Общие представления о катализе

История открытия и изучения ферментов.

Структурно- функциональная организация ферментов.

Понятие специфичности. Ингибиторы ферментов, характеристика типов ингибрования

Ферменты - высоко специализированная группа макромолекул, преимущественно белковой природы, выполняющие функцию катализаторов (то есть способностью к ускорению химических реакций) и за счет этого участвующих в обеспечении жизненных процессов.

История открытий:

Ванн Гельм в начале 18 века – выдвинул гипотезу о ферментах.

Споланский и Реотефе –проделали опыт по перевариванию мяса.

1836г - Шванн обнаружил пепсин.

1814г - Киргоф доказал возможность расщепления при температуре сахара. 1907г - Байен и Берсо также занимались изучением.

1962г - Фашелевский выделил пепсин и амилазу из сока поджелудочной железы.

Пастер отстаивал теорию, что ферменты есть неотъемлемая часть живых организмов, но другие не верили. Он называл их организованными микроорганическими энзимами – веществами , которые сбраживают неорганизованные ферменты.

1894г - Решар выдвинул гипотезу «ключ – замок».

1902г - Браези и 1903г Анеми предположили, что в основе ферментативного катализа лежит гипотеза «ключ- замок».

1913г - разработана генетическая теория ферментов, выделение в кристаллическом виде уреазы.

с 1937г - начало систематического исследования внутриклеточных ферментов.

Общие представления о катализе

Вероятность протекания химической реакции определяется разницей между свободной энергией исходных веществ и продуктов реакции. Если свободная энергия выше исходных веществ, чем у продуктов ( т.е.DG отрицательна), то возможно самопроизвольное течение реакции ( реакция экзергоническая). Обратное соотношение в показателях свободной энергии говорит об энергетической невозможности реакции ( реакция эндергоническая). Однако, энергетическая возможность протекания экзергонической реакции абсолютно ничего не говорит о том, какова будет скорость этой реакции. Например, реакция сгорания бензина в присутствии кислорода является резко экзергонической, но при обычной температуре окисление углеводородов бензина кислородом идет настолько медленно, что его трудно зарегистрировать. Достаточно же небольшого нагревания, т.е. какого то дополнительного количества энергии, как бензин воспламеняется и реакция сгорания ( превращения реагентов в продукты) протекает самопроизвольно с большой скоростью.

Скорость экзергонической реакции зависит от энергетического барьера, который необходимо преодолеть реагирующим веществам, причем высота этого барьера неодинакова для разных реакций.

Кинетическая энергия реакционноспособных молекул достаточна для преодоления этого барьера. Для характеристики скорости химических реакций Аррениус ввел понятие об энергии активации, или свободной энергии активации. Свободной энергией активации называется дополнительное количество энергии ( например, нагревание в приведенном выше случае с горением бензина), которое необходимо сообщить молекулам вещества, чтобы они преодолели энергетический барьер реакции, т.е. вступили в реакцию. В обычных условиях лишь небольшая доля молекул обладает необходимой кинетической энергией, способной преодолеть энергетический барьер.

Диаграмму изменения свободной энергии в ходе химической реакции можно представить в виде графика. Чем выше энергия активации, тем выше барьер и тем медленнее протекает реакция.

Фермент ( или катализатор) не влияет на изменение свободной энергии исходных веществ и продуктов реакции, те. энергетическая возможность реакции, определяемаяDG, не зависит от фермента. Фермент понижает энергию активации реакции Е_а, т. е. снижает высоту барьера, в результате возникает доля реакционно способных молекул, а значит, увеличивается и скорость реакции. Чем больше снижается энергия активации, тем эффективнее действует катализатор и тем больше ускоряется реакция. Каждый фермент, как и любой катализатор, имеет свой предел ускорения реакции.

Структура ферментов.

Большинство ферментов являются белками. Были выделены несколько ферментов – рибозины, образованные рнк. Для ферментов характерны все свойства белков.выделяют:

-первичная структура-последовательность аминокислот в цепи .число аминокислот варьирует: для мономерных - 100-300аминокислот, а молекулярная масса -12-50 кД. После синтеза на рибосомах цепь укладывается в компактную структуру.

-вторичная структура - глобула .цепь образует локально упорядочные области( альфа или бета),которые перемешаны беспорядочными участками. Ядро – гидрофобно, заряд - на поверхности. Плотность упаковки составляет – 0,75 (близко к углеводородам и воску).

-третичная структура - стабилизация водородными связями как внутри альфа,так и бета,гидрофобное взаимодействие радикалов, электростатическое взаимодействие S-S связей. основные принципы – является минимальное значение энтропии. На этот способ упаковки влияет pH, ионная сила, диэлектрическая проницаемость растворителя.

Некоторые ферменты могут иметь в своем составе несколько цепей в пределах одной глобулы. В начале как первичная цепь, а в процессе созревания происходит ограниченный протолиз с удалением участков цепи.

-четвертичная структура - состоит из нескольких не ковалентно связанных между собой субъединиц. количество их 2-8, а молекулярная масса несколько тысяч кД. Количество активных центров равно числу субъединиц.

Олигомерный фермент – он не активен, состоит из 4 субъединиц. Внутри клеток некоторые ферменты образуют мультиферментные системы, которые располагаются либо в цитоплазме, либо связанны с мембраной.

Мультиферментный комплекс – это комплекс, состоящий из разных ферментов. Эти ферменты составляют цепь из разных реакций.

12-16 аминокислот образуют активный центр. он имеет форму кармана, который сферически соответствует субстрату.основные функциональные группы, участвующие в катализе:

- СООН,

- NH₂,

- OH,

-SH,

-имидогруппа,

-гидрофобные группы и другие.

В каталитическом центре выделяют каталитический участок и контактный участок. Каталитический участок обеспечивает правильное присоединение субстрата. в состав активного центра входит не белковый компонент- кофактор. Имеется центр для связи лигандов – аллостерический центр. Активный центр образуют аминокислоты, которые находятся далеко друг от друга.

сложные ферменты образованны белковой и небелковой частями. Белковая часть называется апофермент, небелковая часть кофактор, а весь комплекс хомоэнзим. Кофактор прочно ковалентными связями привязан к белку и называется простетической группой. Если этот комплекс легко удаляется, то тогда он называется кофермент ( коэнзим ). Он может поступать в качестве субстрата, образовывать комплексы или может поступать как донор или акцептор функциональных групп. Чаще всего это витамины или ионы металла.