Механизм действия ферментов

Ферменты обладают рядом каталитических свойств:

1) Не смещают каталитическое равновесие

2) Не расходуются в процессе реакции

3) Катализирую только термодинамически реальные реакции. Такими реакциями являются те в которых сходный энергетический запас молекул больше чем финальный.

Разница между Е этого порога и исходным есть энергия активации. Скорость ферментативных реакций определяется энергией активации и другими факторами.

Константа скорости химической реакции определяется по уравнению:

К=P*Z*e^{- (Ea/RT)}

К - константа скорости

Р – пространственный стерический коэффициент

Z – число взаимодействующих молекул

Е_а – энергия активации

R – газовая постоянная

Т – универсальная температура

е – основание натуральных логарифмов

В этом уравнении z, е, RT – постоянные величины. Р и Еа переменные. Причем между скоростью реакции (К) и давлением зависимость прямая. К и Еа – обратная и степенная зависимость. Чем ниже Еа тем выше скорость реакции.

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

Энергия активации.

Разложение Н₂О₂ без ферментов и катализаторов – 18 г/ккал на моль, если используется давление и температура то 12 000 ккал/моль. Если используется каталаза, то Еа=2 000 калл/моль.

Уменьшение Еа происходит в результате образования промежуточных фермент-субстратных комплексов. F+S <=> FS-комплекс → F + продукты реакции. Впервые возможность образование ферментных комплексов была доказана Михаэлисом, Ментеном. В последствии многие комплексы были выделены благодаря высокой избирательности ферментов при взаимодействии с субстратом: тория ключа и замка Фишера. Согласно теории фермент взаимодействует с субстратом абсолютно соответствуют друг другу (комплиментарно) как ключ и замок. Теория объясняла специфичность ферментов, но не раскрывала механизмы воздействия на субстрат и поэтому возникла теории индуцированного соответствия фермента и субстрата. Теория Кошланда (резиновой перчатки) ее суть активный центр фермента сформирован и содержит все функциональные группы еще до взаимодействия с субстратом. Однако эти функциональные группы находятся в неактивном состоянии. В момент присоединения с субстратом субстрат индуцирует изменения положения, структуру радикальных групп в активном центре фермента и активный центр под действием субстрата переходит в активное состояние и в свою очередь начинает воздействовать на субстрат т.е. происходит взаимодействие АЦ фермента и субстрата. В результате субстрат переходит в нестабильное неустойчивое состояние, в результате чего уменьшается энергия активации.

Взаимодействие фермента и субстрата различно это реакции нуклеофильного замещения, эелектрофильного замещения, дегидратация субстрата. Возможно ковалентное взаимодействие, а в основном происходит геометрическая переориентация функциональных групп активного центра. Второй показатель – ферменты увеличивающие стерический коэффициент.

Стерический коэффициент – вводится для реакции в которых участвуют крупные молекулы имеющие пространственную структуру. Стерический коэффициент – показывает долю удачных столкновений активных молекул.

Ферменты увеличивают стерический коэффициент так как они изменяют молекулы субстрата в фермент субстратном комплексе и комплиментарность возрастает.

2) До взаимодействия с ферментом молекулы располагаются хаотично, а после упорядочиваются.

Номенклатура ферментов.

Ферменты имеют несколько типов названий:

1) Тривиальные (трипсин, пепсин)

2) Рабочее номенклатура в этом названии присутсвует окончание –аза которое прибавляется:

· к названию субстрата (сахараза, амилаза),

· к виду связи на которую действует фермент (пептидаза, гликозидаза),

· к типу реакции, процесса (синтетаза, гидролаза).

У каждого фермента есть классификационное название в котором отражается тип реакции вид субстрата и кофермента например: ЛДГ – лактат-НАД⁺-окидоредуктаза.

Классификация ферментов.

1961 год согласно классификации расположен в определенном классе, подклассе, подподклассе и имеет порядковый номер. Поэтому каждый фермент имеет цифровой шифт первая цифра – класс, вторая – подкласс, третья – подподкласс, четвертая – порядковый номер (ЛДГ: 1,1,1,27). Все ферменты классифицируются на 6 классов.

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

Оксидоредуктазы.

Ферменты катализирующие окислительно-востановительные процессы. Общий фид реакции: А_ок + В_вос = А_вост+В_ок. Наиболее важный подкласс:

1.Дегидрогиназы, катализирует реакции путем отщепления водорода от окисляемого вещества они бывают аэробные (переносят водород на кислород) и анаэробные (переносят водород не на кислород, а на какое-то другое вещество).

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

3. Пероксидазы ферменты катализирующие окисление веществ при участии пероксидов.

Трансферразы.

Ферменты осуществляющие межмолекулярный перенос функциональных групп с одного вещества на другое АВ + С = А + ВС. Подклассы выделяют в зависимости от вида переносимых групп: аминотрансферразы, метилтрансферразы, сульфатрансферразы, ацилтрансферразы – переносят остатки жирных кислот, фосфотрансферразы – переносят остатки фосфорных кислот.

