3.5 Особенности ферментативного катализа

Ферменты (от лат. fermentum – закваска) – биологические катализаторы, присутствующие во всех биологических системах. Они осуществляют превращения веществ в организме, тем самым направляя и регулируя в нем обмен веществ. Ферменты находят широкое применение в пищевой и легкой промышленности. По химической природе ферменты представляют собой молекулу глобулярного белка.

Ферментативный катализ (биокатализ) – это ускорение химических реакций в биологических системах специальными белками – ферментами. В основе ферментативного катализа лежат те же химические закономерности, что и в основе обычного химического катализа, используемого в химическом производстве. Вместе с тем ферментативный катализ имеет свои особенности:

1. Более высокая активность по сравнению с химическими катализаторами (увеличение скорости в 10¹⁰ – 10¹³ раз). Это происходит потому, что ферментативные реакции на всех стадиях имеют очень низкие энергии активации (рисунок 5).

Путь реакции

Рисунок 5. Энергетические диаграммы некаталитической (а), каталитической (б) и ферментативной (в) реакции.

2. Большинство ферментов отличаются специфичностью действия, так что практически каждая реакция превращения реагирующего вещества (субстрата) в продукт осуществляется специальным ферментом. Существуют две теории специфичности действия ферментов:

1) теория Фишера (теория «ключа–замка»): фермент и субстрат по пространственному строению должны подходить друг к другу как ключ к своему замку;

2) теория Кошланда (теория «руки и перчатки»): фермент и субстрат в отдельности могут не иметь соответствующие друг к другу пространственные формы, но при сближении конфигурации их изменяются таким образом, чтобы стало возможным строгое пространственное соответствие.

3. Ферментам свойственно явление инактивации – разрушение молекулы фермента после взаимодействия с определенным числом молекул субстрата. Чем выше активность фермента, тем быстрее он разрушается. Явление инактивации объясняет теория Кошланда. Действительно, чем активнее фермент, тем интенсивнее он взаимодействует с субстратом, при котором молекула фермента претерпевает значительную пространственную деформацию. Такая многократная деформация приводит к разрыву наиболее слабых химических связей, то есть к разрушению молекулы фермента.

4. Каждый фермент содержит молекулу белка. Однокомпонентные состоят только из молекулы белка, а двухкомпонентные – из молекулы белка и связанного с ней небелкового компонента (неорганического иона или молекулы органического соединения – чаще всего молекулы витамина или продукта его превращения) – кофактора. Молекулярный комплекс белка и кофактора называется холоферментом, который обладает максимальной каталитической активностью. В составе холофермента белковая часть называется ферон, а небелковая часть – агон. Белковый компонент, лишенный кофактора называется апоферментом, а кофактор, отделенный от белковой молекулы – коферментом. Отдельно от кофактора молекула белка обладает очень низкой активностью, а кофермент как катализатор вообще неактивен.

5. Действие большинства ферментов регулируется, то есть они способны переходить от состояния с низкой активностью к состоянию с высокой активностью и обратно. Механизм регуляции представляет сложную систему, с помощью которого организм контролирует все свои функции.

6. Ферменты очень чувствительны к влиянию внешних условий. Они проявляют активность в относительно узком диапазоне температур и значения рН среды.

Механизм ферментативных реакций аналогичен механизму реакций, катализируемых химическими катализаторами:

S + E ES P + E,

то есть сначала очень быстро образуется ферментсубстратный комплекс ES, который может обратно диссоциировать на субстрат S и фермент Е, но и равным образом медленно превращаться в продукт реакции P. При постоянстве концентрации фермента зависимость начальной скорости превращения субстрата v₀ от его начальной концентрации описывается кинетическим уравнением Михаэлиса-Ментен:

v₀ = ,

где K_m и V_max – кинетические параметры, отражающие механизм действия фермента.

Методика определения этих параметров основана на использовании уравнения Лайнуивера – Берка, которое получается путем преобразования уравнения Михаэлиса – Ментен:

= +

Рисунок 6 Определение параметров Km и Vmax уравненияЛайнуивера-Берка.

На рисунке 6 показана методика определения параметров K_m и V_max. V_max - это максимальная начальная скорость реакции при данной концентрации фермента [E] (рисунок 7). Молярная активность фермента (а_Е ) определяется соотношением:

а_Е = ,

которое показывает количество молекул субстрата, превращаемого одной молекулой фермента за единицу времени. Например, для реак-ции СО₂ + Н₂О Н₂СО₃, катализируемой ферментом крови карбо-нат-дегидратазой а_Е= 36∙10⁶ моль СО₂/(мин∙моль Е), то есть 1 молекула фермента за одну минуту катализирует превращение 36 млн. молекул СО₂.

Рисунок 7 Зависимость начальной скорости ферментативной реакции от начальной концентрации субстрата

Параметр K_m имеет смысл количества субстрата, необходимого для связывания половины имеющегося фермента в фермент-субстратный комплекс и достижения половины максимальной скорости (рисунок 7). Поэтому K_m можно использовать для оценки специфичности действия определенного фермента по отношению к данному субстрату. Например, для реакции

моносахарид + АТФ сахарофосфат + АДФ,

катализируемой ферментом гексокиназой, для глюкозы получено К_m= 8∙10^–6 моль/л, а для аллозы К_m= 8∙10^–3 моль/л. Следовательно, фермент более предпочтительно взаимодействует с глюкозой, так как для достижения одного и того же результата его требуется в 1000 раз меньше, чем аллозы.