Каким свойствами обладают ферменты биология

Ферменты обладают всеми свойствами, присущими катализаторам: специфичность действия, зависимость от pH и температуры среды, активность в чрезвычайно малых концентрациях. Специфичность ферментов проявляется как способность катализировать определенный тип химической реакции, так и способность взаимодействовать с определенным субстратом или группой субстратов, близких по химическому строению. По признаку специфичности действия ферменты можно разделить на две группы: ферменты, обладающие абсолютной специфичностью, и ферменты, обладающие относительной специфичностью.

Абсолютная специфичность наблюдается в случае, если фермент действует лишь на единственный субстрат и катализирует лишь одно определенное превращение данного вещества. Примером фермента, обладающего абсолютной специфичностью, является фумараза, которая участвует лишь в превращении фумаровой кислоты в яблочную:

К абсолютной специфичности следует отнести и стереохи- мическую (оптическую) специфичность. В этом случае ферменты способны различать конфигурацию оптических изомеров (D- или L-форму). Например, лактатдегидрогеназа (ЛДГ) катализирует реакцию окисления только L-молочной кислоты:

Большая группа ферментов в организме обладает относительной или групповой специфичностью. Например, различные протеолитические ферменты способны расщеплять пептидные связи любых полипептидов. Другим примером ферментов с относительной специфичностью является липаза. Этот фермент способен катализировать расщепление любого жира, поскольку относится к эстеразам, катализирующим расщепление сложноэфирных связей различных видов жиров.

Свойство специфичности ферментов широко используется в лабораторной практике для определения концентрации в крови различных веществ. Ферментативные методы определения концентраций веществ в биологических жидкостях являются в настоящее время наиболее точными.

Скорость ферментативной реакции зависит от температуры среды. Оптимальная активность реакции для большинства ферментов наблюдается при температуре тела животного (37-42°С). При повышении температуры до 50°С, согласно закону ускорения химических реакций, увеличивается активность большинства ферментов. Дальнейшее повышение температуры до 80°С приводит к резкому снижению скорости реакции вплоть до полного прекращения. Это объясняется тем, что при высокой температуре наступает тепловая денатурация белка-фермента, который теряет свою активность. При температуре 100°С почти все ферменты полностью денатурируют, теряя свою активность. Однако отдельные ферменты составляют исключение из этого правила; так каталаза активна при 0-10°С, а мышечная миокиназа, чистый пепсин, выдерживают нагревание до 100°С.

При низких температурах (0°С и ниже) ферменты теряют свою активность, но этот феномен остается обратимым. Учет температурного режима и его влияния на активность ферментов строго учитываются, в частности при организации искусственного осеменения животных.

Влияние величины pH на активность ферментов является многосторонним процессом. Большинство ферментов активно лишь в строгом интервале pH.

Следует полагать, что влияние pH на активность ферментов связано с влиянием концентрации водородных ионов в среде на степень ионизации свободных карбоксильных и аминогрупп белка-фермента и ионизацию субстрата. В свою очередь это оказывает влияние на прочность взаимосвязей фермента и субстрата, без чего невозможна реакция, катализируемая ферментами. У сложных ферментов изменение pH сказывается и на степени диссоциации кофермента и апофермента, действующих как единый комплекс. В случае отрыва кофермента от белка наступает инактивация фермента.

Ферменты имеют оптимум pH, при котором их активность является максимальной; при высокой или низкой величине pH активность фермента снижается. Большинство ферментов имеет оптимум pH, близкий к нейтральной среде (pH крови в среднем 7,1-7,4). Однако отдельные ферменты требуют для своей активности других определенных интервалов pH. Например, фермент желудочного сока пепсин активен при pH 1,0-2,5, ферменты поджелудочной железы (трипсин, химотрипсин) активны лишь при pH 7,5-8,0.

Учитывая несомненное влияние pH на активность ферментов, изучение различных иммунобиохимических показателей плазмы (сыворотки) крови выполняют с использованием буферных растворов с заранее заданной величиной pH.

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: