3.3.3. Залежність активності ферментів від факторів середовища
Крім автоматичного регулювання, активність ферментів може посилюватися чи послаблюватися під впливом інших факторів, а саме: зміною температури, рН середовища та ін.
Ферменти чутливі до температур. У звичайних умовах з підвищенням температури на 100 С швидкість ферментативних реакцій зростає приблизно удвічі. Це спостерігається з підвищенням температур до 35 – 45о. При більш високій температурі активність ферментів помітно зменшується, а при 90 – 100о повністю втрачається. Настає інактивація ферментів, яку викликає коагуляція білків, тобто порушення їх четвертинної структури.
Негативний вплив окремих зовнішніх факторів на активність ферментів може усуватися наявністю у рослинній клітині ізоферментів. Завдяки цьому несприятливі для одного ізоферменту умови можуть бути сприятливими для іншого. Тому відповідний ферментативний процес не гальмується при зміні зовнішнього фактора, а отже багато рослин може добре рости і розвиватися на ґрунтах, рН яких коливається в межах від 4,5 до 7,0 (картопля, озиме жито та ін.).
3.3.4. Механізм ферментативного каталізу
Ферментам властива специфічність. На відміну від неорганічних каталізаторів, вони мають високу субстратну специфічність. Зокрема, сахараза розщеплює тільки сахарозу і не діє на споріднені цукри, наприклад мальтозу. Завдяки специфічності дії, кожен фермент з великої кількості реакцій, що відбуваються у клітині, впливає лише на певну.
За будовою ферменти є однокомпонентними і двокомпонентними. Однокомпонентні складаються лише з білка. Молекула двокомпонентних ферментів, крім білкової частини, має простетичну групу, яка є активною частиною ферменту і може бути іоном металів (Fe‚ Mn‚ Zn, Mo, Mg) або низькомолекулярною органічною сполукою (наприклад, тіамін, рибофлавін, нікотинова кислота, піридоксин). Активна група органічної природи двокомпонентного ферменту називається коферментом, або агоном, а білкова – апоферментом або фероном. Розміри коферменту значно менші за білкову частину. При дисоціації молекули ферменту ні апофермент, ні кофермент окремо не виявляють каталітичної здатності, але вона може відновитися повністю, якщо обидва вони знову сполучаються.
В однокомпонентних ферментів активними групами є певні хімічні угруповання, що входять до складу білка і мають назву активного або каталітичного центру. Саме за допомогою активного центру молекули ферментів взаємодіють із субстратом і виявляють каталітичні властивості.
Молекула ферменту може мати один або два активні центри. Каталітична властивість ферменту зумовлена третинною і четвертинною структурою білкової молекули, порушення якої при дії високих температур призводить до втрати активності ферменту (інактивації).
Прискорення біохімічних реакцій під дією ферментів досягається завдяки зниженню енергії активації. Для того, щоб між молекулами відбулася хімічна реакція, вони повинні перебувати в активному стані. Відомо, що атоми у молекулах утримуються хімічними зв’язками, які зумовлюються певною кількістю енергії. Ця енергія визначається типом атомів і природою зв’язків. Для розриву зв’язків необхідна більша кількість енергії. Завдяки такому енергетичному бар’єру стримується довільний розпад зв’язків. Кількість енергії, необхідної для подолання енергетичного бар’єру, називається енергією активації. Вона може бути значно зменшеною за участі у біохімічних реакціях відповідних ферментів.
Завдяки ферментам у клітині з великою швидкістю відбуваються реакції при звичайних умовах – відносно невисоких позитивних температурах і нормальному атмосферному тискові. Для проходження аналогічних хімічних реакцій за участю неорганічних каталізаторів (наприклад, платини) потрібно створити високий тиск – у десятки або навіть сотні атмосфер і високу температуру.
Зменшення енергії активації досягається здатністю молекули ферменту вступати у взаємодію з молекулою субстрату й утворювати нестабільну проміжну сполуку – фермент–субстратний комплекс, у якому молекула субстрату зазнає певної внутрішньої перебудови при взаємодії з активним центром ферменту. Викликані у молекулі субстрату зміни призводять до зниження енергетичного бар’єру. Проміжна сполука (комплекс) швидко розпадається з вивільненням ферменту який знову може здійснювати свої каталітичні функції, а активовані молекули субстрату, залежно від типу реакції, розкладаються або вступають у реакцію з іншим компонентом.
Припустимо, що дві молекули А і Б здатні повільно утворювати молекулу АБ, фермент Ф прискорює цю реакцію. Цей процес має таку послідовність:
Проміжні реакції, що супроводжують утворення продукту АБ вимагають набагато менше енергії, ніж реакції без участі ферменту. При цьому швидкість проходження підсумкової реакції А + Б — АБ також значно зростає.
Для активного перебігу ферментативної реакції структурна будова молекули субстрату повинна збігатися з будовою активного центру ферменту. Відповідність збігання повинна бути не лише просторовою, але й у розподілі електричних зарядів, розміщенні груп атомів. Остаточна відповідність ферменту і субстрату досягається у процесі їх взаємодії (рис. 14).
Рис. 14. Схема ферментативного розчеплення молекули субстрату.
Виникаючі при взаємодії ферменту з субстратом зміни конформації призводять до так званої відповідності ферменту субстрату; після звільнення продуктів реакції фермент приймає вихідну конформацію.
Причому, субстрат за своїми розмірами значно менший за фермент. Із субстратом у процесі реакції контактують лише близько 20 амінокислотних залишків молекули ферменту. Ці залишки і становлять каталітичну зону – активний центр. Найчастіше до каталітичної зони входять амінокислоти – аспарагін, аргінін, гістидин, глютамін, серин, треонін, цистеїн.
Амінокислоти, що не входять до активного (каталітичного) центру теж мають важливе значення. Вони зумовлюють специфічне розміщення білкової молекули (наприклад, четвертинну структуру), завдяки чому віддалені амінокислотні залишки можуть просторово наближатися і теж утворювати активний центр.