Вопрос 11

Ферментативный катализ – каталитические реакции, протекающие с участием ферментов – биологических катализаторов белковой природы. Ферментативный катализ имеет две характерные особенности:

1. Высокая активность, на несколько порядков превышающая активность неорганических катализаторов, что объясняется очень значительным снижением энергии активации процесса ферментами. реакция в присутствии фермента протекает в миллион раз быстрее.

2. Высокая специфичность - наиболее важное свойство ферментов, определяющее биологическую значимость ферментов. Различают субстратную и каталитическую специфичности фермента, которые определяются строением активного центра. Под субстратной специфичностью понимается способность каждого фермента взаимодействовать лишь с одним или несколькими определенными субстратами.

Различают:

- абсолютную субстратную специфичность, если активный центр фермента комплементарен только одному субстрату;

- групповую субстратную специфичность, если фермент катализирует однотипную реакцию с небольшим количеством (группой) структурно похожих субстратов;

- стереоспецифичность, если фермент проявляет абсолютную специфичность только к одному из существующих стереоизомеров субстрата.

Каталитическая специфичность, обеспечивает преобразование одного и того же субстрата под действием разных ферментов. Это обеспечивается строением каталитических участков активных центров соответствующих ферментов. Например, молекула глюкозо-6-фосфата в клетках печени человека является субстратом четырех различных ферментов: фосфоглюкомутазы, глюкозо-6-фосфатфосфатазы, фосфоглюкоизомеразы и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. Однако за счет особенностей строения каталитических участков этих ферментов происходят различные превращения глюкозо-6-фосфата с образованием четырех различных продуктов

Э Т А П Ы Ф Е Р М Е Н Т А Т И В Н О Г О К А Т А Л И З А

1. Присоединение субстрата к ферменту

2. Преобразование фермент-субстратного комплекса в один или несколько переходных комплексов в одну или несколько стадий.

3. Отделение конечных продуктов от фермента.

Согласно общепринятым представлениям о механизме ферментативного катализа, субстрат S и фермент F находятся в равновесии с очень быстро образующимся фермент-субстратным комплексом FS, который сравнительно медленно распадается на продукт реакции P с выделением свободного фермента; т.о., стадия распада фермент-субстратного комплекса на продукты реакции является скоростьопределяющей (лимитирующей).

F + S   <––>   FS   ––>   F + P

Исследование зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата при неизменной концентрации фермента показали, что с увеличением концентрации субстрата скорость реакции сначала увеличивается, а затем перестает изменяться и зависимость скорости реакции от концентрации субстрата описывается следующим уравнением:

                

Здесь Кm – константа Михаэлиса, численно равная концентрации субстрата при V = ½Vmax. Константа Михаэлиса служит мерой сродства между субстратом и ферментом: чем меньше Кm, тем больше их способность к образованию фермент-субстратного комплекса. Если Кm высока, то сродство фермента к такому субстрату низкое и реакция протекает медленно.

Когда скорость ферментативной реакции равна половине максимальной скорости ракции, то константа Михаэлиса численно равна концентрации субстрата.

Характерной особенностью действия ферментов является также высокая чувствительность активности ферментов к внешним условиям – рН среды и температуре. Ферменты активны лишь в достаточно узком интервале рН и температуры, причем для ферментов характерно наличие в этом интервале максимума активности при некотором оптимальном значении рН или температуры; по обе стороны от этого значения активность ферментов быстро снижается.  

  

 Зависимость скорости ферментативной  реакции от концентрации субстрата.

При низких концентрациях субстрата скорость реакции возрастает пропорционально увеличению концентрации субстрата(реакция первого порядка)

При высоких концентрациях субстрата скорость реакции достигает своего максимального значения (Vmax)и не зависит от концентрации субстрата (реакция нулевого порядка): [S]˃˃Km, то V=Vmax.

Влияние температуры

Каждый фермент имеет оптимальную температуру. Для ферментов животного происхождения 37-40С°, а растительного 40-50С° . исключение: альфа-амилаза из проросшего зерна имеет оптимальную температуру при 60С°, а каталаза- в пределах 0-10С° . до этого интервала с повышением температуры скорость катализируемой реакции повышается из-за ускорения движения молекул и увеличения вероятности их столкновения. Выше оптимальной температуры активность инактивируется, из-за денатурации. При температуре выше 80°С большинство ферментов полностью теряют свою каталитическую активность. поэтому важным показателем является термолабильность, т.е. скорость инактивации самого фермента при повышении температуры. При низких температурах (0°С и ниже) каталитическая активность ферментов падает почти до нуля, но денатурации не происходит. С повышением температуры их каталитическая активность восстанавливается.

Температура обеспечивающая наибольшую скорость реакции-оптимальная.

Закон о повышении скорости реакции в 2-4 раза при повышении температуры на 10°С справедлив, но только в пределах до 55-60°С, т.е. до температур денатурации белков.

Влияние рН

Для каждого фермента существует определенный интервал рН среды, при котором его активность максимальна. Например, оптимальные значения рН для пепсина 1,5-2,5, трипсина 8,0-8,5, амилазы слюны 7,2, аргиназы 9,7, кислой фосфатазы 4,5-5,0. За переделами оптимальной зоны рН, т.е. при отклонениях в сторону снижения или повышения от этого значения, скорость ферментативной реакции снижается. Зависимость скорости от рН чаще всего описывается колоколообразной кривой. При изменении рН среды изменяется и знак заряда и степень ионизации аминокислотных остатков фермента, что приводит к изменению конформации его активного центра, нарушению комплементарности и снижению скорости реакции.

Зависимость от количества фермента

В условиях избытка субстрата скорость будет зависеть прямо пропорционально от концентрации фермента.

При увеличении количества молекул фермента скорость реакции возрастает непрерывно и прямо пропорционально количеству фермента, т.к. большее количество молекул фермента производит большее число молекул продукта.