Ферменты

Ферменты (закваска)- специфические катализаторы белковой природы, ускоряющие течение биохимических реакций и играющие важнейшую роль в обмене веществ.

Свойства ферментов

• Они не расходуются в процессе катализа и не входят в состав конечных продуктов реакции, выходят из реакции в первоначальном виде.

• По химической природе все ферменты – белки.

• Эффективность ферментов значительно выше по сравнению с катализаторами небиологической природы. Например, 1 моль Fe за 1 мин разлагает 10-5 моль Н₂О₂, а каталаза, содержащая атом Fe - 105 моль Н₂О₂).

• Регулируемость. Активность ферментов, скорость ферментативных реакций регулируется в зависимости от потребностей самой клетки.

• Специфичность. Они обладают избирательностью действия на субстраты, т.е., на те вещества, превращение которых они катализируют. Специфичность ферментов может быть абсолютной (фермент уреаза – разложение мочевины) или относительной (протеазы – распад белков, имеющих разное происхождение). Специфичность ферментов лежит в основе международной классификации ферментов.

Строение ферментов

Ферменты являются глобулярными белками, их молекулы могут быть представлены как простыми, так и сложными белками. В первом случае ферменты называют однокомпонентными, а во втором – двухкомпонентными. Белковая часть двухкомпонентных ферментов называется апоферментом, а небелковый компонент - коферментом. Соединение белковой части и небелковой части фермента может осуществляться за счет ионных, водородных связей, гидрофобных взаимодействий, реже - с помощью ковалентных связей. В качестве коферментов могут быть производные нуклеотидов и витаминов (НАДФ, ФАД, ФМН, АТФ, УТФ и др.), металлы, а также др. соединения небелковой природы.

Кофакторы (активаторы) - вещества небелковой природы (часто металлы - К, Са, Mg, Mn, Zn, Mo; Cl), усиливают каталитическую активность ферментов, стабилизируя структуру белковой части фермента. Ингибиторы - вещества, подавляющие активность ферментов; они частично или полностью препятствуют образованию фермент-субстратного комплекса (яды, лекарственные препараты, ионы тяжелых металлов и др.).

Область молекулы фермента, в которой происходит связывание, и превращение субстрата называется активным центром. Активный центр расположен в углублении на поверхности молекулы фермента (рис.).

В ходе ферментативной реакции осуществляется контакт между ферментом (E) и субстратом (S) с образованием промежуточного фермент-субстратного комплекса (ES).

Механизм ферментативной реакции

Реакция с участием фермента протекает в 3 стадии:

E + S ↔ ES ↔ E + P

1. Присоединение молекул S к ферменту в активном центре происходит по принципу «ключ-замок», в результате чего образуется промежуточный фермент-субстратный комплекс (ES или ФСК). В ФСК молекулы субстрата (тов) сближаются и определенным образом и ориентируются относительно друг друга. Это увеличивает время контакта между 2-мя молекулами субстратов.

2. Превращение субстрата. Вхождение субстрата (субстратов) в активный центр фермента и образование ФСК вызывает конформационное изменение структуры фермента и конфигурации активного центра. В результате этого происходит ослабление, поляризация и деформация внутримолекулярных связей в субстрате, затем их разрыв, и образование новых связей, т.е., образуется новая молекула. Именно благодаря образованию ФСК энергетический барьер реакции снижается, и ферментативные реакции протекают при относительно низкой температуре и обычном давлении (рис.).

3. Отделение конечных продуктов реакции. Образовавшаяся молекула (продукт, Р) выходит из активного центра.

Многие биохимические реакции протекают в несколько этапов в сложных мультиферментных комплексах, где несколько ферментов объединены структурно, т.е., закреплены в определенном порядке на мембране по типу конвейера.

Внутри клетки индивидуальные ферменты, как правило, содержатся в строго определенных ее органеллах. Внутриклеточная локализация ферментов непосредственно связана с той функцией, которую выполняет данный участок клетки.

Факторы, влияющие на скорость ферментативной реакции

1. Температура. Оптимальная температура для большинства ферментов - +40…+-600С. С повышением температуры возрастает кинетическая энергия мол-л, и, соответственно, скорость ферментативной реакции. При повышении t0 на 100 в пределах физиологических значений повышается в 1,4—2 раза скорость ферментативных реакций (рис).

2. рН. Ферменты содержат большое число ионогенных групп, ионизация которых, зависящая от рН, влияет на каталитическую активность фермента. рН внутриклеточной среды может оказывать и косвенное влияние на активность ферментов, влияя на связи апофермента с небелковым компонентом (рис.)

3. Ингибиторы. Для ингибиторов характерна специфичность действия. В качестве ингибиторов могут быть клеточные метаболиты и их структурные аналоги, яды, токсические вещества, ионы тяжелых металлов, многие фармакологически активные соединения и др. (рис).

4. Концентрация фермента и субстрата (рис).

Регуляция ферментативной деятельности

Скорость ферментативных реакций в клетке осуществляется двумя основными путями – за счет экспрессии (или репрессии) генов, или за счет активации или ингибирования деятельности уже имеющихся в клетке ферментов.

1. Экспрессия (репрессия) генов. При изменении условий в клетке усиливается дополнительный синтез белков-ферментов; появляются белки-ферменты с новыми каталитическим функциями или расширяется спектр изоферментов. Изоферменты – ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию, но различающиеся по структуре, физико-химическим свойствам. При изменении условий существования спектр изоферментов в клетке может меняться, что повышает адаптивность организма к внешним условиям.

2. Активация или ингибирование присутствующих в клетке ферментов.

Конкурентное ингибирование активного центра фермента продуктами реакции (при «перепроизводстве» продукта реакции).

Неконкурентная (аллостерическая) регуляция, алло- разный). Присоединение активатора или ингибитора к регуляторному центру фермента приводит к изменению формы активного центра фермента, где идет связывание фермента с субстратом, и это отражается на скорости ферментативной реакции (см. рис.). Ингибиторы бывают природные и синтетические, общего действия (ионы тяжелых металлов, например, Hg, Pb); специфические, подавляющие активность определенных ферментов. Например, фториды подавляют реакции гликолиза, а цианиды подавляют реакции аэробной фазы дыхания.

Локализация ферментов в клетке.

Внутри клетки индивидуальные ферменты содержатся и действуют в строго определенных органеллах в зависимости от функций, выполняемых данной органеллой (или частью клетки). Например, ферменты цикла Кальвина присутствуют в строме хлоропласта, ферменты гликолиза – в цитоплазме. Ферменты цикла Кребса находятся в матриксе митохондрий, окислительного фосфорилирования – на внутренней мембране митохондрий; ферменты синтеза нуклеиновых кислот находятся в ядре; гидролазы, осуществляющие распад полимеров на мономеры присутствуют в лизосомах.