, катализирующий процесс переаминирования глутаминовой и гшровиноградной ки­слот, называется глутамат: пируватаминотрансфераза.

Однако следует отметить, что наряду с названиями по научной номенклатуре допускается использование тривиальных названий ферментов.

Классификация ферментов. В настоящее время известно более 2000 ферментов. Все ферменты разделены на шесть классов, каж­дый из которых имеет строго определенный номер.

1.Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановитель­ ные процессы.

2.Трансферазы катализируют реакции переноса функциональ­ ных групп и молекулярных остатков с одной молекулы на другую.

3.Гидролазы катализируют реакции гидролиза.

4.Лиазы катализируют реакции отщепления (кроме атомов во­ дорода) с образованием двойной связи либо присоединения по двойной связи, а также негидролитический распад органических соединений либо синтез без участия макроэргических веществ.

5.Изомеразы катализируют процессы изменения геометричес­ кой или пространственной конфигурации молекул.

6.Лигазы катализируют реакции синтеза, сопровождающиеся гидролизом богатой энергией связи (как правило, АТФ).

Классы ферментов делятся на подклассы, а подклассы, в свою очередь, на подподхлассы. Подкласс уточняет действие фермента, так как указывает в общих чертах на природу химической группы субстрата. Подподкласс еще более конкретизирует действие фер­мента, уточняя природу атакуемой связи субстрата или природу акцептора, который участвует в реакции.

Система классификации предусматривает для каждого фермента специальный шифр, состоящий из четырех кодовых чисел, разде­ленных точками. Первая цифра в шифре обозначает номер класса, вторая - номер подкласса, третья - подподкласса и четвертая - порядковый номер в данном подподклассе. Так, лактатдегидро-геназа имеет шифр КФ 1.1.1.27, т. е. относится к первому классу, первому подклассу, первому подподклассу и занимает 27-е место в перечне ферментов упомянутого подподкласса.

Приведем конкретные примеры биохимических процессов, ка­тализируемых ферментами, относящимися к определенному классу и подклассу.

1. Оксидоредуктазы.Общая схема процессов, катализируемых оксидоредуктазами, может быть выражена следующим образом:

Наиболее часто мы будем встречать оксидоредуктазы подклас­са оксидаз и дегидрогеназ, поэтому рассмотрим их подробнее.

Оксидазы - это оксидоредуктазы, которые переносят атомы водорода или электроны непосредственно на атомы кислорода либо внедряют в молекулу субстрата атом кислорода.

Дегидрогеназы - это оксидоредуктазы, катализирующие про­цесс отщепления атомов водорода.

Все дегидрогеназы являются холоферментами, коферментами которых служат следующие соединения: никотинамидадениндинуклеотид (НАД), никотинамидадениндинуклеотид (НАДФ), флавинмононуклеотид (ФМН), флавинадениндинуклеотид (ФАД), хиноны.

Наиболее распространены в природе дегидрогеназы, содержа­щие в качестве кофермента НАД.

Коферменты ФМН и ФАД содержат в своем составе фосфори-лированный витамин В 2 (рибофлавинфосфат), который способен отщеплять от субстрата два атома водорода.

2. Трансферазы. Это один из самых многочисленных классов ферментов. В зависимости от характера переносимых групп выде­ляют фосфотрансферазы, аминотрансферазы, гликозилтрансферазы, ацилтрансферазы и др.

Фосфотрансферазы - это ферменты, катализирующие перенос остатка фосфорной кислоты. В результате действия фосфотрансфераз образуются фосфорные эфиры различных органических соедине­ний, многие из которых обладают повышенной реакционной способ­ностью и более легко вступают в последующие реакции. Следова­тельно, фосфорилирование органических соединений можно считать процессом их активации. Чаще всего донором фосфатных групп является молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Фос­фотрансферазы, использующие в качестве донора фосфатной группы молекулу АТФ, называются киназами. К киназам относится, на­пример, глицеролкиназа, ускоряющая перенос остатка фосфорной кислоты от молекулы АТФ к молекуле глицерина.

Аминотрансферазы ускоряют перенос аминогруппы. Аминотранс­феразы - двухкомпонентные ферменты, коферментом которых слу­жит пиридоксальфосфат (фосфорилированный витамин В 6).

Гликозилтрансферазы ускоряют реакции переноса гликозильных остатков, обеспечивая, главным образом, реакции синтеза и распада олиго- и полисахаридов. Если гликозильный остаток переносится на молекулу фосфорной кислоты, то процесс называется фосфоролизом, а ферменты, обеспечивающие этот процесс, называются фосфорилазами.

Донором гликозильных остатков в процессах синтеза олиго- и полисахаридов служат нуклеозиддифосфатсахара (НДФ-сахара), одним из представителей которых является уридиндифосфатглюкоза (УДФ-глюкоза).

Ацилтрансферазы катализируют процессы переноса апилов (радикалов карбоновых кислот) на спирты, амины, аминокислоты и другие соединения. Источником ацилов является ацил-КоА, который можно рассматривать в качестве кофактора в реакциях переноса ацильных групп. Примером реакции трансацилирования может служить реакция синтеза фосфатидной кислоты, в которой участвует фосфоглицерин и две молекулы ацил-КоА.

3. Гидролазы. Эти ферменты ускоряют реакции гидролиза органических соединений; обязательным участником этих процессов является вода. В зависимости от характера гидролизуемой связи гидролазы подразделяют на ряд подклассов: эстеразы, гликозидазы, пептидгидролазы и др. Отличительной чертой всех гидролаз является то, что они являются однокомпонентными ферментами.

Эстеразы катализируют реакции гидролиза сдожноэфирных свя­зей.

Липаза ускоряет гидролиз внешних сложноэфирных связей в молекуле триглицерида. Особенно широко распространены эс-теразы, катализирующие гидролиз сложных эфиров фосфорной кислоты и углеводов. Эти ферменты называются фосфатазами.

Гликозидазы ускоряют реакции гидролиза гликозидных связей. Примером гликозидазы может служить мальтаза (-глюкозидаза).

Из гликозидаз, действующих на полисахариды, наиболее рас­пространены амилазы.

Пептид-гидролазы. Ферменты этого подкласса катализируют гид­ролиз пептидных связей в молекулах пептидов и белков. Пептид-гидролазы гидролизуют не все пептидные связи в молекулах белков и пептидов, а только определенные. Амидазы ускоряют гидролиз амидов дикарбоновых аминокис­лот - аспарагина и глутамина.

4. Лиазы.Ферменты этого класса катализируют разнообраз­ные реакции распада и синтеза. В зависимости от того, какая связь расщепляется или, наоборот, образуется, выделяют углерод-уг­лерод, углерод-кислород, углерод-азот лиазы. Приведем примеры процессов, катализируемых ферментами указанных подклассов.

Углерод-углерод лиазы. В природе широко представлены фер­менты, ускоряющие декарбоксилирование кето- и аминокислот. Декарбоксилазы или карбоксилиазы - двухкомпонентные ферменты, коферментом которых является фосфорный эфир вита­мина В 1 , - в случае декарбоксилирования кетокислот и витамина В 6 - в случае декарбоксилирования аминокислот.

Углерод-кислород лиазы (гидролиазы). Ферменты этого подкласса ускоряют реакции гидратации и дегидратации органических со­единений.

Эти реакции постоянно идут при распаде и синтезе углеводов и жирных кислот, поэтому гидратазы играют большую роль в жизнедеятельности организмов. Примером может служить фумаратгидратаза, присоединяющая молекулу воды к кратной связи фумаровой кислоты.

Углерод-азот лиазы катализируют реакции прямого дезаминирования некоторых аминокислот.

5. Изомеразы.Изомеразы ускоряют процессы превращений од­них изомеров органических соединений в другие.

6. Лигазы (синтетазы). Ферменты этого класса обеспечивают синтез различных органических соединений. Характерной чертой ферментов этого класса является использование соединений, способных поставлять энергию для осуществления биосинтеза. Одним из таких соединений является аденозинтрифосфорная кислота - АТФ. В качестве примера действия лигазы можно привести синтез щавелевоуксусной кислоты из пировиноградной путем ее карбоксилирования.

Следует обратить внимание на тот факт, что молекула АТФ не участвует в образовании продуктов реакции, а просто распадается до АДФ и

Н 3 РО 4 ; при этом освобождается энергия, необходимая для осуществления биосинтеза.

Важной реакцией является образование ацил-коэнзима А (ацил-КоА), которая тоже ускоряется ферментом этого класса.

Ферменты – это особый вид протеинов, которым природой отведена роль катализаторов разных химических процессов.

Этот термин постоянно на слуху, правда, далеко не все понимают, что такое фермент или энзим, какие функции выполняет это вещество, а также чем отличаются ферменты от энзимов и отличаются ли вообще. Все это сейчас и узнаем.

Без этих веществ ни люди, ни животные не смогли бы переваривать пищу. А впервые к применению ферментов в быту человечество прибегло более 5 тысяч лет тому назад, когда наши предки научились хранить молоко в «посуде» из желудков животных. В таких условиях под воздействием сычужного фермента молоко превращалось в сыр. И это только один из примеров работы энзима в качестве катализатора, ускоряющего биологические процессы. Сегодня ферменты незаменимы в промышленности, они важны для производства сахара, маргаринов, йогуртов, пива, кожи, текстиля, спирта и даже бетона. В моющих средствах и стиральных порошках также присутствуют эти полезные вещества – помогают выводить пятна при низких температурах.

История открытия

Энзим в переводе из греческого означает «закваска». А открытию этого вещества человечество обязано голландцу Яну Баптисту Ван-Гельмонту, жившему в XVI веке. В свое время он весьма заинтересовался спиртовым брожением и в ходе исследования нашел неизвестное вещество, ускоряющее этот процесс. Голландец назвал его fermentum, что в переводе означает «брожение». Затем, почти тремя веками позже, француз Луи Пастер, также наблюдая за процессами брожения, пришел к выводу, что ферменты – не что иное, как вещества живой клетки. А через некоторое время немец Эдуард Бухнер добыл фермент из дрожжей и определил, что это вещество не является живим организмом. Он также дал ему свое название – «зимаза». Еще несколькими годами позже другой немец Вилли Кюне предложил все белковые катализаторы разделить на две группы: ферменты и энзимы. Причем вторым термином он предложил называть «закваску», действия которой распространяются вне живых организмов. И лишь 1897 год положил конец всем научным спорам: оба термины (энзим и фермент) решено использовать как абсолютные синонимы.

Структура: цепь из тысяч аминокислот

Все ферменты являются белками, но не все белки – ферменты. Как и другие протеины, энзимы состоят из . И что интересно, на создание каждого фермента уходит от ста до миллиона аминокислот, нанизанных, словно жемчуг на нить. Но эта нить не бывает ровной – обычно изогнута в сотни раз. Таким образом, создается трехмерная уникальная для каждого фермента структура. Меж тем, молекула энзима – сравнительно крупное образование, и лишь небольшая часть его структуры, так называемый активный центр, участвует в биохимических реакциях.

Каждая аминокислота соединена с другой определенным типом химической связи, а каждый фермент имеет свою уникальную последовательность аминокислот. Для создания большинства из них используются примерно 20 видов аминовеществ. Даже незначительные изменения последовательности аминокислот могут кардинально менять внешний вид и «таланты» фермента.

Биохимические свойства

Хотя при участии ферментов в природе происходит огромное количество реакций, но все они могут быть разгруппированы на 6 категорий. Соответственно, каждая из этих шести реакций протекает под влиянием определенного типа ферментов.

Реакции при участии энзимов:

1. Окисление и восстановление.

Ферменты, участвующие в этих реакциях, называются оксидоредуктазами. В качестве примера можно вспомнить как, алкогольдегидрогеназы преобразуют первичные спирты в альдегид.

1. Реакция переноса группы.

Ферменты, благодаря которым происходят эти реакции, называются трансферазами. Они обладают умением перемещать функциональные группы от одной молекулы к другой. Так происходит, например, когда аланинаминотрансферазы перемещают альфа-аминогруппы между аланином и аспартатом. Также трансферазы перемещают фосфатные группы между АТФ и другими соединениями, а с остатков глюкозы создают дисахариды.

1. Гидролиз.

Гидролазы, участвующие в реакции, умеют разрывать одинарные связи, добавляя элементы воды.

1. Создание или удаление двойной связи.

Этот вид реакций негидролитическим путем происходит при участии лиазы.

1. Изомеризация функциональных групп.

Во многих химических реакциях положение функциональной группы изменяется в пределах молекулы, но сама молекула состоит из того же количества и типов атомов, что были до начала реакции. Иными словами, субстрат и продукт реакции являются изомерами. Такого типа трансформации возможны под влиянием ферментов изомеразы.

1. Образование одинарной связи с устранением элемента воды.

Гидролазы разрушают связь, добавляя в молекулу элементы воды. Лиазы осуществляют обратную реакцию, удаляя водную часть из функциональных групп. Таким образом, создают простую связь.

Как работают в организме

Ферменты ускоряют практически все химические реакции, происходящие в клетках. Они имеют жизненноважное значение для человека, облегчают пищеварение и ускоряют метаболизм.

Некоторые из этих веществ помогают разрушать слишком большие молекулы на более мелкие «куски», которые организм сможет переварить. Другие наоборот связывают мелкие молекулы. Но ферменты, говоря научным языком, обладают высокой селективностью. Это значит, что каждое из этих веществ способно ускорять только определенную реакцию. Молекулы, с которыми «работают» ферменты, называются субстратами. Субстраты в свою очередь создают связь с частью фермента, именуемой активным центром.

Существуют два принципа, объясняющие специфику взаимодействия ферментов и субстратов. В так называемой модели «ключ-замок» активный центр фермента занимает в субстрате место строго определенной конфигурации. Согласно другой модели, оба участника реакции, активный центр и субстрат, меняют свои формы, чтобы соединиться.

По какому бы принципу ни происходило взаимодействие результат всегда одинаковый – реакция под воздействием энзима протекает во много раз быстрее. Вследствие такого взаимодействия «рождаются» новые молекулы, которые потом отделяются от фермента. А вещество-катализатор продолжает выполнять свою работу, но уже при участии других частиц.

Гипер- и гипоактивность

Бывают случаи, когда энзимы выполняют свои функции с неправильной интенсивностью. Чрезмерная активность вызывает чрезмерное формирование продукта реакции и дефицит субстрата. В результате – ухудшение самочувствия и серьезные болезни. Причиной гиперактивности энзима может быть как генетическое нарушение, так и избыток витаминов или , используемых в реакции.

Гипоактивность ферментов может даже стать причиной смерти, когда, например, энзимы не выводят из организма токсины либо возникает дефицит АТФ. Причиной такого состояния также могут быть мутированные гены или, наоборот, гиповитаминоз и дефицит других питательных веществ. Кроме того, пониженная температура тела аналогично замедляет функционирование энзимов.

Катализатор и не только

Сегодня можно часто услышать о пользе ферментов. Но что такое эти вещества, от которых зависит работоспособность нашего организма?

Энзимы – это биологические молекулы, жизненный цикл которых не определяется рамками от рождения и смерти. Они просто работают в организме до тех пор, пока не растворятся. Как правило, это происходит под воздействием других ферментов.

В процессе биохимической реакции они не становятся частью конечного продукта. Когда реакция завершена, фермент покидает субстрат. После этого вещество готово снова приступить к работе, но уже на другой молекуле. И так продолжается столько, сколько необходимо организму.

Уникальность ферментов в том, что каждый из них выполняет только одну, ему отведенную функцию. Биологическая реакция происходит только тогда, когда фермент находит правильный для него субстрат. Это взаимодействие можно сравнить с принципом работы ключа и замка – только правильно подобранные элементы смогут «сработаться». Еще одна особенность: они могут работать при низких температурах и умеренном рН, а в роли катализаторов являются более стабильными, чем любые другие химические вещества.

Ферменты в качестве катализаторов ускоряют процессы метаболизма и другие реакции.

Как правило, эти процессы состоят из определенных этапов, каждый из которых требует работы определенного энзима. Без этого цикл преобразования или ускорения не сможет завершиться.

Пожалуй, из всех функций ферментов наиболее известна – роль катализатора. Это значит, что энзимы комбинируют химические реагенты таким образом, чтоб снизить энергетические затраты, необходимые для более быстрого формирования продукта. Без этих веществ химические реакции протекали бы в сотни раз медленнее. Но на этом способности энзимов не исчерпываются. Все живые организмы содержат энергию, необходимую им для продолжения жизни. Аденозинтрифосфат, или АТФ, это своего рода заряженная батарейка, которая снабжает клетки энергией. Но функционирование АТФ невозможно без ферментов. И главный энзим, производящий АТФ, – синтаза. Для каждой молекулы глюкозы, которая трансформируется в энергию, синтаза производит около 32-34 молекул АТФ.

Помимо этого, энзимы (липаза, амилаза, протеаза) активно применяются в медицине. В частности, служат компонентом ферментативных препаратов, таких как «Фестал», «Мезим», «Панзинорм», «Панкреатин», применяемых для лечения несварения желудка. Но некоторые энзимы способны также влиять на кровеносную систему (растворяют тромбы), ускорять заживление гнойных ран. И даже в противораковой терапии также прибегают к помощи ферментов.

Факторы, определяющие активность энзимов

Поскольку энзим способен ускорять реакции во много раз, его активность определяется так называемым числом оборотов. Этот термин обозначает количество молекул субстрата (реагирующего вещества), которую способна трансформировать 1 молекула фермента за 1 минуту. Однако существует ряд факторов, определяющих скорость реакции:

1. Концентрация субстрата.

Увеличение концентрации субстрата ведет к ускорению реакции. Чем больше молекул действующего вещества, тем быстрее протекает реакция, поскольку задействовано больше активных центров. Однако ускорения возможно только до тех пор, пока не задействуются все молекулы фермента. После этого, даже повышение концентрации субстрата не приведет к ускорению реакции.

1. Температура.

Обычно повышение температуры ведет к ускорению реакций. Это правило работает для большинства ферментативных реакций, но только до тех пор, пока температура не поднимется выше 40 градусов по Цельсию. После этой отметки скорость реакции, наоборот, начинает резко снижаться. Если температура опустится ниже критической отметки, скорость ферментативных реакций повысится снова. Если температура продолжает расти, ковалентные связи рушатся, а каталическая активность фермента теряется навсегда.

1. Кислотность.

На скорость ферментативных реакций также влияет показатель рН. Для каждого фермента существует свой оптимальный уровень кислотности, при котором реакция проходит наиболее адекватно. Изменение уровня рН сказывается на активности фермента, а значит, и скорости реакции. Если изменения слишком велики, субстрат теряет способность связываться с активным ядром, а энзим больше не может катализировать реакцию. С восстановлением необходимого уровня рН, активность фермента также восстанавливается.

Ферменты, присутствующие в человеческом организме, можно разделить на 2 группы:

• метаболические;
• пищеварительные.

Метаболические «работают» над нейтрализацией токсических веществ, а также способствуют выработке энергии и белков. Ну и, конечно, ускоряют биохимические процессы в организме.

За что отвечают пищеварительные – понятно с названия. Но и здесь срабатывает принцип селективности: определенный тип ферментов влияет только на один вид пищи. Поэтому для улучшения пищеварения можно прибегнуть к маленькой хитрости. Если организм плохо переваривает что-то из еды, значит надо дополнить рацион продуктом, содержащим фермент, который способен расщепить трудно перевариваемую пищу.

Пищевые ферменты – катализаторы, которые расщепляют продукты питания до состояния, в котором организм способен поглощать из них полезные вещества. Пищеварительные энзимы бывают нескольких типов. В человеческом организме разные виды ферментов содержатся на разных участках пищеварительного тракта.

Ротовая полость

На этом этапе на пищу воздействует альфа-амилаза. Она расщепляет углеводы, крахмалы и глюкозу, которые содержатся в картофеле, фруктах, овощах и других продуктах питания.

Желудок

Здесь пепсин расщепляет белки до состояния пептидов, а желатиназа – желатин и коллаген, содержащиеся в мясе.

Поджелудочная железа

На этом этапе «работают»:

• трипсин – отвечает за расщепление белков;
• альфа-химотрипсин – помогает усвоению протеинов;
• эластазы – расщепляют некоторые виды белков;
• нуклеазы – помогают расщеплять нуклеиновые кислоты;
• стеапсин – способствует усвоению жирной пищи;
• амилаза – отвечает за усвоение крахмалов;
• липаза – расщепляет жиры (липиды), содержащиеся в молочных продуктах, орехах, маслах и мясе.

Тонкая кишка

Над пищевыми частицами «колдуют»:

• пептидазы – расщепляют пептидные соединения к уровню аминокислот;
• сахараза – помогает усваивать сложные сахара и крахмалы;
• мальтаза – расщепляет дисахариды к состоянию моносахаридов (солодовый сахар);
• лактаза – расщепляет лактозу (глюкозу, содержащуюся в молочных продуктах);
• липаза – способствует усвоению триглицеридов, жирных кислот;
• эрепсин – воздействует на протеины;
• изомальтаза – «работает» с мальтозой и изомальтозой.

Толстый кишечник

Здесь функции ферментов выполняют:

• кишечная палочка – отвечает за переваривание лактозы;
• лактобактерии – влияют на лактозу и некоторые другие углеводы.

Кроме названных энзимов, существуют еще:

• диастаза – переваривает растительный крахмал;
• инвертаза – расщепляет сахарозу (столовый сахар);
• глюкоамилаза – превращает крахмал в глюкозу;
• альфа-галактозидаза – способствует перевариванию бобов, семян, соевых продуктов, корневых овощей и листовых;
• бромелайн – фермент, полученный из , способствует расщеплению разных видов белков, эффективен при разных уровнях кислотности среды, обладает противовоспалительными свойствами;
• папаин – фермент, выделенный из сырой папайи, способствует расщеплению мелких и крупных протеинов, эффективен в широком диапазоне субстратов и кислотности.
• целлюлаза – расщепляет целлюлозу, растительные волокна (в человеческом организме не обнаружена);
• эндопротеаза – расщепляет пептидные связи;
• экстракт бычьей желчи – энзим животного происхождения, стимулирует моторику кишечника;
и других минералов;
• ксиланаза – расщепляет глюкозу из зерновых.

Катализаторы в продуктах

Ферменты имеют решающее значение для здоровья, поскольку помогают организму расщеплять пищевые компоненты до состояния, пригодного для использования питательных веществ. Кишечник и поджелудочная железа производят широкий спектр ферментов. Но кроме этого, многие их полезных веществ, способствующих пищеварению, содержатся также и в некоторых продуктах.

Ферментированные продукты являются практически идеальным источником полезных бактерий, необходимых для правильного пищеварения. И в то время, когда аптечные пробиотики «работают» только в верхнем отделе пищеварительной системы и часто не добираются до кишечника, эффект от ферментативных продуктов ощущается во всем желудочно-кишечном тракте.

Например, абрикосы содержат в себе смесь полезных энзимов, в том числе инвертазу, которая отвечает за расщепление глюкозы и способствует быстрому высвобождению энергии.

Натуральным источником липазы (способствует более быстрому перевариванию липидов) может послужить авокадо. В организме это вещество производит поджелудочная железа. Но дабы облегчить жизнь этому органу, можно побаловать себя, например, салатом с авокадо – вкусно и полезно.

Кроме того, что банан, пожалуй, самый известный источник калия, он также поставляет в организм амилазу и мальтазу. Амилаза содержится также в хлебе, картофеле, крупах. Мальтаза способствует расщеплению мальтозы, так называемого солодового сахара, который в обилии представлен в пиве и кукурузном сиропе.

Другой экзотический фрукт – ананас содержит в себе целый набор энзимов, в том числе и бромелайн. А он, согласно некоторым исследованиям, еще и обладает противораковыми и противовоспалительными свойствами.

Экстремофилы и промышленность

Экстремофилы – это вещества, способны сохранять жизнедеятельность в экстремальных условиях.

Живые организмы, а также ферменты, позволяющие им функционировать, были найдены в гейзерах, где температура близка к точке кипения, и глубоко во льдах, а также в условиях крайней солености (Долина Смерти в США). Кроме того, ученые находили энзимы, для которых уровень рН, как оказалось, также не принципиальное требование для эффективной работы. Исследователи с особым интересом изучают ферменты-экстремофилы, как вещества, которые могут быть широко использованы в промышленности. Хотя и сегодня энзимы уже нашли свое применение в индустрии как биологически и экологически чистые вещества. К применению энзимов прибегают в пищевой промышленности, косметологии, производстве бытовой химии.

Более того, «услуги» ферментов в таких случаях обходятся дешевле, чем синтетических аналогов. Кроме того, натуральные вещества являются биоразлагаемыми, что делает их использование безопасным для экологии. В природе существуют микроорганизмы, способные расщепить ферменты на отдельные аминокислоты, которые затем становятся компонентами новой биологической цепочки. Но это, как говорится, уже совсем другая история.

Первая ферментативная реакция осахаривания крахмала солодом была исследована отечественным учёным К. Ментен разработали теорию ферментативного катализа. Самнер впервые выделил очищенный препарат фермента уреазы в кристаллическом состоянии. Меррифилду удалось осуществить искусственный синтез фермента РНК-азы.

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Реферат

СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ

Краткая история ферментологии

Экспериментальное изучение ферментов в 19 веке совпало по времени с изучением процессов дрожжевого брожения, что нашло отражение в терминах «ферменты» и «энзимы». Название ферменты возникло от латинского слова fermentatio – брожение. Термин энзимы произошёл от понятия en zyme - из дрожжей. Вначале этим названиям придавали разный смысл, но в настоящее время они являются синонимами.

Первая ферментативная реакция осахаривания крахмала солодом была исследована отечественным учёным К.С. Кирхгоффом в 1814 году. Впоследствии были предприняты попытки выделения ферментов из дрожжевых клеток (Э. Бюхнер, 1897 год). В начале ХХ века Л. Михаэлис и М. Ментен разработали теорию ферментативного катализа. В 1926 году Д. Самнер впервые выделил очищенный препарат фермента уреазы в кристаллическом состоянии. В 1966 году Б. Меррифилду удалось осуществить искусственный синтез фермента РНК-азы.

Структура ферментов

Ферменты – это высокоспециализированные белки, способные повышать скорость реакции в живых организмах. Ферменты - биологические катализаторы.

Все ферменты являются белками, как правило, глобулярными. Они могут относиться как к простым, так и к сложным белкам. Белковая часть фермента может состоять из одной полипептидной цепи – мономерные белки – ферменты (например, пепсин). Ряд ферментов являются олигомерными белками, включают в свой состав несколько протомеров или субъединиц. Протомеры, объединяясь в олигомерную структуру, соединяются самопроизвольно непрочными нековалентными связями. В процессе объединения (кооперации) происходят структурные изменения отдельных протомеров, в результате чего активность фермента заметно возрастает. Отделение (диссоциация) протомеров и их объединение в олигомерный белок является механизмом регуляции активности ферментов.

Субъединицы (протомеры) в олигомерах могут быть или одинаковыми или отличающимися по первичной - третичной структуре (конформации). В случае соединения различных протомеров в олигомерную структуру фермента возникают множественные формы одного и того же фермента – изоферменты .

Изоферменты катализируют одну и ту же реакцию, но отличаются по набору субъединиц, физико-химическим свойствам, электрофоретической подвижности, по сродству к субстратам, активаторам, ингибиторам. Например, лактатдегидрогеназа (ЛДГ) – фермент, окисляющий молочную кислоту в пировиноградную кислоту, является тетрамером. Он состоит из четырёх протомеров двух типов. Один вид протомеров обозначается Н (выделен из сердечной мышцы), второй протомер обозначается М (выделен из скелетной мускулатуры). Возможно 5 сочетаний этих протомеров в составе ЛДГ: Н 4 , Н 3 М, Н 2 М 2 , Н 1 М 3 , М 4 .

Биологическая роль изоферментов.

• Изоферменты обеспечивают протекание химических реакций в соответствии с условиями в разных органах. Так, изофермент ЛДГ 1 – обладает высоким сродством к кислороду, поэтому он активен в тканях с высокой скоростью окислительных реакций (эритроциты, миокард). Изофермент ЛДГ 5 активен в присутствии высокой концентрации лактата, наиболее характерен для ткани печени
• Выраженная органоспецифичность используется для диагностики заболеваний различных органов.
• Изоферменты изменяют свою активность с возрастом. Так, у плода при недостатке кислорода преобладает ЛДГ 3 , а с увеличением возраста, увеличением поступления кислорода возрастает доля ЛДГ 2 .

Если фермент является сложным белком, то он состоит из белковой и небелковой части. Белковая часть является высокомолекулярной, термолябильной частью фермента и называется апоферментом . Он имеет своеобразную структуру и определяет специфичность ферментов.

Небелковая часть фермента называется кофактором (коферментом ) . Кофактором чаще всего являются ионы металлов, которые могут прочно связываться с апоферментом (например, Zn в ферменте карбоангидразе, С u в ферменте цитохромоксидазе). Коферменты чаще всего являются органическими веществами, менее прочно связанными с апоферментом. Коферментами являются нуклеотиды НАД, ФАД. Кофермент – низкомолекулярная, термостабильная часть фермента. Его роль заключается в том, что он определяет пространственную укладку (конформацию) апофермента, и определяет его активность. Кофакторы могут переносить электроны, функциональные группы, участвовать в образовании дополнительных связей между ферментом и субстратом.

В функциональном отношении в ферменте принято выделять два важных участка в молекуле фермента: активный центр и аллостерический участок

Активный центр – это участок молекулы фермента, который взаимодействует с субстратом и участвует в каталитическом процессе. Активный центр фермента образован радикалами аминокислот, удалённых друг от друга в первичной структуре. Активный центр имеет трёхмерную укладку, чаще всего в его составе выявляются

ОН группы серина

SH – цистеина

NH 2 лизина

- γ -СООН глютаминовой кислоты

В активном центре различают две зоны – зону связывания с субстратом и каталитическую зону.

Зона связывания обычно имеет жёсткую структуру, к которой комплементарно присоединяется субстрат реакции. Например, трипсин расщепляет белки в участках, богатых положительно заряженной аминокислотой лизином, так как в его зоне связывания содержатся остатки отрицательно заряженной аспарагиновой кислоты.

Каталитическая зона - это участок активного центра, непосредственно воздействующий на субстрат и осуществляющий каталитическую функцию. Это зона более подвижна, в ней возможно изменение взаиморасположения функциональных групп.

В ряде ферментов (чаще олигомерных) кроме активного центра присутствует аллостерический участок – участок молекулы фермента, удалённый от активного центра и взаимодействующий не с субстратом, а с дополнительными веществами (регуляторами, эффекторами). В аллостерических ферментах в одной субъединице может находиться активный центр, в другой - аллостерический участок. Аллостерические ферменты изменяют свою активность следующим образом: эффектор (активатор, ингибитор) действует на аллостерическую субъединицу и изменяет её структуру. Затем изменение конформации аллостерической субъединицы по принципу кооперативных изменений опосредованно меняет структуру каталитической субъединицы, что сопровождается изменение активности фермента.

Механизм действия ферментов.

Ферменты обладают рядом общекаталитических свойств:

• не смещают каталитическое равновесие
• не расходуются в процессе реакции
• катализируют только термодинамически реальные реакции. Такими реакциями являются те, в которых исходный энергетический запас молекул больше, чем финальный.

В ходе реакции преодолевается высокий энергетический барьер. Разница между энергией этого порога и исходным энергетическим уровнем - энергия активации.

Скорость ферментативных реакций определяется энергией активации и рядом других факторов.

Константа скорости химической реакции определяется по уравнению:

К = P*Z*e - (Ea / RT )

К - константа скорости реакции

Р – пространственный (стерический) коэффициент

Z – количество взаимодействующих молекул

Е а – энергия активации

R – газовая постоянная

Т – универсальная абсолютная температура

е – основание натуральных логарифмов

В этом уравнении Z , е, R , T – постоянные величины, а Р и Еа - переменные. Причём, между скоростью реакции и стерическим коэффициентом зависимость прямая, а между скоростью и энергией активации – обратная и степенная зависимость (чем ниже Еа, тем выше скорость реакции).

Механизм действия ферментов сводится к увеличению ферментами стерического коэффициента и уменьшению энергии активации.

Снижение ферментами энергии активации.

Например, энергия расщепления Н 2 О 2 без ферментов и катализаторов – 18 000 ккал на моль. Если используется платина и высокая температура, она снижается до 12 000 ккал/моль. При участии фермента каталазы энергия активации составляет лишь 2 000 ккал/моль.

Уменьшение Еа происходит в результате образования промежуточных фермент-субстратных комплексов по схеме: F + S <=> FS -комплекс → F + продукты реакции. Впервые возможность образования фермент- субстратных комплексов была доказана Михаэлисом, Ментеном. Впоследствии многие фермент-субстратные комплексы были выделены. Для объяснения высокой избирательности ферментов при взаимодействии с субстратом предложена теория «ключа и замка» Фишера . Согласно ей, фермент взаимодействует с субстратом только при абсолютном соответствии их друг другу (комплементарность) наподобие ключа и замка. Данная теория объясняла специфичность ферментов, но не раскрывала механизмы их воздействия на субстрат. Позже разработана теория индуцированного соответствия фермента и субстрата - теория Кошланда (теория «резиновой перчатки»). Её суть состоит в следующем: активный центр фермента сформирован и содержит все функциональные группы ещё до взаимодействия с субстратом. Однако эти функциональные группы находятся в неактивном состоянии. В момент присоединения субстрата ониндуцирует изменения положения, структуры радикалов в активном центре фермента. В результате активный центр фермента под действием субстрата переходит в активное состояние и, в свою очередь, начинает воздействовать на субстрат, т.е. происходит взаимодействие активного центра фермента и субстрата. Вследствие этого субстрат переходит в нестабильное, неустойчивое состояние, что ведёт к уменьшению энергии активации.

Взаимодействие фермента и субстрата может заключаться в реакциях нуклеофильного замещения, электрофильного замещения, дегидратации субстрата. Возможно также кратковременное ковалентное взаимодействие функциональных групп фермента с субстратом. В основном происходит геометрическая переориентация функциональных групп активного центра.

Увеличение ферментами стерического коэффициента.

Стерический коэффициент вводится для реакций, в которых участвуют крупные молекулы, имеющие пространственную структуру. Стерический коэффициент показывает долю удачных столкновений активных молекул. Например, он равен 0,4, если 4 из 10 столкновений активных молекул привели к образованию продукта реакции.

Ферменты увеличивают стерический коэффициент, так как они изменяют строение молекулы субстрата в фермент - субстратном комплексе, в результате чего комплементарность фермента и субстрата возрастает. Кроме того, ферменты за счёт своих активных центров упорядочивают расположение молекул субстрата в пространстве (до взаимодействия с ферментом молекулы субстрата располагаются хаотично) и облегчают протекание реакции.

Номенклатура ферментов

Ферменты имеют несколько типов названий.

1. Тривиальные названия (трипсин, пепсин)
2. Рабочая номенклатура. В этом названии фермента присутствует окончание – аза, которое прибавляется:
   • к названию субстрата (сахараза, амилаза),
   • к виду связи, на которую действует фермент (пептидаза, гликозидаза),
   • к типу реакции, процесса (синтетаза, гидролаза).

3) У каждого фермента есть классификационное название, в котором отражается тип реакции, вид субстрата и кофермента. Например: ЛДГ – L лактат-НАД + - оксидоредуктаза.

Классификация ферментов.

Классификация ферментов разработана в 1961 году. Согласно классификации каждый фермент расположен в определённом классе, подклассе, подподклассе и имеет порядковый номер. В связи с этим каждый фермент имеет цифровой шифр, в котором первая цифра обозначает класс, вторая – подкласс, третья – подподкласс, четвертая – порядковый номер (ЛДГ: 1,1,1,27). Все ферменты классифицируются на 6 классов.

1. Оксидоредуктазы
2. Трансферазы
3. Гидролазы
4. Лиазы
5. Изомеразы
6. Синтетазы (лигазы)

Оксидоредуктазы .

Ферменты, катализирующие окислительно - востановительные процессы. Общий вид реакции: А ок + В вос = А вост +В ок . Этот класс ферментов включает несколько подклассов:

1. Дегидрогиназы, катализируют реакции путём отщепления водорода от окисляемого вещества. Они могут быть аэробными (переносят водород на кислород) и анаэробными (переносят водород не на кислород, а на какое-то другое вещество).

2. Оксигеназы - ферменты катализирующие окисление путём присоединение кислорода к окисляемому веществу. Если присоединяется один атом кислорода, участвуют монооксигеназы, если два атома кислорода – диоксигеназы.

3. Пероксидазы – ферменты, катализирующие окисление веществ с участием пероксидов.

Трансферазы.

Ферменты, осуществляющие внутримолекулярный и межмолекулярный перенос функциональных групп с одного вещества на другое по схеме: АВ + С = А + ВС. Подклассы трансфераз выделяют в зависимости от вида переносимых групп: аминотрансферазы, метилтрансферазы, сульфотрансферазы, ацилтрансферазы (переносят остатки жирных кислот), фосфотрансферазы (переносят остатки фосфорной кислоты).

