Ферменты

Обмен веществ в организме можно определить как совокупность всех химических превращений, которым подвергаются соединения, поступающие извне. Эти превращения включают все известные виды химических реакций: межмолекулярный перенос функциональных групп, гидролитическое и негидролитическое расщепления химических связей, внутримолекулярная перестройка, новообразование химических связей и окислительно - восстановительные реакции. Такие реакции протекают в организме с чрезвычайно большой скоростью только в присутствии катализаторов. Все биологические катализаторы представляют собой вещества белковой природы и носят названия ферменты (далее Ф) или энзимы (Е).

Ферменты не являются компонентами реакций, а лишь ускоряют достижение равновесия увеличивая скорость как прямого, так и обратного превращения. Ускорение реакции происходит за счет снижении энергии активации – того энергетического барьера, который отделяет одно состояние системы (исходное химическое соединение) от другого (продукт реакции).

Ферменты ускоряют самые различные реакции в организме. Так достаточно простая с точки зрения традиционной химии реакция отщепления воды от угольной кислоты с образованием СО 2 требует участия фермента, т.к. без него она протекает слишком медленно для регулирования рН крови. Благодаря каталитическому действию ферментов в организме становится возможным протекание таких реакций, которые без катализатора шли бы в сотни и тысячи раз медленнее.

Свойства ферментов

1. Влияние на скорость химической реакции: ферменты увеличивают скорость химической реакции, но сами при этом не расходуются.

Скорость реакции – это изменение концентрации компонентов реакции в единицу времени. Если она идет в прямом направлении, то пропорциональна концентрации реагирующих веществ, если в обратном – то пропорциональна концентрации продуктов реакции. Отношение скоростей прямой и обратной реакций называется константой равновесия. Ферменты не могут изменять величины константы равновесия, но состояние равновесия в присутствии ферментов наступает быстрее.

2. Специфичность действия ферментов. В клетках организма протекает 2-3 тыс. реакций, каждая из которые катализирутся определенным ферментом. Специфичность действия фермента – это способность ускорять протекание одной определенной реакции, не влияя на скорость остальных, даже очень похожих.

Различают:

Абсолютную – когда Ф катализирует только одну определенную реакцию (аргиназа – расщепление аргинина)

Относительную (групповую спец) – Ф катализирует определенный класс реакций (напр. гидролитическое расщепление) или реакции при участии определенного класса веществ.

Специфичность ферментов обусловлена их уникальной аминокислотной последовательностью, от которой зависит конформация активного центра, взаимодействующего с компонентами реакции.

Вещество, химическое превращение которого катализируется ферментом носит название субстрат (S) .

3. Активность ферментов – способность в разной степени ускорять скорость реакции. Активность выражают в:

1) Международных единицах активности – (МЕ) количество фермента, катализирующего превращение 1 мкМ субстрата за 1 мин.

2) Каталах (кат) – количество катализатора (фермента), способное превращать 1 моль субстрата за 1 с.

3) Удельной активности – число единиц активности (любых из вышеперечисленных) в исследуемом образце к общей массе белка в этом образце.

4) Реже используют молярную активность – количество молекул субстрата превращенных одной молекулой фермента за минуту.

Активность зависит в первую очередь от температуры . Наибольшую активность тот или иной фермент проявляет при оптимальной температуре. Для Ф живого организма это значение находится в пределах +37,0 - +39,0 °С, в зависимости от вида животного. При понижении температуры, замедляется броуновское движение, уменьшается скорость диффузии и, следовательно, замедляется процесс образования комплекса между ферментом и компонентами реакции (субстратами). В случае повышения температуры выше +40 - +50 °С молекула фермента, которая является белком, подвергается процессу денатурации. При этом скорость химической реакции заметно падает (рис. 4.3.1.).

Активность ферментов зависит также от рН среды . Для большинства из них существует определенное оптимальное значение рН, при котором их активность максимальна. Поскольку в клетке содержатся сотни ферментов и для каждого из них существуют свои пределы опт рН, то изменение рН это один из важных факторов регуляции ферментативной активности. Так, в результате одной химреакции при участии определенного фермента рН опт которого лежит в перделах 7.0 – 7.2 образуется продукт, который является кислотой. При этом значение рН смещается в область 5,5 – 6.0. Активность фермента резко снижается, скорость образования продукта замедляется, но при этом активизируется другой фермент, для которого эти значения рН оптимальны и продукт первой реакции подвергается дальнейшему химическому превращению. (Еще пример про пепсин и трипсин).

