Ферменты
Энзимы-это биологические кат белковой природы.
Первый вопрос
Свойства ферментов:
Будучи белками, ферменты обладают всеми их свойствами.Сюда относятся: термолабильность ферментов, зависимость их действия от показателя рН среды, специфичность и подверженность влиянию активаторов и ингибиторов.
1.Термолабильность объясняется тем,что температура,с одной стороны,воздействует на белковую часть фермента,приводя при слишком высоких значениях к денатурации белка и снижению кат функции,а с другой стороны,оказывает влияние на скорость образования фермент-субстратного комплекса и на все последующие этапы преобразования субстрата, что ведет к ускорению реакции. Зависимость каталитической активности фермента от температуры описывается типичной кривой:
По характеру кривой видно, что до некоторого значения температуры (в среднем до 50 С) кат активность растет.При увеличении температуры на каждые 10'С скорость преобразования субстрата повышается примерно в 2 раза.В то же время постепенно возрастает количество инактивированного фермента за счет денатурации его белковой части. При температуре выше 50 С денатурация ферментного белка резко усиливается,и активность фермента, которая хар количество превращенного субстрата в единицу времени, падает. Температуру, при которой кат активность фермента макс, называют его температурным oптимумом. Как правило, для ферментов животного происхождения температурный оптимум лежит в интервале 40-50С,а растительного 50-60С.
2. Для каждого фермента существует оптимальное значение показателя рН среды -рН-оптимум, при котором фермент проявляет макс активность.Большинство ферментов макс активны в нейтральной среде.В сильнокислой или сильнощелочной среде хорошо работают лишь некоторые ферменты. Переход к большей или меньшей (по сравнению с оптимальной) концентрации ионов водорода сопровождается более или менее равномерным падением активности фермента. Влияние концентрации ионов Н' на каталитическую активность ферментов состоит в воздействии на их активный центр. При разных значениях рН активный центр может быть в большей или меньшей степени ионизирован, экранирован соседними фрагментами полипептидной цепи белковой части фермента и т.д. Кроме того, показатель рН среды влияет на степень ионизации субстрата, фермент-субстратного комплекса и продуктов реакции.
3. Специфичность-одно из наиболее важных свойств ферментов.Близкие по структуре вещества -- пространственные изомеры альфа- и бетта-метилглюкозиды:расщепляются по эфирной связи двумя разными ферментами:альфа-метилглюкозид гидролизуется ферментом из солода, а бетта-метилглюкозид гидролизуется ферментом из семян горького миндаля.Одни ферменты обладают абсолютной специфичностью, т.е. ускоряют только одну реакцию.Другие ферменты осуществляют катализ реакций определенного типа независимо от индивидуальной природы реагирующих веществ, т. е, обладают групповой специфичностью. Кроме того, некоторые ферменты отличаются стереохимической специфичностью, т.е. действуют на один пространственный изомер.
4. Ферменты подвержены влиянию активаторов и ингибиторов. К числу активаторов, повышающих активность ферментов, относятся ионы многих металлов (Mg2+, Mn2+, Zn' К') и некоторые анионы (Cl ). В одних случаях ионы металлов (Mg, Zn и др.)входят в состав простатической группы фермента,в других-облегчают образование фермент-субстратного комплекса или действуют иными путями.Ингибиторы тормозят действие ферментов.Механизмы ингибирующего действия разнообразны, но в большинстве случаев сводятся к двум типам торможения: конкурентному и неконкурентному.При конкурентном торможении ингибитор, обладающий структурным сходством с субстратом, соединяется с ферментом, подменяя собой субстрат, конкурируя с ним. Поскольку часть фермента расходуется на образование комплекса фермент-ингибитор, количество образующегося фермент-субстратного комплекса снижается. Примером конкурентного торможения является ингибирование действия фермента сукцинатдегидрогеназы избытком щавелевоуксусной кислоты в цикле Кребса
При неконкурентном торможении ингибитор не похож на субстрат и взаимодействует с ферментным белком или простетической группой, вследствие чего фермент теряет активность. Примером такого торможения может служить блокирование ферментов ионами тяжелых металлов (Hg,Сd,Pb и др.),которые присоединяются к сульфгидрильным (SH) группам полипептидной цепи; солями синильной кислоты;оксидом углерода(2) и др.Учение об активаторах и ингибиторах ферментов связано с более широким и общим вопросом регуляции действия ферментов в целом. В частности, установлено, что конечный, а иногда и промежуточный, продукт многостадийного процесса биосинтеза может служить аллостерическим ингибитором одной из первых его реакций (регуляция по принципу обратной связи-ретроингибирование).Это обеспечивает биосинтез веществ в клетке в строго определенных пропорциях по отношению друг к другу в соответствии с потребностями организма.
