Механизм действия ферментов. Раздел 1. Значение изучаемой темы
Глава 2. Ферменты
Раздел 1. Значение изучаемой темы
В организме практически нет реакций, которые не катализировались бы ферментами. Ферменты обеспечивают существование таких важнейших процессов жизнедеятельности, как реализация наследственной информации, биоэнергетика, синтез и распад биологических молекул. Изучение ферментов имеет огромное значение для любой фундаментальной и прикладной области биологии, пищевой и фармацевтической промышленности и медицины. Действие многих лекарственных препаратов основано главным образом на взаимодействии с ферментами. Успехи общей и молекулярной энзимологии способствуют развитию медицинской энзимологии, методологические подходы которой связаны с решением проблем энзимопатологии, энзимодиагностики и энзимотерапии. Наука о питании базируется на точных знаниях о расщеплении веществ под влиянием ферментов пищеварительного тракта. Многие проблемы наследственной патологии человека тесно связаны с дефектами или полным отсутствием синтеза специфических ферментов. Проблемы клеточного роста и развития, дифференцировки, физиологических функций (движение, перемещение в пространстве, транспорт веществ, процессы возбуждения и торможения и др.) определяются в большой степени работой ферментов. Все вышеперечисленное позволяет считать данную тему основой для изучения всех последующих тем.
Раздел 2. Сведения о ферментах
Общие сведения
Ферменты – это биологические катализаторы белковой природы.
Простые ферменты состоят только из аминокислот, а сложные – из двух частей: белковой (апофермент) и небелковой (кофактор).
Если кофактор прочно связан с апоферментом, он называется простетической группой, если непрочно – коферментом.
В отличие от неорганических катализаторов, ферменты:
- действуют в мягких условиях (tо=37оС, рН 7,4, давление 1атм);
- специфичны, т.е. катализируют определенные реакции. При абсолютной специфичности действуют на один субстрат (S), а при относительной специфичности действуют на определенный тип связи. Специфичность фермента обусловлена его конформацией.
- обладают высокой эффективностью;
- регулируются, то есть при определенных условиях работают с соответствующими данной ситуации скоростями.
Участок фермента, в котором происходит специфическое связывание субстрата и его превращение в продукт, называется активным центром.
У простых ферментов активный центр состоит из аминокислот. У сложных ферментов, кроме аминокислот, в состав активного центра входит кофактор.
По теории Фишера субстрат подходит к ферменту, как ключ к замку, то есть между конформацией активного центра и конформацией субстрата существует абсолютное пространственное соответствие.
Согласно теории Кошланда, активный центр фермента формируется окончательно при взаимодействии его с субстратом, то есть субстрат меняет активный центр в соответствии со своей формой в момент контакта с ферментом.
Механизм действия ферментов
Скорость химической реакции определяется энергией активации (Еакт). Энергией активации называется количество энергии в кдж, необходимое для того, чтобы все молекулы 1 моля вещества при определенной температуре достигли переходного состояния, соответствующего вершине энергетического барьера. В этой точке существует равная вероятность того, что достигшие ее молекулы вступят в реакцию с образованием продукта (Р) или вернутся обратно на уровень непрореагировавших молекул (S). Чем меньше энергия активации, тем легче (скорее) протекает реакция.
В присутствии фермента (Е) реакция (S Р) делится на несколько стадий.
1 2
S + E ES E + P
Вначале фермент (Е) взаимодействует с субстратом (S) с образованием фермент-субстратного комплекса (ЕS). Энергия активации этой стадии невелика, и комплекс образуется быстро.
На второй стадии происходит образование продукта (Р). Поскольку энергия ES-комплекса уже достаточно высока, то энергия активации второй стадии будет опять невелика и переходное состояние ES достигается быстро.
Этот механизм обеспечивается следующими факторами:
- сближение и ориентация реакционного центра субстрата под каталитическую группу фермента;
- напряжение и деформация как субстрата, так и фермента, приводящее к увеличению энергии фермент-субстратного комплекса, что делает невыгодным его существование;
- кислотно-основный или ковалентный катализ.
Свойства ферментов
Белковая природа ферментов определяет уникальные свойства этих катализаторов:
1. Активность ферментов зависит от температуры. При низких температурах активность ферментов низкая из-за небольшой скорости движения молекул, при этом вероятность встречи фермента с субстратом мала. При повышении температуры активность фермента возрастает. Оптимальные значения температуры для большинства ферментов находятся в пределах 20–40оС. Некоторые ферменты денатурируют уже при температуре около 40оС, но основная часть их инактивируется при температурах выше 40-50оС.
2. Активность ферментов зависит от рН среды. Для каждого фермента существует такая область рН (оптимум), в которой он проявляет максимальную активность. В этой зоне рН конформация фермента максимально соответствует субстрату. При снижении или увеличении рН от оптимума разрушаются связи, построенные на кислотно-основных взаимодействиях (водородные, ионные). Это приводит к изменению конформации фермента, а, следовательно, и активного центра. В результате активность фермента снижается. Таким образом, ацидоз и алкалоз вызывают снижение активности ферментов и, поэтому, опасны для жизни. Для большинства ферментов оптимум рН находится при рН 7,4.
3. Скорость ферментативной реакции зависит от концентрации субстрата. При низких концентрациях субстрата вероятность столкновения с молекулой фермента мала и образование продукта будет происходить очень медленно. С увеличением концентрации субстрата вероятность столкновения возрастает, скорость реакции увеличивается. Когда активные центры всех молекул фермента заполняются субстратом, скорость реакции становится постоянной (максимальной). Концентрация субстрата, при которой достигается максимальная скорость, называется насыщающей. Концентрация субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной, называется константой Михаэлиса (Км). Км характеризует сродство фермента к субстрату, то есть способность фермента связывать субстрат. Чем меньше Км, тем выше сродство.
4. Зависимость скорости реакции от концентрации фермента.
v
| |||
 |
E