Какие общие свойства ферментов

К ферментам применимы три основных критерия, характерных для неорганических катализаторов:

1) они остаются относительно неизменными после реакции, то есть освобождаются вновь и могут реагировать с новыми молекулами субстрата;

2) ферменты оказывают свое действие в ничтожно малых концентрациях;

Например: 1 молекулареннина (содержится в слизистой оболочке желудка теленка) створаживает около 106 молекул казеиногена молока за 10 минутпри 37 0C;

3) наличие фермента (катализатора) не оказывает влияния как на величину константы равновесия, так и на изменения свободной энергии. Катализаторы лишь повышают скорость реакций (точку равновесия не сдвигают).

1. Термолабильность ферментов.Скорость химической реакции зависит от температуры. Реакции, катализируемые ферментами, так же чувствительны к изменениям температуры. Скорость химической реакции повышается в два раза при повышении температуры на 10 0C. Ускорение реакции идет до 45 0C, затем, в связи с денатурацией белка-фермента, снижается. При 100 0C почти все ферменты полностью утрачивают свою активность.

Оптимальной температурой для ферментов теплокровных является 37-40 0C. При низких температурах (0° и ниже) ферменты не разрушаются, не денатурируют, но активность их снижается до нуля рис. 4.3.).

Рис.4.3. Влияние температуры на скорость катализируемой ферментом реакции.

а – повышение скорости реакции как функция температуры;

б – понижение скорости реакции как функция денатурации белка-фермента; стрелка (→) указывает оптимум температуры.

2. Зависимость активности ферментов от рН среды.

Ферменты обычно активны в узких пределах значений рН, как правило, рН 6,0-8,0. Каждый фермент имеет свой оптимум рН. рН-оптимум действия ферментов лежит в пределах физиологических значений. Исключением является пепсин, рН-оптимум которого – 2,0. Объясняется это функцией пепсина, т.к. в желудочном соке содержится свободная соляная кислота, создающая кислое значение рН.

Влияние изменений рН среды на активность фермента заключается в том, что изменяется степень ионизации кислотных и основных групп (-COOH, -SH, имидазольной, -NH2 и т.д.).

При разных значениях рН активный центр может находиться в частично ионизированной или неионизированной форме, что сказывается на третичной структуре белка и соответственно на формировании активного фермент-субстратного комплекса (рис.4.4).

Рис.4.4. Влияние рН на скорость катализируемой ферментом реакции (стрелка указывает оптимум рН).

3. Специфичность ферментов.Ферменты обладают высокой специфичностью действия и этим существенно отличаются от неорганических катализаторов. Например: измельченная платина или палладий могут катализировать восстановление десятков соединений различной структуры. А фермент обычно проявляет свою активность только при полном соответствии активного центра и субстрата, только при «узнавании» обычно протекает одна высокоспецифичная реакция среди тысячи других химических реакций, осуществляемых в живой клетке. В зависимости от механизма действия различают ферменты с относительной или групповой и абсолютной специфичностью. Так, для действия некоторых гидролитических ферментов характерна относительная специфичность.

Например, пепсин расщепляет белки животного и растительного происхождения, хотя они могут отличаться по химическому строению, аминокислотному составу и физико-химическим свойствам. Однако пепсин не расщепляет жиры и углеводы; пепсин разрывает пептидную связь – СО–NH – между аминокислотами.

Липаза, катализирующая гидролиз жиров на глицерин и жирные кислоты, разрывает сложноэфирные связи. Аналогично групповой специфичностью обладают трипсин, химотрипсин, пептидазы, ферменты, гидролизирующие α-гликозидные связи в полисахаридах. Указанные ферменты пищеварительные, их групповая специфичность имеет биологический смысл.

Абсолютная специфичность – это способность фермента катализировать превращение только единственного субстрата. Например: аргиназа, расщепляющая в организме аргинин; уреаза, катализирующая распад мочевины и др.

Стереохимическая специфичность: оксидазы (аминокислот) действуют только на свой специфический стереоизомер – L- или D-аминокислот. Специфичностью обладают также ферменты, катализирующие синтетические реакции.

Ферменты – органические катализаторы белковой природы, обладающие специфической способностью к активированию других веществ. Они участвуют практически во всех реакциях, протекающих в живом организме, в процессах обмена между организмом и внешней средой.

Ферменты – каталитически активные белки. Как и все белки, они состоят из аминокислот, которые связаны между собой пептидной связью. Из-за большого количества аминокислот молекулярная масса ферментов составляет от 10000 до 100000.

Свойства белка определяются в большей мере последовательностью соединения аминокислот. От нее зависит также пространственная организация пептидных связей, которая называется конформацией. От конформации зависит, обладает ли белок каталитической активностью, т.е. является ли он ферментом.

Ферменты могут находиться в свободном или частично связанном состоянии. Ферменты, которые находятся в свободном состоянии (растворенные в клеточном соке) – экзоферменты. Они выделяются клеткой в окружающую среду, где проявляют свое ферментативное действие. Связанные ферменты адсорбированы клеточными структурами, входят в состав цитоплазмы и называются эндоферменты. Они проявляют свое действие лишь внутри живых клеток и в окружающую среду не выделяются.

Вещества, которые подвергаются под действием ферментов различным химическим превращениям, называются субстратами.

Круг реакций, катализируемых ферментами, очень широк (реакции гидролиза, поликонденсации, окисления-восстановления, дегидрирования и др.). Это обусловлено их свойствами.

Ферменты обладают следующими основными свойствами.

Высокая каталитическая активность.1 молекула фермента за 1 мин может прогидролизовать огромное число молекул субстрата. Активность ферментов намного превышает активность неорганических катализаторов. Например, разложение перекиси водорода на воду и кислород может происходить благодаря каталитическому действию ионов железа или же ферментом каталазой, который также содержит железо. Каталитическая активность каталазы намного превосходит каталитическую активность ионов железа. В результате 1 моль ионов железа при температуре 0 0С в течение 1 с разлагает 10 -5 молей перекиси водорода, а такое же количество фермента каталазы при тех же условиях – 10 5 молей перекиси водорода.

За единицу активности принимается такое количество фермента, которое превращает 1 моль субстрата в течение 1 сек (реже в течение 1 мин или 1 час) при заданной температуре (чаще всего 30 °С).

Строгая специфичность.Каждый фермент действует на один или несколько схожих по строению субстратов, т.е. каждый фермент действует на определенное вещество или на определенный тип химической связи в молекуле. Например, β-фруктофуранозидаза действует только на сахарозу и не действует на другие родственные дисахариды, например мальтозу.

Специфичность действия обусловлена структурными особенностями молекул субстрата и фермента, в частности его активным центром. Если бы ферменты не обладали высокой специфичностью, то не происходило бы упорядоченного обмена веществ в организме.

Большая лабильность, т.е.чувствительность к внешним воздействиям среды: температуре, рН, концентрации продуктов обмена веществ, активаторов, ингибиторов и т.д. Для каждого фермента имеется свой температурный оптимум, действие их ограничивается либо присутствием, либо отсутствием кислорода и т.д. Этим также отличаются ферменты от неорганических катализаторов.

Классификация ферментов

Все ферменты по строению подразделяются на два больших класса:

простые (однокомпонентные) – ферменты, состоящие исключительно из белка, обладающего каталитическими свойствами;

сложные (многокомпонентные) – ферменты, состоящие из белковой и небелковой части. Небелковая часть необходима для того, чтобы фермент обладал активностью.

Белковая часть молекулы называется ферон, а небелковая – простетической группой или коферментом (это активный центр фермента). Ферон оказывает решающее действие на специфичность фермента, а соединение белка с простетической группой приводит к огромному возрастанию его каталитической активности.

В качестве простетической группы могут быть: ионы металлов, витамины и их производные, комплексные органические соединения или металлоорганические соединения. Примером многокомпонентных ферментов являются каталаза и пероксидаза, в которых кроме белка содержится еще и простетическая группа, в состав которой входит железо.

Простетическая группа может быть очень прочно связана с белком и эта связь не разрушается даже при жестких воздействиях. В других случаях простетическая группа может быть легко отделена от своего белка. Белковый компонент сложного фермента, лишенный своей простетической группы, называется апоферментом. Это потенциальный фермент, который приобретает свою активность только после добавления к нему соответствующего кофермента. Роль коферментов очень велика. Они осуществляют перенос отдельных атомов и групп в ходе ферментативного превращения, служат «связными» между отдельными родственными ферментами и обеспечивают их согласованную деятельность.

По типу катализируемой реакции (избирательности) все ферменты делятся на 6 основных классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы. Классы в свою очередь делятся на подклассы. Каждому ферменту присваивается свой номер, состоящий из четырех цифр.

Первая указывает на основной класс, вторая и третья обозначают подклассы, которые точнее определяют тип катализируемой реакции, четвертая является порядковым номером фермента в подклассе. Например, 3.2.1.1. 3 – класс гидролазы; 3.2 – указывает на то, что данные ферменты действуют на гликозидные соединения; 3.2.1 – указывает на то, что эти ферменты действуют на D-гликозидные соединения; 3.2.1.1 – конкретный фермент 1,4-α-D- глюкан глюканогидролаза (α-амилаза).

Оксидоредуктазы – (окислительно-восстановительные ферменты). Катализируют реакции окисления и восстановления (перенос атомов и электронов водорода), которые происходят при дыхании и брожении. К этим ферментам относятся дегидрогеназы (катализирующие процесс дегидрирования – отщепление молекулы водорода); оксидазы (осуществляющие реакции окисления, например, полифенолоксидаза – окисление полифенолов); пероксидаза (окисление происходит с участием перекиси водорода); каталаза (катализирует распад перекиси водорода).

