3.3.2. Властивості ферментів та локалізація

Властивості ферментів поділяються на загальні і специфічні. Загальні властивості такі: 1) ферменти, як і неорганічні каталізатори, не витрачаються у процесі каталізу, не входять до складу кінцевих продуктів реакції, а виходять з неї у початковому вигляді; 2) ферменти прискорюють лише ті реакції, які можуть відбуватися і без них; не каталізують реакцій, що суперечать законам термодинаміки; 3) ферменти не зміщують положення рівноваги реакції, а лише прискорюють її досягнення.

Специфічні властивості: 1) всі ферменти за своєю будовою є білками; 2) ефективність ферментів набагато вища, ніж неорганічних каталізаторів. Наприклад, для розкладання перекису водню без каталізаторів необхідна енергія активації не менше 75 кДж/моль. За наявності каталізатора колоїдної платини, вона зменшується до 48, а за наявності ферменту каталаза – до 5,4 кДж/моль; 3) ферменти мають дуже вузьку вибіркову дію на субстрати, тобто специфічність; 4) ферментам властива регульованість. Саме завдяки цьому можлива координація всіх метаболічних процесів клітини і рослини у цілому у просторі й часі.

До характеристики властивостей ферментів належить реакція середовища. Оптимальне значення рН є неоднаковим для різних ферментів. Одні ферменти найбільш активні при нейтральному, другі - при кислому, інші - при лужному середовищі.

Завдяки білковій природі, ферменти утворюють колоїдні розчини. Це має особливо важливе значення для забезпечення життєдіяльності організмів, оскільки колоїдні розчини не зазнають дифузії, а залишаються локалізованими у певних клітинних компартментах. Таким чином, не зважаючи на розчинність більшості ферментів у воді, значна частина їх міцно закріплена у таких клітинних органелах, як ядро, пластиди, мітохондрії, рибосоми.

Більшість ферментів, що утворилися в органелах клітин, є ендоферментами, які каталізують процеси, що відбуваються у певній органелі. Окремі ферменти можуть виділятися за межі органел або клітин і діяти у оточуючому їх середовищі, це - екзоферменти. Наприклад, при проростанні зерна злаків перетворення запасних речовин ендосперму відбувається за участю таких екзоферментів, як амілаза і пептидаза, які утворюються не у ендоспермі, а у клітинах алейронового шару і щитка зернівки.

Доведено, що всі внутрішньоклітинні структури містять специфічні, властиві їм, набори ферментів. Ферменти циклу трикарбонових кислот (циклу Кребса) зосереджені у мітохондріях; фотосинтетичного циклу – у хлоропластах, гідролітичні – у цитоплазмі. Ферменти, що каталізують послідовні реакції перетворення речовин, можуть розміщуватися безпосередньо один близько одного на внутрішніх мембранах, утворюючи ферментні системи, і ніби передавати один одному субстрати або продукти реакції. Велика кількість ферментів, які беруть участь у складних біохімічних процесах, утворюють, так звані, мультиферментні системи.

У цитоплазматичному матриксі містяться багато важливих ферментів: у рідинній фазі розміщені всі ферменти анаеробного і спиртового бродіння; ферменти, що каталізують перетворення сахарів, крохмалю, пентозофосфатного циклу окиснення вуглеводів; ферменти, що каталізують синтез жирних кислот, синтез і перетворення амінокислот; численні гідролітичні ферменти.

У мітохондріях містяться всі ферменти, що каталізують реакції циклу Кребса, окиснення жирних кислот, переамінування.

Хлоропласти мають увесь комплекс ферментів, які каталізують відновлення вуглекислого газу до вуглеводів, біосинтез крохмалю, жирів тощо.

Рибосоми, найважливішою функцією яких є біосинтез білків з амінокислот, містять усі ферменти, що каталізують утворення поліпептидних ланцюгів білків.

Клітинне ядро, специфічною і головною функцією якого є відтворення і передавання генетичної інформації, містить усі ферменти, що каталізують синтез ДНК і РНК.

Перший фермент системи називається алостеричним. Він має два типи активного центру – каталітичний і алостеричний (регуляторний). Кінцевий продукт, який інгібує активність алостеричного ферменту, називається модуляторним, або негативним ефектором. Модулятор, пов’язуючись з алостеричним активним центром ферменту, викликає зміни структури каталітичного центру: при цьому фермент втрачає свою активність. Після усунення модулятора (ефектора) з алостеричного центру структура каталітичного центру й активність ферменту відновлюються.