1. изменяют свободную энергию реакции

2. ингибируют обратную реакцию

3. изменяют константу равновесия реакции

4. направляют реакцию по обходному пути с более низкими значениями энергии активации промежуточных реакций

102. Изменение конформации молекулы фермента может происходить:

2. только при изменении рН

103. Изменение степени ионизации функциональных групп фермента происходит при:

1. только при изменении температуры

2. только при изменении рН

3. только при изменении обоих условий

4. не происходит ни при каких изменениях

104. Гидролиз пептидных связей происходит при:

1. только при изменении температуры

2. только при изменении рН

3. при изменении обоих условий

4. не происходит ни при каких изменениях температуры и рН

105. Нарушение слабых связей в молекуле фермента происходит при:

2. только при изменении рН

3. при изменении обоих условий

4. не происходит ни при каких изменениях

106 Пепсин проявляет оптимальную активность при значении рН:

1. 1,5-2,5

107. Оптимум рН для работы большинства ферментов является:

1. рН < 4,0

3. 6,0 < pH < 8,0

108. Выберите из нижеследующих утверждений правильные:

1. все ферменты проявляют максимальную активность при рН=7

2. большинство ферментов проявляет максимальную активность при рН, близкой к нейтральному

3. пепсин проявляет максимальную активность при рН = 1,5-2,5

109. С помощью уравнения Михаэлиса-Ментен можно рассчитать:

4. изменение свободной энергии в ходе химической реакции

V = V max x [S] / K m + [S]

1. энергию активации химической реакции

2. скорость катализируемой ферментом реакции

3. энергетический барьер химической реакции

111. Выберите правильные ответы: Константа Михаэлиса (K m) – это:

2. Может иметь разное значение для изоферментов

3. Величина, при которой все молекулы фермента находятся в форме ES

4. Чем больше её величина, тем больше сродство фермента к субстрату

112. Выберите правильные ответы: Константа Михаэлиса (K m) – это:

1. Параметр кинетики ферментативной реакции

2. Величина, при которой все молекулы фермента находятся в форме ES

3. Чем больше её величина, тем больше сродство фермента к субстрату

4. Концентрация субстрата, при которой достигается половина максимальной реакции скорости реакции (V max)

113. Назовите особенности строения и функционирования аллостерических ферментов:

3. при взаимодействии с лигандами наблюдается кооперативное изменение конформации субъединиц

4. при взаимодействии с лигандами наблюдается кооперативное изменение конформации субъединиц

114. Назовите особенности строения и функционирования аллостерических ферментов:

1. как правило, являются олигомерными белками

2. как правило, не являются олигомерными белками

3. проявляют регуляторные свойства при диссоциации молекулы на протомеры

4. при взаимодействии с лигандами наблюдается кооперативное изменение конформации субъединиц

Ферменты. Кинетика ферментативных реакций

Биохимические реакции протекают только при участии ферментов, т. е. катализаторов, являющихся по своему составу и строению белками. Как из курса неорганической, так и из курса органической химии известны вещества, проявляющие каталитическое действие. Такие вещества, называемые катализаторами, есть во всех классах веществ – простые вещества (как металлы, так и неметаллы), кислоты, основания, оксиды, соли. Особенно широко применяются катализаторы в органической химии, так как для органических веществ характерна относительно низкая реакционная способность. Переходя на новую ступень химии – биохимию, мы встречаемся и с новым классом катализаторов – ферментами. Бесконечное разнообразие структуры белковых молекул оказывается предпосылкой биосинтеза специальных белков, пригодных в качестве катализаторов для всех осуществляющихся в природе биохимических процессов.

Ферментативному катализу присущи характерные особенности всех каталитических процессов, но обнаруживаются и принципиально важные отличия. К общим закономерностям относятся следующие:

Ферменты увеличивают скорость реакции, но не смещают химическое равновесие;

Ферменты ускоряют те реакции, которые могут самопроизвольно протекать в данных условиях;

Несамопроизвольная реакция, сопряженная с самопроизвольной, также протекает при участии ферментов

Скорость ферментативной реакции зависит от температуры и концентраций реактантов (субстрата и фермента).

К специфическим особенностям ферментативных реакций относятся следующие:

Ферменты отличаются более высокой, чем обычные катализаторы, избирательностью к субстратам. Часто фермент ускоряет только одну биохимическую реакцию или достаточно узкую группу родственных реакций;

Ферменты действуют стереоспецифически, ускоряя синтез только одного из возможных пространственных изомеров.

Ферменты проявляют активность в ограниченном интервале температуры – ниже температуры денатурации данного белка;

Активность фермента зависит от рН среды; у каждого фермента есть оптимальное значение рН, при котором активность максимальна.

Многие ферменты действуют только при активировании коферментами – низкомолекулярными молекулами и ионами.

Ферменты могут находиться в растворенном состоянии или быть встроенными в клеточные мембраны.

Активность фермента может зависеть от концентрации продукта реакции.

Ферменты присутствуют в клетках в крайне малых концентрациях. Определение их в тканевых экстрактах или жидкостях – сложная задача. Поэтому разработаны особые подходы к определению каталитической активности ферментов. Измеряют скорость реакции, идущей под действием имеющегося фермента. Результат выражают в единицах активности фермента. Затем сравнивают относительные количества фермента в разных экстрактах. Единицы активности выражают в мкмоль (10 –6), нмоль (10 –9) или пмоль (10 –12) израсходованного субстрата или образовавшегося продукта в единицу времени (минуту). Международные единицы активности обозначаются U, nU и pU.

К ферментативному катализу приложимы основные положения теории скоростей химических реакций. Для протекания реакции необходимо сближение (столкновение) молекул фермента (встречаются обозначения F, Е, Enz) и субстрата (S) достаточное для образования связей. Для того, чтобы столкновение оказалось продуктивным (активным), молекулы должны иметь энергию, достаточную для преодоления энергетического барьера. Как известно, этот барьер называется энергией активации. На отдельных стадиях ферментативной реакции фермент выступает как обычный реактант, реагируя в молярном отношении 1:1. Ферментативные процессы часто представляют специальными схемами. Например, реакция переноса группы

A–B + D A–D + B

при участии фермента изображается следующим образом:

A–B Enz A–D

В качестве еще одного примера написания схемы ферментативной реакции возьмем реакцию изомеризации

S  изо -S

С участием фермента реакция записывается так:

S Enz изо -S

Стрелки создают картину циклического процесса, в который вовлекаются молекулы субстрата S и выходят молекулы продукта, часто обозначаемого как P.

Фермент представляет собой сложную молекулу, состоящую из сотен аминокислотных остатков и тысяч атомов. В связывании с субстратом может участвовать только небольшая группа атомов в такой молекуле. Эта группа называется активным центром. Э. Фишер предложил модель взаимодействия Enz–S как соответствие ключа и замка. Только при наличии такого соответствия может осуществиться превращение субстрата. Становится понятной избирательность действия фермента. Эта модель не потеряла своего значения, но позднее была предложена модель индуцированного соответствия (Кошланд), в которой учитывается гибкость молекулы фермента. При сближении молекул фермента и субстрата происходят конформационные изменения фермента, придающие окончательную конфигурацию реакционному центру. Молекулы, аналогичные субстрату, тоже могут вызывать конформационные изменения фермента, но при этом появляются различия в конформациях, при которых не возникает работающий активный центр.

Влияние температуры

В ограниченном интервале температур до начала денатурации белка скорость ферментативной реакции увеличивается, подчиняясь обычному закону, выражаемому уравнением Аррениуса. Для многих ферментативных реакций характерен температурный коэффициент скорости Q 10 , близкий к двум. Это соответствует энергии активации Е а = 55 кДж/моль при 37.

При приближении к температуре денатурации белка, прирост скорости замедляется, затем достигается максимальная скорость, и далее начинается резкое падение скорости, так как исчезают молекулы фермента, способные к катализу. Зависимость скорости каталитической реакции от температуры представлена на рисунке 1.

