III. Особенности ферментативного катализа. Механизм, стадии ферментативного катализа.
Ферменты катализируют только энергетически возможные реакции. Любой катализатор (в т.ч. фермент) в процессе реакции не расходуется, не изменяет состояние равновесие, направление реакции в процессе катализа измениться не может.
К особенностям ферментативного катализа по сравнению с неорганическим катализом относятся:
* высокая специфичность
* высокие скорости реакций
* возможность регуляции скорости реакции
* физиологические условия катализа (температура 36-38 0 С, рН 6,9 – 7,5)
Особенности ферментативного катализа обусловлены строением ферментов и их белковой природой.
Механизм ферментативной реакции
Теория промежуточных состоянии -Катализаторы не изменяются в процессе реакции, но принимают участие в образовании промежуточных соединений, вызывая понижение энергии активации
Э. Фишер в конце Х1Х в. Теория соответствия пространственного строения фермента и субстрата подобно «замку и ключу».
В середине 50 гг. ХХ в. Д. Кошланд выдвинул более совершенную концепцию индуцированного взаимодействия фермента и субстрата. Согласно этой теории, контакт субстрата и фермента осуществляется только после изменения их пространственного строения под влиянием друг друга и возникновения пространственного и электронного соответствия.
более современная теория топохимического взаимодействия, которая предполагает следующую последовательность:
а) в первую очередь, фермент «узнает» у субстрата те участки, которые не будут изменяться в процессе биохимической реакции,
б) образует с ними водородные связи и гидрофобные взаимодействия,
в) изменяется пространственное строение и распределение и электронной плотности,
г) далее «включается» действие каталитического участка, чтобы осуществить биохимическую реакцию.
Стадии:
1 стадия. Энзим Е взаимодействует с субстратом S, образуется энзим – субстратный комплекс [Е S]. На стадии (1) участвует субстратный, связывающий центр.
2 стадия. В составе комплекса [Е S] происходит изменение электронного и пространственного строения субстрата под влиянием белка, субстрат переходит в возбужденное состояние [ЕS * ]. Очевидно, в этом принимает участие и каталитический центр (реакция2). Возбужденных состояний [ЕS * ]
3 стадия. Снижается энергия активации, в каталитическом центре происходит превращение субстрата в продукт реакции [ЕР*], который тоже находится еще в возбужденном состоянии (реакция 3).
4 стадия. Далее происходит стабилизация продукта Р (реакция 4 ) и отделение его от фермента (реакция 5).
Е + S —(1)—> [Е S] —(2)—> [ Е S *] —(3)—> [ Е P*] —(4)—> [Е Р] — (5)—> Е + Р
IV. Кинетика ферментативных реакций. Зависимость скорости ферментативных реакций от температуры, рН, концентрации субстрата. Особенности ферментов полости рта
Скорость ферментативной реакции зависит от факторов:
* температуры
* величины рН среды
* концентрации энзима (зависимость линейная)
* концентрации субстрата (зависимость вначале линейная потом постоянная)
Влияние температуры на скорость ферментативной реакции.
У каждого фермента своя оптимальная температура. Vмах- в области оптим.температуры.
В полости рта непрерывно происходят колебания температурного режима при дыхании, приеме пищи, у курильщиков– при курении (!), возникают огромные для биологических тканей перепады температуры. Хронические длительные термические воздействия в полости рта могут быть одной из причин провокации злокачественного перерождения тканей.
Влияние значения рН на скорость ферментативной реакции
У каждого фермента есть свое оптимальное значение рН, что связано с физиологическими условиями функционирования ферментов. Пепсин желудочного сока наиболее активен при рН= 1,0 – 1,5,трипсин, выделяемый поджелудочной железой в просвет 12-перстной кишки – в слабощелочной среде, щелочная фосфатаза – в сильно щелочной среде.
Vмах-при оптимальном рН
В полости рта непрерывно происходят колебания значения рН в процессе приема пищи, за счет деятельности микрофлоры и, особенно, при курении (!) за счет выделения СО 2 в процессе горения табачного изделия. Буферные свойства слюны поддерживают постоянство значения рН в пределах 6,5 – 7,2 , что необходимо для сохранения функции ферментов слюны, активности лейкоцитов и иммуноглобулина А, которые создают комплекс факторов защиты полости рта для предотвращения резорбции эмали и поддержания свойств эпителия слизистых тканей.
Влияние концентрации энзима на скорость ферментативной реакции
Чем больше концентрация энзима, тем больше скорость ферментативной реакции. Для изоферментов графики зависимости имеют отличия - различные углы наклона (вследствие разницы в значениях КМ – константы Михаэлиса). На рисунке представлены зависимости скорости реакции от концентрации энзима для трех изоферментов. Понятно, что скорость реакции Е1 > Е 2 > Е3 (определяется значением угла наклона)
Влияние концентрации субстрата на скорость ферментативной реакции
Скорость ферментативной реакции зависит от концентрации субстрата. До определенного значения концентрации скорость реакции повышается вначале линейно, затем линейная зависимость исчезает и скорость становится постоянной, достигнув максимального значения V мах.
Обнаруженная зависимость подтверждает механизм ферментативной реакции в отношении образования фермент- субстратного комплекса. При определенной концентрации субстрата наступает насыщение активных центров субстратом.
Л.Михаэлис и его коллега М. Ментен (1913 г.) предложили использовать значение Км для оценки ферментативной активности и скорости реакции. Константа Михаэлиса (Км) численно равна той концентрации субстрата, при которой скорость реакции составляет половину от максимальной скорости ( ½ V мах). чем меньше значение Км, тем больше скорость реакции. чем больше значение Км, тем меньше скорость реакции.