Гидролазы.

Ферменты этого класса катализируют разрыв химической связи с присоединением воды по месту разрыва, то есть реакции гидролиза по схеме: АВ + НОН = АН + ВОН. Подклассы гидролаз выделяют в зависимости от вида разрываемых связей: пептидазы расщепляют пептидные связи (пепсин), гликозидазы - гликозидные связи (амилаза), эстеразы – сложноэфирные связи (липаза).

Лиазы .

Лиазы катализируют разрыв химической связи без присоединения воды по месту разрыва. При этом в субстратах образуются двойные связи по схеме: АВ = А + В. Подклассы лиаз зависят от того, между какими атомами разрывается связь и какие вещества образуются. Альдолазы разрывают связь между двумя атомами углерода (например, фруктоза 1,6-ди-фосфатальдолаза «разрезает» фруктозу и две триозы). К лиазам относят ферменты декарбоксилазы (отщепляют углекислый газ), дегидратазы – «вырезают» молекулы воды.

Изомеразы .

Изомеразы катализируют взаимопревращения различных изомеров. Например, фосфогексоизимераза переводит фруктозу в глюкозу. К подклассам изомераз относятся мутазы (фосфоглюкомутаза переводит глюкозо- 1- фосфат в глюкозо-6-фосфат), эпимеразы (например, переводят рибозу в ксилулозу), таутомеразы

Синтетазы (лигазы).

Ферменты этого класса катализируют реакции синтеза новых веществ за счёт энергии АТФ по схеме: А+В+АТФ = АВ. Например, глютаминсинтетаза соединяет глютаминовую кислоту, NH 3 + при участии АТФ с образованием глютамина.

Свойства ферментов.

Ферменты, помимо общих с неорганическими катализаторами, свойств имеют определённые отличия от неорганических катализаторов. К ним относятся:

• более высокая активность
• более высокая специфичность
• более мягкие условия для катализа
• способность к регуляции активности

Высокая каталитическая активность ферментов .

Ферменты отличаются высокой каталитической активностью. Например, одна молекула карбоангидразы за одну минуту катализирует образование (или расщепление) 36 миллионов молекул угольной кислоты (Н 2 СО 3 ). Высокая активность ферментов объясняется механизмом их действия: они уменьшают энергию активации и увеличивают пространственный (стерический коэффициент). Высокая активность ферментов имеет важное биологическое значение, состоящее в том, что они обеспечивают высокую скорость химических реакций в организме.

Высокая специфичность ферментов .

Все ферменты обладают специфичностью, однако степень специфичности в разных ферментах различна. Выделяют несколько видов специфичности ферментов.

Абсолютная субстратная специфичность, при которой фермент действует только на одно определённое вещество. Например, фермент уреаза расщепляет только мочевину.

Абсолютная групповая специфичность, при которой фермент оказывает один и тот же каталитический эффект на группу соединений, близких по структуре. Например, фермент алкогольдегидрогеназа окисляет не только С 2 Н 5 ОН, но и его гомологи (метиловый, бутиловый и другие спирты).

Относительная групповая специфичность, при которой фермент осуществляет катализ разных классов органических веществ. Например, фермент трипсин проявляет пептидазную и эстеразную активность.

Стереохимическая специфичность (оптическая специфичность), при которой расщепляется только определённая форма изомеров (D , L формы, α, β, цис - трансизомеры). Например, ЛДГ действует только на L -лактат, L -аминокислотоксидазы действуют на L -изомеры аминокислот.

Высокая специфичность объясняется уникальной для каждого фермента структурой активного центра.

Термолябильность ферментов.

Термолябильность - зависимость активности ферментов от температуры. При повышении температуры от 0 до 40 градусов активность ферментов растёт согласно правилу Вант-Гоффа (при возрастании температуры на 10 градусов скорость реакции увеличивается в 2 – 4 раза). При дальнейшем повышении температуры активность ферментов начинает снижаться, что объясняется тепловой денатурацией белковой молекулы фермента. Графически термозависимость ферментов имеет вид:

Инактивация фермента при 0 градусов обратима, а при высокой температуре инактивация приобретает необратимый характер. Это свойство ферментов определяет максимальную скорость реакции в условиях температуры тела человека. Термолябильность ферментов должна учитываться в практической медицинской деятельности. Например, при проведении ферментативной реакции в пробирке, необходимо создавать оптимальную температуру. Это свойство ферментов может быть применено в криохирургии, когда сложная длительная операция проводится при снижении температуры тела, что замедляет скорость протекающих в организме реакций, снижает потребление кислорода тканями. Хранить ферментативные препараты необходимо при пониженной температуре. Для обезвреживания, обеззараживания микроорганизмов используют высокие температуры (автоклавирование, кипячение инструментария).

Фотолябильность .

Фотолябильность - зависимость активности ферментов от действия ультрафиолетовых лучей. УФЛ вызывают фотоденатурацию белковых молекул и уменьшают активность ферментов. Это свойство ферментов используют в бактерицидном эффекте ультрафиолетовых ламп.

Зависимость активности от рН.

У всех ферментов есть определённый интервал рН, в котором активность фермента максимальна - оптимум рН. Для многих ферментов оптимум около 7. В то же время, для пепсина оптимальная среда 1-2, для щелочной фосфатазы около 9. При отклонении рН от оптимума активность фермента снижается, что видно из графика. Это свойство ферментов объясняется изменением ионизации ионогенных групп в молекулах фермента, что ведёт к изменению ионных связей в молекуле белковой молекулы фермента. Это сопровождается изменением конформации молекулы фермента, а это, в свою очередь, приводит к изменению его активности. В условиях организма рН - зависимость определяет максимальную активность ферментов. Это свойство находит и практическое применение. Ферментативные реакции вне организма проводятся при оптимуме рН. При сниженной кислотности желудочного сока с лечебной целью назначают раствор НС l .

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента и концентрации субстрата

Зависимость скорости реакции от концентрации фермента и концентрации субстрата (кинетика ферментативных реакций) представлена на графиках.

График 1 график 2

В ферментативной реакции (F + S 2  1 FS → 3 F + P ) выделяют скорости трёх составляющих этапов:

1- образование фермент-субстратного комплекса FS ,

2- обратный распад фермент – субстратного комплекса,

3 – распад фермент-субстратного комплекса с образованием продуктов реакции. Скорость каждой из этих реакций подчиняется закону действующих масс:

V 1 = К 1 [ F ]* [ S ]

V 2 = K 2 * [ FS ]

V 3 = K 3 *[ FS ]

В момент равновесия скорость реакции образования FS равна сумме скоростей его распада: V 1 = V 2 + V 3 . Из трёх этапов ферментативной реакции наиболее важным и медленным является третий , так как он связан с образованием продуктов реакции. По приведенной выше формуле найти скорость V 3 невозможно, так как фермент- субстратный комплекс очень неустойчив измерение его концентрациизатруднено. В связи с этим, Михаэлис-Ментен ввели К m – константу Михаэлиса и преобразовали уравнение для измерения V 3 в новое уравнение, в котором присутствуют реально измеримые величины:

V 3 = K 3 * [ F 0 ] * [S] / Km + [S] или V 3 =V max * [S] / Km+[S]

[ F 0 ] – исходная концентрация фермента

К m – константа Михаэлиса.

Физический смысл К m : К m = (К 2 +К 3 ) /К 1 . Она показывает соотношение констант скоростей распада фермент-субстратного комплекса и константы скорости его образования.

Уравнение Михаэлиса-Ментен является универсальным. Оно иллюстрирует зависимость скорости реакции от [ F 0 ] от [ S ]

1. Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата. Эта зависимость выявляется при малых концентрациях субстрата [ S ]< Km . В этом случае концентрацией субстрата в уравнении можно пренебречь и уравнение приобретает вид: V 3 = K 3* [ F 0 ] * [ S ] / Km . В данном уравнении K 3 , F 0 ], Km – константы и могут быть заменены новой константой К*. Таким образом, при малой концентрации субстрата скорость реакции прямо пропорциональна этой концентрации V 3 = K * * [ S ]. Эта зависимость соответствует первому участку графика 2.
2. Зависимость скорости от концентрации фермента проявляется при высокой концентрации субстрата. S ≥ Km . В этом случае можно пренебречь Km и уравнение преобразуется в следующее: V 3 = K 3* (([ F 0 ] * [ S ]) /[ S ]) = K 3* [ F 0 ] = V max . Таким образом, при высокой концентрации субстрата скорость реакции определяется концентрацией фермента и достигает максимального значения V 3 = K 3 [ F 0 ]= V max . (третий участок графика 2).
3. Позволяет определить численное значение Km при условии V 3 = V max /2. В этом случае уравнение приобретает вид:

V max /2 = ((V max *[ S ])/ Km +[ S ]), откуда следует, что Km =[ S ]

Таким образом, К m численно равна концентрации субстрата при скорости реакции, равной половине максимальной. К m является очень важной характеристикой фермента, она измеряется в молях (10 -2 – 10 -6 моль) и характеризуют специфичность фермента: чем ниже Km , тем выше специфичность фермента.

Графическое определение константы Михаэлиса.

Удобнее использовать график, представляющий прямую линию. Такой график предложен Лайнуивером – Берком (график двойных обратных величин), который соответствует обратному уравнению Михаэлиса - Ментен

Зависимость скорости ферментативных реакций от присутствия активаторов и ингибиторов.