Зависимость от рН

При изменении рН смещаются равновесия переноса протонов, и соответственно заряды на молекулах фермента, а также нередко на молекулах субстрата. При низких значениях рН фермент протонируется и приобретает положительный заряд. При высоких – депротонируется, и приобретает отрицательный заряд. Это влияет на скорость ферментативных реакций. Если активность проявляет только одна из форм молекулы фермента с определенным значением заряда, то концентрация ее проходит через максимум при некотором значении рН М, и активность будет проявляться в пределах рН М 1. Получается зависимость активности от рН, представленная на рис. 2.

Для каждого фермента существует оптимальное значение рН, про котором проявляется наибольшая активность. При больших отклонениях рН от оптимального значения может происходить денатурация фермента.

Зависимость от концентраций

В математической форме зависимость скорости от концентрации представляется в виде кинетического уравнения. Скорость ферментативной реакции зависит как от концентрации субстрата, так и от концентрации фермента при прочих равных условиях (Т, рН). Необходимо учитывать, что фермент высокомолекулярное вещество, и его концентрация во много раз меньше, чем концентрация субстрата. Пусть в растворе содержатся субстрат с M r = 100 и фермент c M r = 100000. Массовые концентрации обоих реактантов 1 мг/л. Их молярные концентрации будут:

с(S) = 110 –5 моль/л, с(E) = 110 –8 моль/л

На 1000 молекул субстрата приходится одна молекула фермента. Реальное соотношение может быть значительно больше. Этим определяется форма кинетических уравнений в ферментативной кинетике.

Типичной особенностью кинетики ферментативных реакций оказалось, что скорость пропорциональна концентрации субстрата при его малой концентрации, и становится независимой от концентрации при большой концентрации. Эти результаты эксперимента графически изображаются кривой линией на рис. 3.

Для объяснения этой зависимости была предложена схема реакции в две стадии. В начале по обратимой реакции образуется фермент-субстратный комплекс S … E, в котором происходит преобразование молекулы субстрата. На второй стадии связь изменившейся молекулы субстрата с ферментом разрывается, и появляется свободная молекула продукта P. Каждое превращение характеризуется своей константой скорости.

k 1 k 2

S + E S .... E  E + P

Для процесса с таким механизмом Л. Михаэлисом и Ментен было выведено уравнение зависимости скорости от концентрации S, получившее название уравнения Михаэлиса-Ментен.

Напишем кинетические уравнения для образования конечного продукта и фермент-субстратного комплекса:

v =
= k 2 c (SE) (1)

= k 1 c (S)c (E)  k  1 c (SE)  k 2 c (SE) (2)

Общая (начальная) концентрация фермента всегда много меньше концентрации субстрата, что отмечено выше. В ходе реакции концентрация свободного фермента c (E) уменьшается вследствие образования комплекса

c (E) = c o (E)  c (SE) (3)

В стационарном состоянии концентрация комплекса остается постоянной:

= 0

Из этого условия получаем

k 1 c (S)c (E)  k  1 c (SE)  k 2 c (SE) = 0 (4)

Подставляем выражение (3) в (4)

k 1 c(S)[c o (E)  c (SE)]  k  1 c (SE)  k 2 c (SE) = 0 (5)

В уравнении (5) раскрываем квадратные скобки и преобразуем его для нахождения концентрации фермент-субстратного комплекса SE:

Делением числителя и знаменателя на k 1 , получаем

(6)

Выражение, состоящее из констант, в знаменателе уравнения называют константой Михаэлиса K M :

(7)

Подставляем полученное выраженеие в ур. 1:

(8)

Полученное ур. 8 – одна из форм записи уравнения Михаэлиса-Ментен. Проанализируем это уравнение. Во многих ферментативных реакциях константа второй стадии k 2 значительно меньше констант образования k 1 и распада k –1 фермент-субстратного комплекса. В таких случаях константа Михаэлиса приблизительно равна константе равновесия распада комплекса на исходные молекулы:

При большой концентрации субстрата, когда c (S)K М , константой K М можно пренебречь, и тогда c (S) в ур. 8 сокращается; при этом скорость принимает максимальное значение:

v макс = k 2 c o (E) (9)

Максимальная скорость зависит от концентрации фермента и не зависит от концентрации субстрата. Это означает, что реакция идет по нулевому порядку относительно субстрата.

При малой концентрации субстрата, когда c (S) K М , реакция идет по первому порядку относительно субстрата:

v =

Таким образом, при увеличении концентрации субстрата порядок реакции изменяется от первого (область I на рис. 4) до нулевого (область III).

1/2v max

Уравнение Михаэлиса-Ментен можно записать с использованием максималоной скорости:

(10)

Эта форма уравнения удобна для представления результатов эксперимента, когда не известна концентрация фермента.

Если скорость реакции равна половине максимальной скорости, то из ур. 10 следует, что константа Михаэлиса равна соответствующей концентрации субстрата (рис. 4):

, откуда K M = c "(S)

Для более точного определения константы Михаэлиса графическим методом было предложено преобразование ур. 10 через обратные значения переменных. Меняем местами числитель и знаменатель в ур. 10:

или

Графическое представление уравнения Михаэлиса-Ментен в обратных координатах 1/v – 1/c (S) называют графиком Лайнуивера-Бёрка (рис. 5). Это график прямой линии, которая отсекает на оси 1/v отрезок, равный обратному значению максимальной скорости. Продолжение прямой линии в отрицательную область до пересечения с горизонтальной осью дает отрезок, абсолютное значение которого равно 1/K M . Таким образом, из графика определяются обратные значения параметров 1/v max и 1/K M , а затем и сами параметры.

Есть ферменты, действие которых не строго подчиняется ур. Михаэлиса-Ментен. При высокой концентрации субстрата максимальная скорость достигается, но при низкой концентрации график зависимости v – S принимает так называемый сигмоидный вид. Это означает, что сначала скорость увеличивается с ускорением (выгнутость кривой направлена вниз, см. рис. 6), а затем после точки перегиба скорость увеличивается с замедлением и приближается к максимальной скорости. Это объясняется кооперативным влиянием субстрата при наличии в ферменте нескольких центров связывания. Связывание одной молекулы S способствует связывания второй молекулы на другом центре.

Ферменты представляют собой высокоспециализи­рованные катализаторы белковой природы, которые уско­ряют химические реакции в животных и растительных организмах. Практически все химические преобразования в живом веществе осуществляются с помощью ферментов. Можно сказать, что ферменты являются движущей силой биохимических процессов в живых организмах.

В зависимости от природы и назначения ферменты мо­гут выделяться в окружающую среду или удерживаться внутри клетки. Они не утрачивают каталитической спо­собности и после выделения из организма (но вне клеток ферменты только расщепляют вещества). На этом осно­вано их использование в пищевой, легкой и медицинской промышленности, сельском хозяйстве и других отраслях народного хозяйства.

Академик И. П. Павлов писал: «Ферменты 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 обусловливают собою те процессы, благодаря которым проявляется жизнь, они и есть в полном смысле возбуди­тели жизни».

Все ферментативные реакции протекают легко и бы­стро. Катализируемые в организме ферментативные реак­ции не сопровождаются образованием побочных продук­тов, в то время как в органических реакциях, проводимых с помощью искусственных катализаторов, всегда обра­зуется хотя бы один или несколько таких продуктов.

В живых организмах ферменты находятся в упорядо­ченном состоянии. В отдельных структурных образова­ниях клетки ферментативные реакции протекают в строго определенном порядке. Будучи точно скоординированными друг с другом, отдельные циклы реакций обеспечивают жизнедеятельность клеток, органов, тканей и организма в целом. В отдельных частях клетки осуществляются строго определенные биохимические процессы.

Наряду с тем, что ферменты играют решающую роль в живых организмах, им принадлежит видное место в про­изводстве пищевых продуктов и многих изделий других отраслей промышленности, а также в сельском хозяйстве. Производство этилового спирта, пива, вина, чая, хлеба, кисломолочных и многих других продуктов основано на действии ферментов . Ферменты участвуют в созревании и перезревании плодов и овощей, созревании и порче мяса и рыбы, сохраняемости зерна, муки, крупы и других продуктов .

В некоторых случаях присутствие ферментов в про­цессе переработки продуктов бывает нежелательным. При­мером этого может служить реакция ферментативного потемнения плодов и овощей в результате воздействия фермента полифенолоксидазы или прогоркание жиров муки в результате действия присутствующих в зародыше зерна ферментов липазы и липооксидазы.

В настоящее время из биологических объектов выде­лено около 3500 и изучено несколько сотен ферментов. Полагают, что живая клетка может содержать более 1000 различных ферментов. Каждый фермент, как пра­вило, катализирует только один тип химической реакции. Поскольку фермент способен ускорять только одну реак­цию или редко группу реакций одного типа, не влияя при этом на другие, в живых организмах может одновре­менно происходить много различных реакций. Хотя реакции отдельных ферментов протекают независимо друг от друга, тем не менее чаще всего они связаны между собой сложной последовательностью образования промежуточ­ных продуктов. При этом продукт одной реакции может служить субстратом или реагентом другой. Поэтому в одной и той же клетке одновременно происходят сотни и тысячи ферментативных реакций, протекающих в опре­деленной последовательности и в таких количествах, ко­торые обеспечивают нормальное состояние клетки.

Каждый живой организм непрерывно синтезирует фер­менты. В процессе роста организма увеличивается и ко­личество необходимых ферментов. Непропорциональное увеличение или уменьшение количества ферментов могло бы привести к нарушению сложившегося в орга­низме характера обмена веществ.

В живой клетке ферменты могут синтезироваться в раз­ных структурных образованиях – ядре, цитоплазме, хлоропластах, митохондриях, цитоплазматической мембра­не и др.

Как биологические катализаторы ферменты, находясь в ничтожных количествах, способны превращать огром­ные количества субстрата, на который они действуют. Так, фермент слюны амилаза обнаруживает заметную каталитическую активность в разведении 1: 1 000 000, а фермент пероксидаза оказывается активным при разве­дении 1: 5 000 000. Одна молекула каталазы расщепляет в одну минуту 5 миллионов молекул перекиси водо­рода.

Каталитическая активность ферментов во много раз превосходит активность неорганических катализаторов . Так, гидролиз белка до аминокислот в присутствии не­органических катализаторов при температуре 100 °С и выше осуществляется за несколько десятков часов. Та­кой же гидролиз при участии специфических ферментов заканчивается за время меньше часа и протекает при тем­пературе 30 – 40 °С. Полный гидролиз крахмала с помощью кислоты происходит за несколько часов, тогда как на фер­ментативный гидролиз при комнатной температуре за­трачивается несколько минут. Известно, что ионы железа каталитически ускоряют расщепление перекиси водорода на водород и кислород. Но атомы железа, входящие в со­став фермента каталазы, действуют на перекись водорода в 10 миллиардов раз энергичнее обычного железа: 1 мг железа в ферменте способен заменить 10 т неорганиче­ского железа при каталитическом расщеплении перекиси водорода.

Важной характерной особенностью ферментов является специфичность их действия . Специфичность ферментов намного выше, чем у катализаторов неорганической при­роды. Незначительные иногда изменения в химической структуре вещества исключают проявление действия на это вещество специфического фермента. Специфичность действия ферментов проявляется и в тех случаях, когда вещество различается по химической структуре. Так, фер­менты, ускоряющие гидролиз белков, не оказывают ни­какого влияния на гидролиз крахмала, и наоборот.

По степени специфичности ферменты различаются ме­жду собой. Одни ферменты катализируют только един­ственную реакцию, а другие большое число реакций. Так, фермент гликооксидаза катализирует окисление глюкозы, а трипсин гидролизует специфические пептидные связи в белках и простые эфиры аминокислот.

Специфичность действия ферментов иногда приводит к тому, что на органическое соединение оказывает влия­ние не один, а два фермента.

Групповуюспецифичность представляют все ферменты, т. е. они катализируют только особый тип реакции, на­пример окисление моносахаридов или гидролиз олигосахаридов.

Ферменты, будучи специфическими катализаторами, ускоряют как прямую, так и обратную реакцию , т. е. гидролиз и синтез вещества, на которое они действуют. Направленность этого процесса зависит от концентрации исходных и конечных продуктов и условий, в которых протекает реакция. В то же время доказано, что в живой клетке большинство синтезов происходит под действием не тех ферментов, которые катализируют расщепление того или иного соединения.

