Лекция 3. Механизм действия ферментов и кинетика ферментов

Основу жизнедеятельности любого организма составляют химические процессы. Практически все реакции в живом организме протекают с участием ферментов или энзимов.

Ферментами называют катализаторы, которые способны ускорять химические реакции. В ходе реакции они претерпевают физические изменения, но по ее завершении возвращаются в исходное состояние.

Ферменты являются белковыми катализаторами биохимических реакций, большая часть которых в отсутствие ферментов протекала бы крайне медленно. В отличие от небелковых катализаторов (Н+, ОН-, ионы металлов) каждый фермент способен катализировать лишь очень небольшое число реакций, часто только одну.

Таким образом, ферменты представляют собой реакционно-специфические катализаторы.

Большинство ферментов для проявления ферментативной активности нуждается в низкомолекулярных органических соединениях небелковой природы (коферментах) или ионах металлов (кофакторах).

Многие ферменты оказывают каталитическое действие на субстраты только в присутствии специфического термостабильного низкомолекулярного органического соединения - кофермента.

В таких случаях кофермент с апоферментом (белковая часть) формируют холофермент, обладающего каталитической активностью.

апофермент + кофактор (кофермент) холофермент

Кофермент может быть связан с апоферментом ковалентными или нековалентными связями.

Термин «простетическая группа» относится к ковалентно связанному коферменту.

К числу реакций, требующих присутствия коферментов, относятся ОВР, реакции переноса функциональных групп и изомеризации, а также реакции конденсации

Гидролитические реакции, катализируемые пищеварительными ферментами, протекают в отсутствие кофермента

КОФАКТОРЫ

Более 25% всех ферментов для проявления каталитической

Активности нуждается в ионах металлов.

1. Ионы металлов выполняют функцию стабилизаторов молекулы субстрата, активного центра фермента и конформации белковой молекулы фермента, а именно, третичной и четвертичной структур.

Например, для большинства киназ в качестве одного из субстратов выступает не АТФ, а комплекс АТФ с магнием.

Магний не взаимодействует с ферментом, а участвует в стабилизации молекулы АТФ и нейтрализации отрицательного заряда субстрата, что облегчает его

присоединение к активному центру фермента.

В качестве примера можно привести расположение субстратов в активном центре гексокиназы. Гексокиназа катализирует перенос фосфатного остатка молекулы АТФ на глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата.

Ион Mg²⁺ ослабляет фосфоэфирную связь и облегчает перенос фосфата на глюкозу

1. В некоторых случаях ионы металла служат «мостиком» между ферментом и субстратом.

Они выполняют функцию стабилизаторов активного центра, облегчая присоединение к нему субстрата и протекание химической реакции. Это магний, марганец, цинк, кобальт, молибден. В отсутствие металла ферменты активностью не обладают.

Такие ферменты получили название «металлоэнзимы». Например, пируваткиназа

фосфоэнолпируват + АДФ пируват + АТФ

1. Ионы металлов обеспечивают сохранение вторичной, третичной и четвертичной структуры молекулы фермента. Такие ферменты в отсутствие ионов металлов способны к химическому катализу, однако они нестабильны.

Их активность снижается и даже полностью исчезает при небольших изменениях рН и температуры. Таким образом, ионы металлов выполняют функцию стабилизаторов оптимальной конформации белковой молекулы.

Например, для стабилизации четвертичной структуры алкогольдегидрогеназы, катализирующей реакцию окисления этанола, необходимы ионы цинка.

Удаление ионов цинка приводит к потере активности фермента.

Не менее важную роль отводят ионам металлов в осуществлении ферментативного катализа.

Эту функцию выполняют цинк, железо, марганец, медь.

Например, карбоангидраза, катализирующая образование угольной кислоты, содержит ионы цинка, который участвует в образовании Н⁺ и ОН^-.

Эти ионы присоединяются к СО₂ с образованием Н₂СО₃

СО₂ + Н₂О Н₂СО₃