ФЕРМЕНТЫ
«Ферменты (Ф.) есть, так сказать, первый акт жизненной деятельности. Все химические процессы направляются в теле именно этими веществами, они есть возбудители всех химических превращений. Все эти вещества играют огромную роль, они обуславливают собою те процессы, благодаря которым проявляется жизнь, они и есть в полном смысле возбудители жизни». И.П. Павлов.
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Ферменты или энзимы (fermentum – аска (лат.), rn – внутри, zyme – закваска (греч.) – биологические катализаторы, вещества белковой природы, ускоряющие течение биохимических реакций. Это рабочий аппарат клетки. Они обуславливают химизм клетки, а, следовательно, ее жизнь.
Клетка набита Ф. В одной клетке содержится 5х108 …109 молекул Ф. Для обнаружения фермента проводят качественную реакцию.
2. ЗНАЧЕНИЕ Ф.
-
Широко используют в промышленности, особенно в пищевой и перерабатывающей (более 200 Ф.);
-
В медицине для диагностических тестов, в качестве лекарственных препаратов;
-
С помощью их расшифрована химическая структура некоторых сложных органических молекул, например, инсулина. Это позволило наладить производство синтетического инсулина;
-
Широко используется в биотехнологии, при соматической гибритдизации;
-
Многие средства защ9иты растений применяются как ингибиторы ферментов. Ф. получают с помощью микробиологической индустрии. Искусственные Ф. создать пока не удалось.
В настоящее время иной становится и технология применения Ф. Их все чаще используют в иммобилизованном виде (иммобилизованные ферменты), т.е. молекулу ферментативного белка присоединяют почти без потери каталитических способностей к твердому носителю, например, полисахаридам. В таком виде Ф. сохраняется и функционирует в сотни и тысячи раз больше. Глюкозно-фруктозный сироп из кукурузного крахмала производят как раз с помощью иммобилизованных Ф. по уравнению:
амилаза и глюко-
Крахмал -----------→ α-глюкоза -----------→ фруктоза
гюкамилаза изомераза
Фруктоза в 2 раза слаще сахарозы. Сахар в большом количестве вреден здоровью, а фруктоза – нет. Аспартам – малокалорийный заменитель сахара их 2-х аминокислот также получают с помощью иммоблизованных ферментов.
-
ОБЩИЕ И ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ.
Являясь катализаторами, Ф. имеют ряд общих свойств с небиологическими катализаторами.
-
Ф. не входят в состав конечных продуктов реакции и выходят из акции в первоначальном виде. Они не расходуются в процессе катализа. Поэтому их необходимо отделять от конечных продуктов реакции.
-
Ф. не могут возбудить реакций, противоречащих законам термодинамики. Они ускоряют лишь те реакции, которые могут протекать и без их.
-
Ф. не смещают положение равновесия реакции, а лишь ускоряют его достижение.
ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ.
-
Каждый Ф. активно функционирует лишь определенное время, а затем его молекулы разрушаются. Время полужихзни растительных ферментов колеблется от 1 часа до нескольких суток. Поэтому Ф. в клетках растений интенсивно обновляются.
-
Ф. обладают более сильным каталитическим действием (в десятки и сотни раз).
-
Ф. обладают узкой специфичностью, т.е. избирательно действуют на субстраты. Один Ф. – одна реакция, или группа близких реакций. «Ф. подходит к субстрату, как ключ к замку» (Э. Фишер). Благодаря специфичности Ф. для биохимических реакций характерен почти 100 % выход продуктов и клетки работают как идеальные химические машины. Специфичность обуславливает также разобщенность б/х реакций в клетке, их несмешиваемость.
-
Регулируемость действия Ф. в клетке.
-
Высокая лабильность Ф. в клетке, т.е. зависимость их каталитического действия от ряда факторов (температуры, рН, активаторов и ингибиторов). Это связано с белковой природой ферментов.
-
Обратимость действия ферментов.
Например, липазы, катализируют как распад, так и синтез жиров.
-
Строение ф.