Трансферазы – катализируют перенос различных групп от одного субстрата на другой. Представителями этого класса являются: метилтрансферазы (переносчики метильных групп); ацилтрансферазы (переносчики ацильных групп – альдегидных или кетонных); киназы (переносчики фосфорных групп).

Гидролазы – катализируют расщепление различных сложных органических соединений на более простые с присоединением воды. К ним относятся протеолитические ферменты, гидролизующие белки; гликозидазы, гидролизующие углеводы (амилазы, цитазы, пектиназы).

Лиазы – разрывают связи С-С, С-О, C-N с образованием двойных связей или осуществляют присоединение по двойным связям. Лиазы принимают участие в процессах брожения, дыхания, фотосинтезе и расщеплении жиров. Под действием этих ферментов происходит отщепление воды, углекислого газа (углерод-кислород лиазы), аммиака (аммиак-лиазы) с образованием двойной связи.

Изомеразы – катализируют реакции изомеризации. Этот класс сравнительно небольшой. В отличие от трансфераз, изомеразы катализируют перенос групп только внутри молекулы. К ним относятся: внутримолекулярные оксидоредуктазы (катализируют взаимные превращения альдоз и кетоз, перемещают –С=С- связи); внутримолекулярные трансферазы (переносят фосфорно-эфирные группы).

Лигазы (синтетазы) – катализируют присоединение друг к другу двух различных молекул с участием АТФ-источника энергии. Эти ферменты катализируют синтез полисахаридов, жиров, белков, нуклеиновых кислот, а также ряд промежуточных продуктов обмена веществ. Этот класс очень важен для промышленного производства, так как позволяет синтезировать органические вещества заданного строения. К этим ферментам относятся лигазы, образующие С-О связи (ферменты, катализирующие присоединение остатков аминокислот к транспортной РНК); С-S связи (ферменты, катализирующие присоединение остатков органических кислот к коферменту А); С-N связи (глютаминсинтетаза – катализирующая реакцию синтеза глютамина из глютаминовой кислоты и аммиака); С-С связи (карбоксилазы – катализируют присоединение углекислого газа к различным органическим кислотам, таким образом, удлиняя органическую цепочку).

Механизм действия ферментов

Специфичность и каталитическая активность ферментов обусловлены его активным центром – это та часть молекулы фермента, к которой присоединяется субстрат.

Молекула фермента представляет собой белковое тело сложной пространствен-ной конфигурации (рисунок 1). Деятельность каждого струк-турного элемента молекулы строго специализирована. Отдельные функциональные группы белка участвуют в связывании субстрата и в осуществлении его превраще-ний. Совокупность таких групп и участков называют активным центром. Причем, молекула белка свернута таким образом, что эти группы оказываются сближенными и создают благоприятную комбинацию реакционно-способных центров и групп для взаимодействия с субстратом. Периферийные участки полипептидной цепи фермента ответственны за поддержание его специфической пространственной конфигурации и за формирование активного центра.

В самом активном центре функции отдельных групп строго специализированы. Активный центр состоит из каталитического центра и пространственного центра связывания. Первый отвечает за химическую природу катализируемой реакции (специфичность действия), второй – за сродство к субстрату (субстратную специфичность).

Активный центр находится в полости ферментного белка, которая связывает субстрат. Эта область называется контактной, или якорной, площадкой фермента. Эта область непосредственно взаимодействует с субстратом и играет роль «посадочной» площадки. Специфичность взаимодействия фермента с субстратом определяется в значительной мере тем, что по своим очертаниям площадка напоминает молекулу субстрата. Так как размер активного центра значительно меньше остальной части молекулы фермента, то в контакте с субстратом находятся определенные функциональные группы – каталитически активный центр фермента. Остальная часть играет роль в формировании фермента в процессе синтеза.

Катализируемая ферментом реакция начинается с узнавания субстрата, которое происходит в процессе связывания.

Первый этап ферментативной реакции __ связывание субстрата, его расположение на молекуле фермента. Перед контактированием с ферментом в молекуле субстрата происходят изменения формы, которая точно «подгоняется» к форме активного центра (как «ключ к замку». Это обеспечивает высокую скорость и полноту реакции.

Далее следует сама ферментативная реакция. Реакционно-способные группы активного центра атакуют связанный субстрат и осуществляют с ним то или иное химическое превращение. При этом происходит перестройка конформации пептидной цепи ферментного белка таким образом, что образуются дополнительные связи между субстратом и реакционно-способными функциональными группами белка, которые катализируют расщепление субстрата. Это обеспечивает высокую скорость и полноту реакции.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: