Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биотехнологические основы хлебопекарного производства. Учебное пособие
.pdf
101
- ферменты как катализаторы строго специфичны, они ка-
тализируют только определенные биохимические реакции, действую лишь на определенный субстрат;
- ферментативные реакции в живых организмах идут последовательно, таким образом, что субстратом для каждого последующего фермента является конечный продукт предшествующей ему ферментативной реакции;
- скорость ферментативных реакций высока, но она зависит
от количества или активности фермента, концентрации субстрата, рН, состава раствора, температуры, присутствия активаторов
и ингибиторов. Ферментативные реакции имеют выход 100 % и
не дают побочных продуктов реакции;
- все ферменты являются белками, молекулярная масса которых колеблется от 12×103 до 10×106 Да;
- ферменты образуют в клетке мультиферментные системы,
как правило, связанные с клеточными структурами.
Строение ферментов. Важной особенностью фермента-
тивного катализа является то, что фермент [E] образует с субстратом [S] соединение, на которое направлено действие фермента – субстрат-ферментный комплекс [ES] (рис. 10).
Рис. 10. Реакция фермент-субстрат
Субстратами, как правило, являются органические соединения различной химической природы – высокомолекулярные
полимеры (белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и т.д.) и низкомолекулярные соединения (моносахариды, спирты, кислоты).
102
По химическому строению ферменты представляют собой
глобулярные белки либо простые (однокомпонентные), либо
сложные (двух компонентные). Однокомпонентные ферменты
состоят только из остатков аминокислот. Двухкомпонентные
ферменты кроме белковой части, содержат и небелковую часть.
Белковую часть сложного фермента называют апоферментом (носителем), небелковую – кофактором. Органические вещества неаминокислотной природы, используемые в роли кофакторов, называются коферментами (рис. 11) .
Общий вид Активный центр
Модель фермента карбоангидразы
Рис. 11. Строение фермента
Общее название сложного фермента – холофермент
(от греч. holos – целый): Кофактор + Апофермент = Холофермент.
Субстрат, на который воздействует фермент, связывается c
определенной частью молекулы, называемой активным центром.
Активный центр определяет специфичность и каталитическую
активность фермента. Он занимает небольшую часть молекулы
фермента (около 2 %), имеет форму щели или впадины определенной конфигурации, по сравнению с другими участками моле-
103
кулы имеет более низкую диэлектрическую проницаемость и повышенную микровязкость. Активный центр фермента имеет
сложное строение. Он состоит из каталитического центра и пространственно ограниченного центра связывания.
Каталитический центр отвечает за химическую природу
катализируемый реакции (специфичность действия), а центр свя-
зывания – за сродство к субстрату (субстратная специфичность).
Специфичность центра связывания чрезвычайно высока – в качестве субстрата могут использовать лишь немногие близкие по
структуре соединения (рис. 12).
Рис. 12. Структура ферментов
Cубстратная специфичность фермента определяется только
его белковой частью. Кофактор также участвует в ферментативной реакции, но его роль менее специфична, так как одинаковые
кофакторы могу входить в состав ферментов различных типов.
В состав активного центра многих ферментов входят гидроксильные группы аминокислоты серина, карбоксильные группы аспарагиновой и глутаминовой кислот, аминные группы аминокислоты лизина, сульфгидрильные группы аминокислоты цистеина. Так, гидроксильная группа серина обнаружена в активном
центре пептидогидролаз, эстераз, где активность обусловлена
присутствием других аминных групп, расположенных рядом с
ней и вступающих во взаимодействие путем образования водородных и других связей.
104
Карбоксильные группы в ферментах представлены наиболее широко. Находясь в активном центре, они вступают в ионные
взаимодействия со щелочными группировками и легко образуют
водородные, амидные и эфирные связи. Отрицательно заряженная карбоксильная группа (-СОО-) часто не принимает прямого
участия в катализе, но служит для связывания и ориентации молекул субстрата.
Для сложных ферментов характерно то, что ни апофермент,
ни кофактор в отдельности не обладают выраженной каталитической активностью. Только комплекс белковой и небелковой частей проявляет ферментативные свойства. При этом белковый
компонент ответственен за специфичность фермента и значительно повышает каталитические свойства небелковой группы.
В то же время небелковая группа обусловливает активность действия и стабилизирует белковую часть, делает ее более устойчивой к воздействию денатурирующих веществ.
Кофактор может легко отделяться от апофермента и «обслуживать» два или несколько ферментов, а также существовать
самостоятельно. Один и тот же кофактор, присоединяясь к различным белкам, может катализировать совершенно разные реакции. Так, в одной реакции пиридоксальфосфат (витамин В6) ускоряет реакцию трансаминирования, а в другой – декарбокислирование аминокислот (рис. 13).
Рис. 13. Реакция трансаминирования с участием
пиридоксальфосфата
У ряда двухкомпонентных ферментов обнаруживаются два
активных центра: субстратсвязывающий и аллостерический. Суб-
105
стратсвязывающий центр представляет собой участок молекулы
фермента, который непосредственно взаимодействует с субстратом. Аллостерический (от греч. allos – иной, другой) центр – это
участок молекулы фермента, по строению не идентичный субстрату. Он взаимодействует с определенными низкомолекулярными веществами, например гормонами. Присоединение таких
веществ к аллостерическому центру приводит к изменению третичной структуры белковой молекулы. Это в свою очередь изменяет конфигурацию субстрат связывающего центра и сопровождается увеличением или уменьшением каталитической активности фермента.
Роль кофакторов в сложных ферментах выполняет большинство витаминов (В1 – В6, В12, Н и др.) или соединения, в состав которых входят витамины, ионы металлов и др. Например,
витамин Н входит в состав кокарбокислаз, которые катализируют
биосинтез высших жирных кислот, так как он способствует ассимиляции оксида углерода. В состав кофактора А или коэнзима А
(KoA и HSKoA), входит пантотеновая кислота (витамин В3).
Наряду с витаминами коферментную функцию смогут выполнять некоторые пептиды, например, HS-глутатион (рис. 14),
участвующий в окислительно-восстановительных процессах, а
также большая группа нуклеотидов.
Рис. 14. HS-Глутатион (восстановленная, сульфгидрильная форма)
Механизм действия ферментов. Скорость химических ре-
акций зависит от концентрации реагирующих веществ и от температуры, так как эти факторы приводят к увеличению частоты и
106
энергии столкновения реагирующих молекул. Чем выше температура – мера кинетической энергии молекул, тем чаще они могут сталкиваться и тем, следовательно, выше скорость реакции.
Но скорость реакции зависит не только от концентрации и
температуры. Общее число столкновений молекул реагирующих
веществ значительно больше, чем число прореагировавших молекул, так как индивидуальные молекулы при постоянной температуре сильно различаются по количеству содержащейся в них
энергии. Вступают в реакцию только те молекулы, которые находятся в активном состоянии, т.е. обладают энергией, необходимой для преодоления активационного барьера реакции.
Скорость любой химической реакции пропорциональна
концентрации молекул, находящихся в активированном состоянии. Молекулы будут активированы, если получат дополнительное количество энергии, называемое энергией активации.
Энергия активации – это количеств энергии, которое необходимо сообщить молекулам реагирующих веществ, чтобы перевести их в активное состояние, соответствующее вершине энергетического (активационного) барьера (рис. 15).
Рис. 15. Энергия активации химической реакции
Эту энергию молекулы могут получить путем повышения
температуры реагирующих веществ. Как правило, повышение
температуры на 10 °С ускоряет химическую реакцию в два раза.
Ускорить химическую реакцию можно также путем добавления к
10
7
реагирующим веществам катализатора. Сущность действия катализаторов заключается в том, что катализатор снижает энергию
активации, направляя реакцию «обходным» путем, что позволяет
молекулам преодолевать энергетический (активационный) барьер
не более низком уровне.
Ферменты, так же как и катализаторы другой природы, образуют комплексы с субстратами, которые затем в ходе катализа
распадаются на фермент и продукты реакции. Механизм действия фермента состоит в образовании комплекса (фермент плюс
субстрат), который затем подвергается химическому превращению с образованием продуктов реакции. В свою очередь, комплекс фермента с продуктами или продуктом реакции распадается с высвобождением свободного фермента.
Ферменты обладают очень высокой специфичностью. Фишер в 1890 г. высказал предположение, что эта специфичность
обусловливается особой формой молекулы фермента, точно соответствующей форме молекулы субстрата (или субстратов). Эту
гипотезу называют гипотезой «ключа и замка»: субстрат сравнивается в ней с «ключом», который точно подходит по форме к
замку, т.е. к ферменту (рис. 16).
Рис. 16. Фишеровская гипотеза «ключ к замку»
Фермент-субстратный комплекс – это «активированное»
состояние, ведущее к образованию продуктов реакции. Образовавшиеся продукты по форме уже не соответствуют активному
108
центру. Они отделяются от активного центра, после чего он может принимать новые молекулы субстрата (рис. 17).
Рис. 17. Схема модели Кошланда
Согласно этому представлению, субстрат, соединяясь с
ферментом, вызывает какие-то изменения в структуре фермента.
Аминокислотные остатки, составляющие активный центр фермента, принимают определенную форму, которая дает возможность ферменту наиболее активным образом выполнять свою
функцию. Эту гипотезу называют гипотезой индуцированного
соответствия. Подходящей аналогией в этом случае может служить перчатка, которая при надевании на руку, соответствующим
образом изменяет свою форму.
Кинетика ферментативных реакций. Под ферментативной
кинетикой понимают зависимость скорости реакции, ускоряемой
ферментом, от химической природы реагирующих веществ (субстраты, фермент) и условий их взаимодействия (концентрация,
температура, рН среды, наличие активаторов или ингибиторов).
При постоянной концентрации фермента скорость ферментативной реакции во многом определяется концентрацией субстрата. При очень низких концентрациях субстрата скорость
ферментативной реакции очень мала, затем с повышением концентрации субстрата она возрастает. Измеряя начальную скорость реакции при всевозрастающих концентрациях субстрата,
можно установить, что приращение скорости реакции становиться все меньше, стремясь к бескон ечно малой величине, а зависимость скорости реакции от концентрации субстрата описывается
гиперболической кривой (рис. 18).
109
Рис. 18. Зависимость скорости ферментативной реакции [V]
от концентрации субстрата [S]
Константа Км имеет размерность концентрации и представляет собой количество субстрата, необходимое для связывания половины имеющегося фермента и достижения половины
максимально возможной скорости реакции. Поэтому Км измеряют для оценки специфичности действия определенного фермента
по отношению к данному субстрату.
В большинстве случаев ферментативные реакции в живых
организмах идут более сложным путем – в реакции могут участвовать несколько субстратов и фермент-субстратных комплексов:
некоторые реакции могут быть обратимыми. Однако усложняются только расчеты коэффициентов – принципиальная основа кинетики ферментативных реакций, разработанная Л. Михаелисом
и М. Ментен, сохраняется. Константа Км является важной характеристикой фермента, определяя его сродство к субстрату.
Причиной этому служит возрастание скорости распада
фермент-субстратного комплекса на фермент и продукты реакции, когда фермент практически полностью насыщен субстратом,
а концентрация свободного фермента предельно низкая: так как
из-за гиперболического характера зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата V
изменить не-
max
возможно.
Скорость реакции, катализируемой ферментом, принято
оценивать по величине концентрации субстрата, при которой
данный фермент обеспечивает скорость реакции, равную половине ее максимальной скорости.
110
График зависимости скорости ферментативной реакции от
×
концентрации субстрата, как уже отмечалось, имеет вид гиперболы. При высокой концентрации субстрата, когда все молекулы
фермента находятся в виде фермент-субстратных комплексов ES,
произошло полное насыщение фермента и скорость ферментативной реакции становиться максимальной (V
max
).
При полунасыщении, когда 1/2 фермента находится в форме ES, скорость реакции будет соответственно равна 1/2V
max
Концентрация субстрата, при которой достигается эта скорость,
дает численную величину константы Михаэлиса. Зависимость
скорости реакции от концентрации субстрата описывается уравнением Михаэлиса-Ментен:
SV
где К
V
– константа Михаэлиса; S – концентрация субстрата; V
М
max
=
,
SK
+
M
–
max
максимальная скорость реакции.
Свойства ферментов. Будучи белками, ферменты обладают всеми их свойствами. Вместе с тем биокатализаторы характеризуются рядом специфических свойств, которые отличают их
катализаторов обычного типа. Это активность ферментов, их
специфичность, термолабильность, зависимость действия от значения рН, подверженность влиянию активатором и ингибиторов.
Активность ферментов. Одним из основных отличитель-
ных свойств ферментов является их высокая активность. По силе
каталитического действия (активности) ферменты в сотни тысяч
раз превосходят обычные катализаторы. Ферменты повышают
скорость каталитических реакций в 108...1020 раз.
Для выражения каталитической активности согласно рекомендациям Международного биохимического союза используется катал. Катал – это каталитическая активность, способная осуществить реакцию со скоростью, равной 1 моль в секунду, в заданной системе измерения активности. Каталитическая актив-
.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]