Все Ф. подразделяются на две большие группы: однокомпонентные и двухкомпонентные. Однокомпонентные Ф. состоят только из белка; 2-х компонентные – из белка и связанной с ним небелковой части. Небелковая часть называется активной, или простетической группой, или коферментом. Белковая часть называется апоферментом. Каждый фермент имеет активный центр (АЦ). АЦ – часть Ф., с помощью которой соединяется Ф. с субстратом (S) и от которой зависят каталитические свойства Ф. АЦ занимает небольшую часть молекулы Ф. У однокомпонентных Ф. АЦ образуется определенными белковыми радикалами аминокислотных остатков, а у 2-х компонентных Ф. в него входят и некоторые группировки небелковой части.
1 – белковая часть – апофермент;
2 – небелковая часть (кофермент или активная группа).
Однокомпонентный Ф. 2-х компонентный Ф.
Апофермент во много раз больше кофермента.
В состав коферментов могут входить:
-
Соединения нуклеотидного типа (НАД+; НАДФ+; ФАД и др.).
-
некоторые витамины. Например, витамин РР (никотиновая кислота) в составе НАД+; НАДФ+; витамин В2 – рибофлавин – в составе ФАД.
-
Металлы и металлсодержащие небелковые части. В настоящее время известно около 100 металлоферментов.
Наиболее часто в состав Ф. входят Zn, Cu, Fe, Mo. Например, каталаза (Fe), карбоангидраза (Zn), аскарбинатоксидаза (Cu), нитратредуктаза (Mo).
-
Другие небелковые части. Например, липоевая кислота.
Все небелковые компоненты Ф. имеют сравнительно небольшую молекулярную массу и являются термосталбильными по сравнению с апоферментом.
Однако большинство Ф. являются однокомпонентными. Свыше 200 из них получены в чистом виде.
Есть и аллостерические Ф. Они имеют два центра: активный или каталитический и аллостерический. Они взаимосвязаны. Вещества, присоединяясь к алостерическому центру, вызывают изменение его формы и соответствующую перестройку активного центра, что влияет на скорость реакции. Такие вещества называются эффекторами. Они бывают положительными (ускоряют реакцию) и отрицательными (замедляют реакцию). Так регулируется активность ферментов по типу обратной связи
Механизм взаимодействия аллостерического взаимодействия фермента с эффектором:
1 – активный центр Ф.,
2 – аллостерический центр Ф.,
S – субстрат,
Э – эффектор.
Различают также конститутивные (КФ) и адаптивные ферменты (АФ). КФ – возникают как генетически детерминированные вещества для регуляции процессов, АФ – образуются при экстремальных условиях на определенных этапах онтогенеза.
-
МЕХАНИЗМ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА.
Для протекания реакции необходимы 2 условия:
а) реагирующие молекулы должны войти в контакт друг с другом; б) должны быть активированными.
Дополнительное количество Е (энергии), необходимое при данной температуре для перевода всех молекул одного моля вещества в активированное состояние, называется энергией активации (ЭА) и обозначается …..
Ферменты повышают скорость реакций благодаря тому, что они снижают ЭА.
Снижение ЭА достигается благодаря образованию активированного фермент-субстратного комплекса (ФSК).
Различают три стадии ферментативного катализа:
-
Узнавание Ф. и S и образование активированного ФSК;
-
Каталитическое превращение веществ;
-
Определение Ф и продуктов реакции.
Ф. соединяются с S при помощи АЦ (активного центра). Связывание фермента с S многоточечное при помощи слабых связей (водородных, ван-дер-ваальсовых, ион-дипольных), а ковалентные связи не образуются. Процесс этот легко обратимый. Молекулы Ф. значительно больше молекул S. Поэтому Ф. обволакивает молекулу S и при помощи слабых связей расшатывает ее. Образуется активированный ФSК. Это так называемый «эффект перчатки». Для образования ФSК необходимо соответствие конфигурации АЦ и S (как ключ к замку). Но кроме стерического соответствия должно быть и топохимическое (соответствие узнающих групп Ф. и S). Соединяясь с S, Ф. направляет биохимическую реакцию обходными путями с наименьшей затратой энергии.
СХЕМА ФЕРМЕНТАТИВНОЙ РЕАКЦИИ
АВ + Ф → АВФ А + В + Ф
субстрат фермент активированный А + ВФ → В + Ф
фермент-субстратный АФ + В → А + Ф
комплекс
В любом случае Ф. выходит из реакции в первоначальном виде.