Крім негативних ефекторів, у алостеричних ферментів є позитивні ефектори (активатори), які спроможні переводити алостеричний центр у більш активний стан. Швидкість ферментативних реакцій може регулюватися автоматично. При цьому кінцевий продукт у системі перетворення пригнічує активність першого ферменту, – регуляція за типом зворотного зв’язку. Прикладом залежності швидкості реакції від концентрації кінцевого продукту може бути розщеплення крохмалю до мальтози під дією a-амілази. Надлишком мальтози пригнічується активність a-амілази, і реакція гідролізу крохмалю зупиняється.

На активність ферментів впливає наявність в реакційному середовищі різних іонів або сполук, що мають назву активаторів. До них відносять зокрема мікроелементи бор, кобальт, молібден, цинк, мідь, селен та ін., а також макроелементи калій, кальцій, магній тощо. Найвища активність елементів спостерігається за оптимальної концентрації активаторів. При їх надлишку, особливо мікроелементів, біохімічні ферментативні реакції можуть значно гальмуватися.

Речовини, що пригнічують активність ферментів мають назву інгібіторів. Дія інгібіторів полягає у частковому або навіть повному пригніченні утворення ферментосубстратного комплексу, тому реакція синтезу чи гідролізу субстрату не відбувається або відбувається надто повільно.

Інгібітори поділяють на два класи: загальні і специфічні. Загальні представлені головним чином солями важких металів – свинцю, ртуті, срібла та ін. Дія їх полягає у денатурації ферментів, як білкових сполук, тобто у втраті ферментами четвертинної, третинної і вторинної структур. Внаслідок цього втрачається їх біологічна, а отже і ферментативна активність.

Специфічні інгібітори в свою чергу поділяються на конкурентні й неконкурентні. Конкурентне інгібірування має місце, якщо інгібітору притаманна така ж форма і конфігурація молекули, як молекула специфічного субстрату, на який спрямована дія ферменту. В такому випадку інгібітор вільно приєднується до активного центру ферменту замість субстрату. При цьому фермент-субстратний комплекс утворюватися не може і дія ферменту блокується. Отже, конкурентні ферменти діють ”підманним” шляхом. Розуміння процесів механізму дії цих інгібіторів і розробка їх моделі могла б значно прискорити синтез нових ефективних лікувальних препаратів, засобів захисту рослин і сприяти здешленню їх виробництва. Прикладом вдалого конкурентного інгібірування може бути застосування окремих лікувальних сульфамідних препаратів, зокрема стрептоциду. Відомо, що для життєдіяльності низки хвороботворних організмів необхідна фолієва кислота, яку вони синтезують з N-параамінобензойної кислоти. Молекула цієї кислоти дуже подібна до молекули окремих сульфамідних лікувальних препаратів. Тому при застосуванні цих ліків молекули їх приєднуються до ферментативного апарату мікроорганізму, відповідального за синтез фолієвої кислоти, блокують утворення ферментосубстратного комплексу і життєдіяльність мікроорганізму припиняється.

Неконкурентне інгібірування полягає у блокуванні ферменту за межами його активного центру, викликаючи значні зміни у просторовій структурі цього центру і порушуючи нормальне приєднання субстрату до ферменту. Прикладом неконкурентного інгібітора може бути синильна кислота.

Негативний вплив окремих зовнішніх факторів на активність ферментів може усуватися наявністю у рослинній клітині ізоферментів. Ізоферменти – це ферменти, що каталізують однакову реакцію, але їх активність виявляється за різних умов (температура, рН, наявність інгібіторів).

Для регуляції обміну речовин важливе значення належить адаптивним або індукованим ферментам. Вони синтезуються спочатку або різко зростають у кількісному відношенні при адаптації, тобто пристосовуванні рослин до нових умов середовища. Прикладом індукованих ферментів може бути ключовий фермент азотного обміну нітратредуктаза або гідроксиламінредуктаза, кількість яких у клітині різко зростає при надходженні до рослини з грунту нітратної форми азоту. Саме завдяки зростанню кількості нітратредуктази при інтенсивному надходженні нітратів до рослини започатковується швидке активне відновлення нітратного азоту через ланцюг відповідних ферментативних реакцій до аміаку, котрий вступає в реакцію з певними органічними кислотами і утворює амінокислоти з наступним посиленим синтезом білків.