Химическая природа ферментов

Ферменты делят на два больших класса –одно­компонентные , состоящие только из белка, идвухкомпо­нентные , состоящие из белка и небелковой части, назы­ваемой простетической группой. Белки ферментов могут быть простыми (протеинами) и сложными (протеидами). Активную простетическую группу (активный центр) фермента называют агоном , а белковый носитель – фероном . Простетическая группа в составе фермента занимает примерно до 1 % его массы.

Прочность связи простетической группы (агона) с фе­роном у разных ферментов неодинакова. При слабой связи происходит диссоциация фермента на белковую и просте­тическую часть, которую называют коферментом . Каждая из образовавшихся групп проявляет каталитическую ак­тивность. Роль коферментов играют большинство витами­нов – С, В 1 , В 2 , В 6 , В 12 , Н, Е, К и др., а также нуклеотиды, РНК, сульфгидрильные группы, глютатион, атомы железа, меди, магния и т. д. Многие ферменты обладают высокой каталитической спо­собностью только в том случае, если фермент не распа­дается на ферон и агон.

К однокомпонентным относятся многие ферменты, расщепляющие белки или углеводы (пепсин, трипсин, папин, амилаза).

Типичным двухкомпонентным ферментом является α-карбоксилаза, катализирующая расщепление пировиноградной кислоты на углекислый газ и уксусный альдегид:

α-карбоксилаза

СНзСОСООН ----→СНзСНО + СО 2 .

Химическая природа α-карбоксилазы полностью установ­лена, активная группа этого фермента содержит вита­мин В 1 .

Часто коферменты действуют как промежуточные про­дукты ферментативных реакций, участвующих в переносе водорода. К ним относят никотинамидадениндинуклеотид (НАД), глютатион, L-аскорбиновую кислоту, хиноны и цитохромы. Другие коферменты действуют как носители или передатчики фосфатных, аминных и метильных групп.

Молекулярный вес ферментов колеблется в широких пределах – от нескольких тысяч до миллиона , но боль­шинство ферментов имеют большой молекулярный вес .

Многиеферменты содержат металлы , которые прини­мают участие в каталитическом действии. Так, железо входит в состав простетической группы ферментов каталазы и пероксидазы, а также цитохромоксидазы, уча­ствующей в процессах дыхания. Медь входит в состав окислительных ферментов полифенолоксидазы и аскорбинатоксидазы, играющих важную роль в обмене растений.

В чистом виде все ферменты являются кристаллами .

Каталитические реакции осуществляются на поверх­ности молекул ферментов. Фермент-белок образует дис­пергированную фазу, на поверхности которой происходят реакции между веществами, растворенными в дисперсион­ной среде. Поверхность молекулы фермента-белка неодно­родна; на поверхности молекулы имеются разнообразные химически активные группировки, легко связывающие другие соединения.

Свойства ферментов обусловлены в первую очередь наличием особо активных центров на поверхности белко­вой молекулы – радикалов аминокислот или прочно при­соединенных к белку особых химических группировок. Активным центром называют ту часть фермента, которая соединяется с веществом (субстратом) в процессе каталитического действия .

Ферменты, Фермент-субстратный комплекс и Энергия активации

Важнейшей функцией белков является каталитическая, ее выполняет определенный класс белков – ферменты. В организме выявлено более 2000 ферментов. Ферменты – это биологические катализаторы белковой природы, которые значительно ускоряют биохимические реакции. Так, ферментативная реакция происходит в 100-1000 раз быстрее, чем без ферментов. Многими свойствами они отличаются от катализаторов, использующихся в химии. Ферменты ускоряют реакции при обычных условиях, в отличие от химических катализаторов.

В организме человека и животных за несколько секунд происходит сложная последовательность реакций, для проведения которой с применением обычных химических катализаторов требуется продолжительное время (дни, недели или даже месяцы). В отличие от реакций без ферментов, в ферментативных не образуются побочные продукты (выход конечного продукта – почти 100 %). В процессе преобразований ферменты не разрушаются, поэтому небольшое их количество способно катализировать химические реакции большого количества веществ. Все ферменты – белки и имеют характерные для них свойства (чувствительность к изменениям pH среды, денатурация при высоких температурах и т. п.).

Ферменты по химической природе разделяют на однокомпонентные (простые) и двухкомпонентные (сложные) .

Однокомпонентные (простые)

Однокомпонентные ферменты состоят только из белков. К простым принадлежат преимущественно ферменты, которые осуществляют реакции гидролиза (пепсин, трипсин, амилаза, папаин и т. п.).

Двухкомпонентные (сложные)

В отличие от простых, сложные ферменты содержат небелковую часть – низкомолекулярный компонент. Белковая часть называется апоферментом (носителем фермента), небелковая – коферментом (активной или простетичной группой). Небелковая часть ферментов может быть представлена или органическими веществами (например, производными витаминов, НАД, НАДФ, уридиновыми, цитидиловыми нуклеотидами, флавинами), или неорганическими (например, атомами металлов – железа, магния, кобальта, меди, цинка, молибдена и т. п.).

Не все необходимые коферменты могут синтезироваться организмами и потому должны поступать с пищей. Отсутствие витаминов в пище человека и животных служит причиной потери или снижения активности тех ферментов, в состав которых они входят. В отличие от белковой части органические и неорганические коферменты очень стойкие к неблагоприятным условиям (высокой или низкой температурам, излучению и т.п.) и могут отделяться от апофермента.

Характеризуются ферменты высокой специфичностью: могут превращать лишь соответствующие субстраты и катализировать лишь определенные реакции одного типа. Определяет ее белковый компонент, но не вся его молекула, а лишь ее небольшой участок – активный центр . Структура его отвечает химическому строению веществ, которые вступают в реакцию. Для ферментов характерно пространственное соответствие между субстратом и активным центром. Они подходят друг другу, как ключ замку. Активных центров может быть несколько в одной молекуле фермента. Активный центр, то есть место соединения с другими молекулами, есть не только у ферментов, а и у некоторых других белков (гем в активных центрах миоглобина и гемоглобина). Протекают ферментативные реакции в виде последовательных этапов – от нескольких до десятков.

Активность сложных ферментов проявляется лишь тогда, когда белковая часть соединяется с небелковой. Также их активность проявляется лишь при определенных условиях: температуры, давления, pH среды и т. п. Ферменты разных организмов наиболее активны при температуре, к которой приспособлены эти существа.

Фермент-субстратный комплекс

Связи субстрата с ферментом образуют фермент-субстратный комплекс.

При этом он изменяет не только собственную конформацию, а и конформацию субстрата. Ферментативные реакции могут тормозиться собственными продуктами реакции – при накоплении продуктов скорость реакции снижается. Если продуктов реакции мало, то фермент активируется.

Вещества, проникающие в область активного центра и блокирующие каталитические группы ферментов, называются ингибиторами (от лат. inhibere – сдерживать, останавливаться). Активность ферментов снижают ионы тяжелых металлов (свинец, ртуть и т.п.).

Ферменты уменьшают энергию активации, то есть уровень энергии, необходимый для придания реакционной способности молекулам.

Энергия активации

Энергия активации – это энергия, которая расходуется на разрыв определенной связи для химического взаимодействия двух соединений. Ферменты имеют определенное расположение в клетке и организме в целом. В клетке ферменты содержатся в определенных ее частях. Многие из них связаны с мембранами клеток или отдельных органелл: митохондрий, пластид и т. п.

Биосинтез ферментов организмы способны регулировать. Это позволяет поддерживать относительно постоянный их состав при значительных изменениях условий окружающей среды и частично видоизменять ферменты в ответ на такие изменения. Действие разных биологически активных веществ–гормонов, лекарственных препаратов, стимуляторов роста растений, ядов и т. п. – заключается в том, что они могут стимулировать или подавлять тот или иной ферментативный процесс.

Некоторые ферменты принимают участие в активном транспорте веществ через мембраны.

Для названий большинства ферментов характерен суффикс -аз- . Его прибавляют к названию субстрата, с которым взаимодействует фермент. Например, гидролазы – катализируют реакции расщепления сложных соединений на мономеры за счет присоединения молекулы воды в месте разрыва химической связи молекулах белков, полисахаридов, жиров; оксидредуктазы – ускоряют окислительно-восстановительные реакции (перенесение электронов или протонов); изомеразы – способствуют внутренней молекулярной перестройке (изомеризации), преобразованию изомеров и т. п.