Гидролазы.

Катализирует разрыв химической связи с присоединением воды по месту разрыва то есть реакции гидролиза. АВ + НОН = АН + ВОН. Подклассы выделяют от вида разрываемых связей: пептидазы (пептин), гликозидазы - гликозидные связи (амилаза), эстеразы – сложноэфирные связи (липаза).

Лиазы.

Катализируют разрыв химической связи без присоединения воды по месту разрыва при этом в субстратах образуются двойные связи. АВ = А + В. Подклассы зависят от того между какими атомами разрывается связь и какие вещества образуются: альдолазы – разрывает связь медлу двумя атомами водорода например фруктоза 1,6-ди-фосфатальдолаза разрезает фруктозу и две триозы. К лиазам относят ферменты декарбоксилазы – они вырезают углекислый газ. Дегидротазы – вырезают молекулы воды.

Изомеразы.

Катализируют взаимопревращения различных изомеров. Фосфогексоизимераза переводит фруктозу в глюкозу, подклассы – мутазы (фосфоглюуомутаза переводит глюкозу 1 фосфат), эпимеразы переводят рибозу в ксилулозу, таутомеразы

Синтетазы (лигазы).

Это ферменты катализирующие реакции синтеза новых веществ за счет энергии АТФ, А+В+АТФ = АВ. Глютаминсинтетаза соединяется (глю+NH₃+АТФ = глютамин).

Свойства ферментов.

Ферменты помимо общих с неорганическими катализаторами свойств имеют определенные отличия от неорганических катализаторов, к ним относится:

1. более высокая активность
2. более высокая специфичность
3. более мягкие условия для катализа
4. способность к регуляции активность

1. Высокая каталитическая активность. Примером является одна молекула карбоангидразы, которая за одну минуту катализирует (расщепляет) 36 миллионов молекул Н₂СО₃. Это высокая активность объясняется механизмами их действия так как они уменьшают энергию активации и увеличивает пространственный период (стерический коэффициент). Высокая активность ферментов имеет важное значение, состоящее в том что они обеспечивают высокую скорость химических реакций в нашем организме.

2. Высокая специфичность. Все ферменты обладают специфичностью, однако степень специфичности в разных ферментах различны, могут быть следующие виды:

Абсолютная – фермент действует только на одно определенное вещество например уреаза расщепляет только мочевину.

Абсолютная групповая – фермент вызывает один и тот же каталитический эффект у группы соединений. При групповой специфичности ферменты действуют на группу близких субстратов например алкогольдегидрогеназа окисляет не только С₂Н₅ОН, но и его гомологи (этиловый, бутиловый и другие спирты).

Относительная групповая –идет катализ разных классов органических веществ (трипсин проявляет пептидазную активность белка и эстеразную в сложных эфирах).

Стереохимическая – (оптическая специфичность) расщепляется только определенная форма изомеров (D, L формы, α, β, цис-, тарнс-). Наприер: ЛДГ действует только на L-лактат, L-амино-кислот-оксидазы действуют на L-изомеры.

Высокая специфичность объясняется уникальной структурой активного центра.

Термолябильность.

Это зависимость активности ферментов от температуры. При высокой температуре от 0 до 40 активность ферментов растет согласно правилу Вант-Гоффа: при возрастании температуры на 10 градусов скорость реакции возрастает в 2 – 4 раза. При дальгнейшем повышении температуры активность ферментов начинает снижаться, что объясняется тепловой денатурацией беловой молекулой фермента. Графически:

Инактивация фермента при 0 градусов обратима, а при высокой температуре инактивация необратима. Это свойство определяет максимальную скорость реакции, что в условиях температуры тела человека. Это свойство находит практическое применение например: при проведении ферментативной реакции в пробирке, необходимо создать максимальную температуру. Это может быть применено в криохирургии, когда сложная операция проводится при снижении температуры тела и это замедляет скорость реакции. Хранить ферментативные препараты надо при пониженной температуре. Для обезвреживания, обеззараживания микроорганизмов используют высокие температуры.

Фотолябильностью.

Зависимость активности от УФЛ. УФЛ вызывает фотоденатурацию белковых олекул и уменьшает активность ферментов и это используют для бактерицидного эффета.

Зависимость активности от рН.

У всех ферментов есть определенный интервал рН в котором активность фермента максимальна - оптимум рН. Для многих ферментов оптимум около 7 у пепсина 1-2, для фермента щелочная фосфатаза около 9. При отклонении рН от оптимума активность фермента снижается это свойство объясняется изменением ионизации ионогенных групп в молекулах фермента, что ведет к изменению ионной связи в молекуле белка. Это ведет к изменению конформаци молекулы фермента, а это ведет к изменению активности. рН зависимость определяет максимальную активность ферментов в условиях организма. Это всойство находит и практическое применение. При сиженной кислотоности желудка назначают раствор НСl.