Активаторы – вещества, повышающие скорость ферментативных реакций. Различают специфические активаторы, повышающие активность одного фермента (НС l - активатор пепсиногена) и неспецифические активаторы, увеличивающие активность целого ряда ферментов (ионы Mg – активаторы гексокиназы, К, Na –АТФ-азы и других ферментов). В качестве активаторов могут служить ионы металлов, метаболиты, нуклеотиды.

Механизм действия активаторов .

1. Достраивание активного центра фермента, в результате чего облегчается взаимодействие фермента с субстратом. Таким механизмом обладают в основном ионы металлов.
2. Аллостерический активатор взаимодействует с аллостерическим участком (субъединицей) фермента, через его изменения опосредованно изменяет структуру активного центра и увеличивает активность фермента. Аллостерическим эффектом обладают метаболиты ферментативных реакций, АТФ.
3. Аллостерический механизм может сочетаться с изменением олигомерности фермента. Под действием активатора происходит объединение нескольких субъединиц в олигомерную форму, что резко увеличивает активность фермента. Например, изоцитрат является активатором фермента ацетил-КоА карбоксилазы.
4. Фосфолирирование - дефосфолирирование ферментов относится к обратимой модификации ферментов. Присоединение Н 3 РО 4 чаще всего резко увеличивает активность фермента. Например, два неактивных димера фермента фосфорилазы соединяются с четырьмя молекулами АТФ и образуют активную тетрамерную фосфорилированную форму фермента. Фосфолирирование ферментов может сочетаться с изменением их олигомерности. В некоторых случаях фосфорилирование фермента, наоборот, снижает его активность (например, фосфорилирование фермента гликогенсинтетазы)
5. Частичный протеолиз (необратимая модификация). При этом механизме от неактивной формы фермента (профермента) отщепляется фрагмент молекулы, блокирующий активный центр фермента. Например, неактивный пепсиноген под действием HCL переходит в активный пепсин.

Ингибиторы – вещества, понижающие активность фермента.

По специфичности выделяют специфичные и неспецифичные ингибиторы

По обратимости эффекта различают обратимые и необратимые ингибиторы.

По месту действия встречаются ингибиторы, действующие на активный центр и вне активного центра.

По механизму действия различают на конкурентные и неконкурентные ингибиторы.

Конкурентное ингибирование .

Ингибиторы этого типа имеют структуру, близкую к структуре субстрата. В силу этого ингибиторы и субстрат конкурируют за связывание активного центра фермента. Конкурентное ингибирование - это обратимое ингибирование Эффект конкурентного ингибитора может быть уменьшен путём повышения концентрации субстрата реакции

Примером конкурентного ингибирования может служить угнетение активности сукцинатдегидрогеназы, катализирующей окисление дикарбоновой янтарной кислоты, дикарбоновой малоновой кислотой, сходной по структуре с янтарной кислотой.

Принцип конкурентного ингибирования широко используется при создании лекарственных средств. Например, сульфаниламидные препараты имеют структуру, близкую к структуре парааминобензойной кислоты, необходимой для роста микроорганизмов. Сульфаниламиды блокируют ферменты микроорганизмов, необходимые для усвоения парааминобензойной кислоты. Некоторые противоопухолевые препараты являются аналогами азотистых оснований и, тем самым, ингибируют синтез нуклеиновых кислот (фторурацил).

Графически конкурентное ингибирование имеет вид:

Неконкурентное ингибирование .

Неконкурентные ингибиторы структурно не имеют схожести с субстратами реакций и поэтому не могут вытесняться при высокой концентрации субстрата. Существует несколько вариантов действия неконкурентных ингибиторов:

1. Блокирование функциональной группы активного центра фермента и, вследствие этого, уменьшение активности. Например, активность S Н - групп могут связывать тиоловые яды обратимо (соли металлов, ртути, свинца) и необратимо (монойодацетат). Эффект ингибирования тиоловых ингибиторов может быть уменьшен введением добавочных веществ, богатых SH группами (например, унитиол). Встречаются и используются сериновые ингибиторы, блокирующие ОН - группы активного центра ферментов. Таким эффектом обладают органические фосфофторсодержащие вещества. Эти вещества могут, в частности, ингибировать ОН - группы в ферменте ацетилхолинэстеразе, разрушающей нейромедиатор ацетилхолин.
2. Блокирование ионов металлов, входящих в состав активного центра ферментов. Например, цианиды блокируют атомы железа, ЭДТА (этилендиаминтетраацетат) блокирует ионы Са, Mg .
3. Аллостерический ингибитор взаимодействует с аллостерическим участком, опосредованно через него по принципу кооперативности, меняя структуру и активность каталитического участка. Графически неконкурентное ингибирование имеет вид:

Максимальная скорость реакции при неконкурентном ингибировании не может быть достигнута путём повышения концентрации субстрата.

Регуляция активности ферментов в процессе метаболизма.

Адаптация организма к меняющимся условиям (режим питания, экологические воздействия и пр.) возможна благодаря изменению активности ферментов. Существует несколько возможностей регуляции скорости ферментных реакций в организме:

1. Изменение скорости синтеза ферментов (этот механизм требует длительного отрезка времени).
2. Увеличение доступности субстрата и фермент путём изменения проницаемости клеточных мембран.
3. Изменение активности ферментов, уже имеющихся в клетках и тканях. Этот механизм осуществляется с большой скоростью и носит обратимый характер.

В многоступенчатых ферментативных процессах выделяют регуляторные, ключевые ферменты, которые ограничивают суммарную скорость процесса. Чаще всего это ферменты начальной и конечной стадий процесса. Изменение активности ключевых ферментов происходит по различным механизмам.

1. Аллостерический механизм:

1. Изменение олигомерности фермента:

Мономеры не активные ↔ олигомеры активные

1. Фосфолирирование - дефосфорилирование:

Фермент (неактивный) + Н 3 РО 4 ↔ фосфорилированный активный фермент.

В клетках широко распространён авторегуляторный механизм. Авторегуляторным механизмом является, в частности, ретроингибирование, при котором продукты ферментативного процесса угнетают ферменты начальных стадий. Например, высокие концентрации пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов угнетают начальные в стадии их синтеза.

Иногда исходные субстраты активируют конечные ферменты, на схеме: субстрат А активирует F 3 . Например, активная форма глюкозы (глюкозо-6-фосфат) активирует конечный фермент синтеза гликогена из глюкозы (гликогенсинтетазу).

Структурная организация ферментов в клетке

Слаженность обменных процессов в организме возможна благодаря структурной разобщенности ферментов в клетках. Отдельные ферменты располагаются в тех или иных внутриклеточных структурах – компартментализация. Например, в плазматической мембране активен фермент калий - натриевая АТФ-аза. В митохондриях активны ферменты окислительных реакций (сукцинатдегидрогеназа, цитохромоксидаза). В ядре активны ферменты синтеза нуклеиновых кислот (ДНК-полимераза). В лизосомах активны ферменты расщепления различных веществ (РНК - аза, фосфатаза и другие).

Ферменты, наиболее активные в данной клеточной структуре, называются индикаторными или маркерными ферментами. Их определение в клинической практике отражает глубину структурных повреждений ткани. Некоторые ферменты объединяются в полиферментные комплексы, например, пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК), осуществляющий окисление пировиноградной кислоты.

Принципы обнаружения и количественного определения ферментов:

Обнаружение ферментов основано на их высокой специфичности. Ферменты обнаруживают по производимому ими действию, т.е. по факту протекания той реакции, которую катализирует данный фермент. Например, амилазу обнаруживают по реакции расщепления крахмала до глюкозы.

Критериями протекания ферментативной реакции могут быть:

• исчезновение субстрата реакции
• появление продуктов реакции
• изменение оптических свойств кофермента.

Количественное определение ферментов

Так как концентрация ферментов в клетках очень низка, то определяют не их истинную концентрацию, а о количестве фермента судят косвенно, по активности фермента.

Активность ферментов оценивают по скорости ферментативной реакции, протекающей в оптимальных условиях (оптимум температуры, РН, избыточно высокая концентрация субстрата). В этих условиях скорость реакции прямо пропорциональна концентрации фермента (V = K 3 [ F 0 ]).

Единицы активности (количества) фермента

В клинической практике используют несколько единиц активности фермента.

1. Международная единица – то количество фермента, которое катализирует превращение 1 микромоля субстрата за минуту при температуре 25 0 С.
   1. Катал (в системе СИ) – то количество фермента, которое катализирует превращение 1 моля субстрата за секунду.
   2. Удельная активность – отношение активности фермента к массе белка фермента.
   3. Молекулярная активность фермента показывает, сколько молекул субстрата превращается под действием 1 молекулы фермента.

Клиническая ферментология

Применение сведений о ферментах в медицинской практике составляет раздел медицинской энзимологии. Она включает 3 раздела:

1. Энзимодиагностика
   1. Энзимопотология
      1. Энзимотерапия

Энзимодиагностика – раздел, изучающий возможности исследования активности ферментов для диагностики заболеваний. Для оценки повреждения отдельных тканей используют органоспецифические ферменты, изоферменты.

В педиатрической практике при проведении ферментодиагностики необходимо учитывать детские особенности. У детей активность некоторых ферментов выше, чем у взрослых, Например, высокая активность ЛДГ отражает преобладание анаэробных процессов в раннем постнатальном периоде. Содержание трансаминаз в плазме крови детей повышено в результате увеличенной сосудисто-тканевой проницаемости. Активность глюкоза-6-фосфатдегидрогеназы увеличена в результате усиленного распада эритроцитов. Активность других ферментов, наоборот, ниже, чем у взрослых. Например, активность пепсина, ферментов поджелудочной железы (липазы, амилазы) снижена в силу незрелости секреторных клеток.