Механизм ферментативной реакции
На пути любой химической реакции лежит энергетический барьер, разделяющий исходное и конечное состояния ее участников. Поэтому химические реакции могут протекать лишь при условии, что реагирующие вещества преодолеют этот барьер, а для этого они должны приобрести определенную энергию.Например, для протекания химической реакции типа АВ = А + В необходимо, чтобы молекулы вещества АВ располагали энергией, достаточной для достижения вершины энергетического барьера.В исходном состоянии молекулы вещества АВ обладают неким среднестатистическим запасом энергии, которого, однако, недостаточно для начала химической реакции. Чтобы их перевести в реакционноспособное состояние, нужно затратить дополнительное количество энергии определенной величины. Такой минимальный избыток энергии, превышающий ее среднестатистический запас, которым должен обладать 1 моль вещества для достижения им вершины энергетического барьера, называется энергией активацией химической реакции. Величина энергии активации завысит от природы реагирующих веществ:ее физический смысл заключается в возможности преодоления прочности химических связей и исходных молекулах. Эту величину обычно выражают в кДж/моль и обозначают символом Еа.
Повысить скорость химической реакции можно двумя путями:
Первый путь –повышение t, т. е. ускорение теплового движения молекул, которое приводит к увеличению доли молекул, обладающих достаточной энергией для достижения вершины энергетического барьера. Как правило, повышение температуры на 10 'С вызывает ускорение химической реакции приблизительно в два раза. Однако такой путь ускорения химических реакций в условиях живого oрганизма невозможен, так как живая материя состоит в основном из органических веществ, которые характеризуются большой прочностью химических (ков) связей, таких как С -- С, С = О, С -- N и других. Следовательно, энергия активации биологических веществ очень велика. Наглядным примером, иллюстрирующим это положение, является реакция окисления глюкозы, для осуществления которой вне живой природы требуется температура горения глюкозы в кислороде, т. е, = 500 'С
C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O
Второй путь-это снижение необходимой величины энергии активации добавлением кат. Именно этот способ и был реализован живой природой за счет использования биологических кат -- ферментов, т. к. реакции с их участием не требуют больших доп затрат энергии. Ферменты значительно повышают скорость хим реакций, которые при тех же условиях в отсутствие фермента протекает очень медленно. Ферменты не могут влиять на положение равновесия между прямой и обратной реакциями, они лишь ускоряют наступление этого равновесия. При этом в ходе реакции ферменты не расходуются и не претерпевают необратимых изменений.Любая ферментативная реакция протекает в два этапа. На первом этапе молекула фермента Е взаимодействует с молекулой исходного соединения, называемого S, в результате чего образуется фермент-субстратный комплекс ES. Затем комплекс ES может распадаться на фермент Е и суп страт S или на фермент Е и продукты реакции Р. Как правило, условия в клетки таковы, что равновесие биохимических превращений сдвинуто в сторону образования продуктов реакции. Этот процесс можно описать следующим уравнением, называемым общим ур-ем ферментативного катализа E+S ==ES=E+P
Снижение энергии активации в условиях ферментативного катализа объясняется тем, что при образовании промежуточного фермент-субстратного комплекса происходит некоторая деформация молекулы субстрата, вследствие чего в нем ослабевают внутримолекулярные связи и молекула становится более реакционноспособной. Таким образом,понижение энергии активации происходит в момент образования промежуточного соединения фермента с субстратом вследствие деформации последнего. Чем сильнее фермент снижает энергию активации, тем легче протекает катализируемая им реакция.
При этом, однако, следует помнить, что реакция, катализируемая ферментом, не идентична некатализируемой реакции.Это уже совершенно иная реакция, имеющая более низкий активационный барьер.Поэтому правильнее говорить, что ферменты ускоряют химические реакции, направляя их «обходным путем» через образование промежуточного соединения фермента с субстратом.