С возрастом возможно перераспределение отдельных изоферментов. Так, у детей преобладает ЛДГ 3 (более анаэробная форма), а у взрослых ЛДГ 2 (более аэробная форма).

Энзимопатология – раздел ферментологии, изучающий заболевания, ведущим механизмом развития которых является нарушение активности ферментов. К ним относятся нарушения обмена углеводов (галактоземия, гликогенозы, мукополисахаридозы), аминокислот (фенилкетонурия, цистинурия), нуклеотидов (оротатацидурия), порфиринов (порфирии).

Энзимотерапия – раздел ферментологии, изучающий применение ферментов, коферментов, активаторов, ингибиторов с лечебными целями. Ферменты могут применяться с заместительной целью (пепсин, ферменты поджелудочной железы), с литической целью для удаления некротических масс, тромбов, для разжижения вязких экссудатов.

Литература

1. Авдеева, Л.В. Биохимия: Учебник / Л.В. Авдеева, Т.Л. Алейникова, Л.Е. Андрианова; Под ред. Е.С. Северин. - М.: ГЭОТАР-МЕД, 2013. - 768 c.

2. Ауэрман, Т.Л. Основы биохимии: Учебное пособие / Т.Л. Ауэрман, Т.Г. Генералова, Г.М. Суслянок. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 400 c.

3. Базарнова, Ю.Г. Биохимические основы переработки и хранения сырья животного происхождения: Учебное пособие / Ю.Г. Базарнова, Т.Е. Бурова, В.И. Марченко. - СПб.: Просп. Науки, 2011. - 192 c.

4. Баишев, И.М. Биохимия. Тестовые вопросы: Учебное пособие / Д.М. Зубаиров, И.М. Баишев, Р.Ф. Байкеев; Под ред. Д.М. Зубаиров. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. - 960 c.

5. Бокуть, С.Б. Биохимия филогенеза и онтогенеза: Учебное пособие / А.А. Чиркин, Е.О. Данченко, С.Б. Бокуть; Под общ. ред. А.А. Чиркин. - М.: НИЦ ИНФРА-М, Нов. знание, 2012. - 288 c.

6. Гидранович, В.И. Биохимия: Учебное пособие / В.И. Гидранович, А.В. Гидранович. - Мн.: ТетраСистемс, 2012. - 528 c.

7. Голощапов, А.П. Генетико-биохимические аспекты адаптации человека к условиям города с развитой химической промышленностью / А.П. Голощапов. - М.: КМК, 2012. - 103 c.

8. Гунькова, П.И. Биохимия молока и молочных продуктов / К.К. Горбатова, П.И. Гунькова; Под общ. ред. К.К. Горбатова. - СПб.: ГИОРД, 2010. - 336 c.

9. Димитриев, А.Д. Биохимия: Учебное пособие / А.Д. Димитриев, Е.Д. Амбросьева. - М.: Дашков и К, 2013. - 168 c.

10. Ершов, Ю.А. Общая биохимия и спорт: Учебное пособие / Ю.А. Ершов. - М.: МГУ, 2010. - 368 c.

11. Ершов, Ю.А. Основы биохимии для инженеров: Учебное пособие / Ю.А. Ершов, Н.И. Зайцева; Под ред. С.И. Щукин. - М.: МГТУ им. Баумана, 2010. - 359 c.

12. Камышников, В.С. Справочник по клинико-биохимической лабораторной диагностике: В 2 томах. В 2-х т.Справочник по клинико-биохимической лабораторной диагностике: В 2 томах / В.С. Камышников. - Мн.: Беларусь, 2012. - 958 c.

13. Клопов, М.И. Биологически активные вещества в физиологических и биохимических процессах в организме животного: Учебное пособие / М.И. Клопов, В.И. Максимов. - СПб.: Лань, 2012. - 448 c.

14. Михайлов, С.С. Спортивная биохимия: Учебник для вузов и колледжей физической культуры / С.С. Михайлов. - М.: Сов. спорт, 2012. - 348 c.

15. Репников, Б.Т. Товароведение и биохимия рыбных товаров: Учебное пособие / Б.Т. Репников. - М.: Дашков и К, 2013. - 220 c.

16. Рогожин, В.В. Биохимия молока и мяса: Учебник / В.В. Рогожин. - СПб.: ГИОРД, 2012. - 456 c.

17. Рогожин, В.В. Биохимия растений: Учебник / В.В. Рогожин. - СПб.: ГИОРД, 2012. - 432 c.

18. Рогожин, В.В. Практикум по физиологии и биохимии растений: Учебное пособие / В.В. Рогожин, Т.В. Рогожина. - СПб.: ГИОРД, 2013. - 352 c.

19. Таганович, А.Д. Патологическая биохимия: Монография / А.Д. Таганович. - М.: БИНОМ, 2013. - 448 c.

20. Филиппович, Ю.Б. Биохимические основы жизнедеятельности человека: Учебное пособие для студентов вузов / Ю.Б. Филиппович, А.С. Коничев, Г.А. Севастьянова, Н.М. Кутузова. - М.: ВЛАДОС, 2005. - 407 c.

21. Щербаков, В.Г. Биохимия и товароведение масличного сырья / В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов. - М.: КолосС, 2012. - 392 c.

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>
3791.		Рыночный механизм: сущность, структура, функции	86.49 KB
	Рыночный механизм - это механизм взаимодействия продавцов и покупателей по поводу установления цен, объемов производства, его структуры и качества продукции, это механизм распределения ресурсов и доходов на основе объективных экономических законов рынка.
5233.		Сегнетоэлектрики – структура свойства и применение	2.33 MB
	Сегнетоэлектрики – диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью, т. е. поляризованностью в отсутствие внешнего электрического поля. Свое название сегнетоэлектрики получили от названия минерала
7848.		Семейство ретровирусов. ВИЧ, его свойства, антигенная структура. Эпидемиология и патогенез ВИЧ-инфекции, методы диагностики. Проблемы лечения и специфической профилактики ВИЧ-инфекции	16.75 KB
	ВИЧ его свойства антигенная структура. Эпидемиология и патогенез ВИЧинфекции методы диагностики. Проблемы лечения и специфической профилактики ВИЧинфекции Специальность – Лечебное дело Подготовила преподаватель – Коледа В. Минск Актуализация темы: ВИЧинфекция инфекционный процесс в организме человека вызываемый вирусом иммунодефицита человека ВИЧ характеризующийся медленным течением поражением иммунной и нервной систем последующим развитием на этом фоне оппортунистических инфекций...
3755.		Действия над числами	16.02 KB
	При сложении двоичных чисел в каждом разряде в соответствии с таблицей двоичного сложения производится сложение двух цифр слагаемых или двух этих цифр и 1, если имеется перенос из соседнего младшего разряда
10885.		Следственные действия	41.97 KB
	В других случаях когда акцент делался на познавательный аспект следственными именовались лишь те действия которые служили способами исследования обстоятельств дела и установления истины. По поручению следователя представляемому в установленном в уголовнопроцессуальном законе порядке отдельные следственные действия по делу находящемуся в его производстве могут производить органы дознания или другие следователи. Как правило следственные действия производятся по инициативе следователя или лица производящего дознание.
5406.		Психологическая характеристика группового действия	16.13 KB
	ассматриваемые нами явления можно разделить на три основные группы: характеристики группы как субъекта действия, основанные на самосознании группы, характеристики морально-психологических отношений в процессе группового действия
533.		Сочетание действия вредных факторов	4.94 KB
	Установлено что токсичность ядов может усиливаться как при повышении так и при понижении температуры воздуха. Расширение сосудов кожи и слизистых повышает скорость всасывания токсических веществ через кожу и дыхательные пути Усиление токсического действия при повышенных температурах воздуха отмечено в отношении многих летучих ядов паров бензина и ртути оксидов азота и других. Причиной этого служит усиление процессов гидролиза повышение задержки ядов на поверхности слизистых оболочек изменение агрегатного состояния ядов. При повышенном...
7422.		ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕЙСТВИЯ ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА БИОСИСТЕМЫ	1.34 MB
	В результате выполнения дипломной работы изучена реакция волютиновых гранул на геогелиофизические воздействия. Получены графики, выражающие зависимости типа реакции метахромазии от различных гелиофизических факторов. Наблюдение 3 типа реакции метахромазии зачастую происходит спустя 2-3 суток после максимумов Ар, Кр индексов геомагнитной возмущенности. Получены данные корреляционных зависимостей по Пирсону
3643.		Принципы действия угол. закона в пространстве	2.96 KB
	Это вопрос опредия территории на которой применяется УЗ. Лицо совершившее ПРе на территории РФ подлежит угол. Граждане РФ и постоянно проживающие в РФ лица без гражданства совершившие ПРе вне пределов РФ подлежат УО по УК если совершенное ими деяние признано ПРем в госве на территории которого оно было совершено и если эти лица не были осуждены в иностранном госве. При осуждении указанных лиц наказе не может превышать верхнего предела санкции предусмотренной законом иностранного госва на территории кго было совершено ПРе.
17448.		Исследование овощеочистительной машины периодического действия МОК-250	364.1 KB
	Пища является одной из основ в жизни людей как источник энергии для жизнедеятельности организма человек должен питаться от 1 до 5 раз в день. Полноценная пища её рацион содержит все незаменимые элементы пищи это такие элементы которые пища должна включать для того чтобы обеспечить нормальное функционирование организма человека. Раздел Безопасность жизнедеятельности уделяет особое внимание технике безопасности а также всем мерам принимаемым для того чтобы работа на исследуемой машине приносила как можно меньше вреда и опасности...

Введение

Ферме́нты, или энзи́мы (от лат. fermentum, греч. ζύμη, ἔνζυμον - закваска) - обычно белковые молекулы или молекулы РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах. Реагенты в реакции, катализируемой ферментами, называются субстратами, а получающиеся вещества - продуктами. Ферменты специфичны к субстратам (АТФаза катализирует расщепление только АТФ, а киназа фосфорилазы фосфорилирует только фосфорилазу).

Ферментативная активность может регулироваться активаторами и ингибиторами (активаторы - повышают, ингибиторы - понижают).

Белковые ферменты синтезируются на рибосомах, а РНК - в ядре.

Термины «фермент» и «энзим» давно используют как синонимы (первый в основном в русской и немецкой научной литературе, второй - в англо- и франкоязычной).

Наука о ферментах называется энзимологией, а не ферментологией (чтобы не смешивать корни слов латинского и греческого языков).

Механизм действия ферментов

Структура и функции ферментов, а также механизм их действия почти ежегодно подробно обсуждаются на многих международных симпозиумах и конгрессах. Важное место отводится рассмотрению структуры всей молекулы фермента и ее активных центров, молекулярному механизму действия различных типов ферментов, общей теории энзиматического катализа. Тем не менее до сих пор нет полной ясности по двум кардинальным проблемам энзимологии: чем вызваны специфичность действия и высокая каталитическая эффективность ферментов?

До установления химической природы ферментов гипотезы о механизме их действия опирались на исследования кинетики и модельные опыты химического гомогенного катализа. Повышение скорости химических реакций под действием ферментов объясняли следующим: а) активированием субстрата в результате образования адсорбционных или молекулярных, обратимо диссоциирующих фермент-субстратных комплексов; б) цепным механизмом реакций с участием радикалов или возбужденных молекул. Оказалось, что цепные механизмы реакции не играют существенной роли в биологическом катализе. После установления химической природы ферментов подтвердилось представление, выдвинутое более 80 лет назад В. Анри, Л. Михаэлисом и М. Ментен, о том, что при энзиматическом катализе фермент Е соединяется (в принципе обратимо) со своим субстратом S, образуя нестойкий промежуточный фермент-субстратный комплекс ES, который в конце реакции распадается с освобождением фермента и продуктов реакции Р. Благодаря высокому сродству связывания и образованию ES-комплекса резко возрастает число молекул субстрата, вступающих в реакции. Эти представления легли в основу теории «ключа-замка» Э. Фишера, которую иногда называют теорией «жесткой матрицы». Таким образом, жесткая структура активного центра оказывается комплементарной молекулярной структуре субстрата, обеспечивая тем самым высокую специфичность фермента.

Л. Михаэлис не только постулировал образование промежуточного фермент-субстратного ES-комплекса, но и рассчитал влияние концентрации субстрата на скорость реакции. В процессе реакции различают несколько стадий: присоединение молекулы субстрата к ферменту, преобразование первичного промежуточного соединения в один или несколько последовательных (переходных) комплексов и протекающее в одну или несколько стадий отделение конечных продуктов реакции от фермента. Это можно схематически проиллюстрировать следующими примерами:

Фермент вступает во взаимодействие с субстратом на очень короткий период, поэтому долгое время не удавалось показать образование такого комплекса. Прямые доказательства существования фермент-субстратного комплекса были получены в лабораториях Д. Кейлина и Б. Чанса. В настоящее время экспериментальные и математические методы кинетики, термодинамики и статической механики химических реакций позволяют определить для ряда ферментативных реакций кинетические и термодинамические показатели, в частности константы диссоциации промежуточных фермент-субстратных комплексов, константы скорости и равновесия их образования.

В образовании фермент-субстратных комплексов участвуют водородные связи, электростатические и гидрофобные взаимодействия, а в ряде случаев также ковалентные, координационные связи. Информация о природе связей между субстратом и связывающим участком активного центра фермента может быть получена методами ЭПР и ЯМР, а также методами УФ- и ИК-спектроскопии.

Для каталитической активности фермента существенное значение имеет пространственная структура, в которой жесткие участки α-спиралей чередуются с гибкими, эластичными линейными отрезками, обеспечивающими динамические изменения белковой молекулы фермента. Этим изменениям придается большое значение в некоторых теориях ферментативного катализа. Так, в противоположность модели Э. Фишера «ключ-замок» Д. Кошлендом была разработана теория «индуцированного соответствия», допускающая высокую конформационную лабильность молекулы белка-фермента и гибкость и подвижность активного центра. Эта теория была основана на весьма убедительных экспериментах, свидетельствующих о том, что субстрат индуцирует конформационные изменения молекулы фермента таким образом, что активный центр принимает необходимую для связывания субстрата пространственную ориентацию. Иными словами, фермент только в присутствии (точнее, в момент присоединения) субстрата будет находиться в активной (напряженной) Т-форме в отличие от неактивной R-формы (рис. 1).

Рис. 1. Изменения структуры активного центра фермента, вызванные субстратом, согласно модели «индуцированного соответствия» Д. Кошленда.

А, В, С - функциональные группы активного центра; 1 - активный комплекс;

2 - неактивный комплекс.

На рис. 1 видно, что присоединение субстрата S к ферменту Е, вызывая соответствующие изменения конформации активного центра, в одних случаях приводит к образованию активного комплекса, в других – неактивного комплекса вследствие нарушения пространственного расположения функциональных групп активного центра в промежуточном комплексе. Получены экспериментальные доказательства нового положения о том, что постулированное Д. Кошлендом «индуцированное соответствие» субстрата и фермента создается не обязательно изменениями конформации белковой молекулы, но также геометрической и электронно-топографической перестройкой молекулы субстрата.

В каталитическом процессе существенное значение имеют точное соответствие между ферментом и субстратом, а также термодинамические и каталитические преимущества подобного соответствия. Гипотеза «индуцированного соответствия» предполагает существование между ферментом и субстратом не только пространственной или геометрической комплементарности, но и электростатического соответствия, обусловленного спариванием противоположно заряженных групп субстрата и активного центра фермента. Точное соответствие обеспечивает образование эффективного комплекса между субстратом и ферментом.

Подобно другим катализаторам, ферменты, с термодинамической точки зрения, ускоряют химические реакции за счет снижения энергии активации. Энергией активации называется энергия, необходимая для перевода всех молекул моля вещества в активированное состояние при данной температуре. Другими словами, это энергия, необходимая для запуска химической реакции, без которой реакция не начинается несмотря на ее термодинамическую вероятность. Фермент снижает энергию активации путем увеличения числа активированных молекул, которые становятся реакционноспособными на более низком энергетическом уровне (рис. 2).

Рис. 2. Энергетический механизм ферментативной и неферментативной химических реакций.

S - исходный субстрат; Р - продукт; ΔЕНФ -энергия активации неферментативной реакции; ΔЕФ - энергия активации ферментативной реакции; ΔG - стандартное изменение свободной энергии.

На рисунке видно, что ферментативная реакция имеет более низкую энергию активации. Следует отметить, что как катализируемая ферментом, так и не катализируемая им реакция независимо от ее пути имеет одинаковую величину стандартного изменения свободной энергии (ΔG). Действуя на скорость реакции, ферменты не изменяют равновесия между прямой и обратной реакциями, как и не влияют на величину свободной энергии реакции; они лишь ускоряют наступление равновесия химической реакции.

Зависимость между константой равновесия и изменением свободной энергии реагирующих веществ математически принято выражать уравнением ΔG = = –R T lnK, где R – газовая постоянная; Т – абсолютная температура в Кельвинах; lnК – натуральный логарифм константы равновесия; ΔG – стандартное изменение свободной энергии, Дж/моль. Из представленного уравнения вытекает, что при высоком значении К величина ΔG оказывается отрицательной. Подобные реакции сопровождаются уменьшением свободной энергии. При низком значении К величина ΔG оказывается положительной. Если константа равновесия равна единице, то изменение свободной энергии будет равно нулю и реакция легкообратима.

Для измерения константы равновесия и величины свободной энергии какой-либо химической реакции, например реакции взаимопревращения глюкозо-1-фосфата в глюкозо-6-фосфат, катализируемой ферментом фосфоглюкомутазой, определяют количество глюкозо-6- и глюкозо-1-фосфата при достижении химического равновесия. В состоянии равновесия содержание глюкозо-6-фосфата оказывается в 19 раз больше количества глюкозо-1-фосфата. Отсюда константа равновесия К равна 19. Подставляя эту цифру в уравнение, получаем ΔG = –7329 Дж/моль. Это означает, что при превращении 1 моля глюкозо-1-фосфата в 1 моль глюкозо-6-фосфата при температуре 25°С происходит уменьшение свободной энергии системы на 7329 Дж.

Таким образом, в механизме ферментативного катализа ведущую роль играют промежуточные фермент-субстратные комплексы, образование которых определяется как тонкой трехмерной структурой активного центра, так и уникальной структурной организацией всей молекулы фермента, обеспечивающими высокую каталитическую активность и специфичность действия биокатализатора.