Ферменти

Обмін речовин в організмі можна визначити як сукупність усіх хімічних перетворень, яким піддаються сполуки, що надходять ззовні. Ці перетворення включають всі відомі види хімічних реакцій: міжмолекулярне перенесення функціональних груп, гідролітичне та негідролітичне розщеплення хімічних зв'язків, внутрішньомолекулярна перебудова, новоутворення хімічних зв'язків та окисно-відновні реакції. Такі реакції протікають в організмі з надзвичайно великою швидкістю лише у присутності каталізаторів. Всі біологічні каталізатори є речовинами білкової природи і носять назви ферменти (далі Ф) або ензими (Е).

Ферменти є компонентами реакцій, лише прискорюють досягнення рівноваги збільшуючи швидкість як прямого, і зворотного перетворення. Прискорення реакції відбувається за рахунок зниження енергії активації - того енергетичного бар'єру, який відокремлює один стан системи (вихідна хімічна сполука) від іншого (продукт реакції).

Ферменти прискорюють різні реакції в організмі. Така проста з погляду традиційної хімії реакція відщеплення води від вугільної кислоти з утворенням СО 2 вимагає участі ферменту, т.к. без нього вона протікає надто повільно регулювання рН крові. Завдяки каталітичній дії ферментів в організмі стає можливим перебіг таких реакцій, які без каталізатора йшли б у сотні і тисячі разів повільніше.

Властивості ферментів

1. Вплив на швидкість хімічної реакції: ферменти збільшують швидкість хімічної реакції, але при цьому не витрачаються.

Швидкість реакції – це зміна концентрації компонентів реакції за одиницю часу.Якщо вона йде у прямому напрямку, то пропорційна концентрації реагуючих речовин, якщо у зворотному – то пропорційна концентрації продуктів реакції. Відношення швидкостей прямої та зворотної реакцій називається константою рівноваги. Ферменти що неспроможні змінювати величини константи рівноваги, але стан рівноваги у присутності ферментів настає швидше.

2. Специфіка дії ферментів. У клітинах організму протікає 2-3 тис. реакцій, кожна з яких каталізується певним ферментом. Специфічність дії ферменту – це здатність прискорювати перебіг однієї певної реакції, не впливаючи на швидкість інших, навіть дуже схожих.

Розрізняють:

Абсолютну– коли Ф каталізує лише одну певну реакцію (аргіназа – розщеплення аргініну)

Відносну(групову спец) - Ф каталізує певний клас реакцій (напр. гідролітичне розщеплення) або реакції за участю певного класу речовин.

Специфічність ферментів обумовлена ​​їхньою унікальною амінокислотною послідовністю, від якої залежить конформація активного центру, що взаємодіє з компонентами реакції.

Речовина, хімічне перетворення якого каталізується ферментом зветься субстрат (S) .

3. Активність ферментів – здатність по-різному прискорювати швидкість реакції. Активність виражають у:

1) Міжнародні одиниці активності – (МЕ) кількість ферменту, що каталізує перетворення 1 мкМ субстрату за 1 хв.

2) Каталах (кат) - кількість каталізатора (ферменту), здатне перетворювати 1 моль субстрату за 1 с.

3) Питомої активності – число одиниць активності (будь-яких з перелічених вище) в досліджуваному зразку до загальної маси білка у цьому зразку.

4) Рідше використовують молярну активність – кількість молекул субстрату перетворених однією молекулою ферменту за хвилину.

Активність залежить насамперед від температури . Найбільшу активність той чи інший фермент проявляє за оптимальної температури. Для живого організму це значення знаходиться в межах +37,0 - +39,0 ° С, залежно від виду тварини. При зниженні температури сповільнюється броунівський рух, зменшується швидкість дифузії і, отже, уповільнюється процес утворення комплексу між ферментом і компонентами реакції (субстратами). У разі підвищення температури вище +40 - +50 °С молекула ферменту, яка є білком, піддається денатурації. У цьому швидкість хімічної реакції помітно падає (рис. 4.3.1.).

Активність ферментів залежить також від рН середовища . Більшість їх існує певне оптимальне значення рН, у якому їх активність максимальна. Оскільки в клітині містяться сотні ферментів і для кожного з них існують свої межі опт рН, зміна рН це один з важливих факторів регуляції ферментативної активності. Так, у результаті однієї хімреакції за участю певного ферменту рН опт якого лежить у перделах 7.0 – 7.2 утворюється продукт, який є кислотою. У цьому значення рН зміщується в область 5,5 – 6.0. Активність ферменту різко знижується, швидкість утворення продукту сповільнюється, але при цьому активізується інший фермент, для якого ці рН раціони оптимальні і продукт першої реакції піддається подальшому хімічному перетворенню. (Ще приклад про пепсин та трипсин).

1. змінюють вільну енергію реакції

2. інгібують зворотну реакцію

3. змінюють константу рівноваги реакції

4. направляють реакцію обхідним шляхом з нижчими значеннями енергії активації проміжних реакцій

102. Зміна конформації молекули ферменту може відбуватися:

2. лише за зміни рН

103. Зміна ступеня іонізації функціональних груп ферменту відбувається за:

1. лише за зміни температури

2. лише за зміни рН

3. лише за зміни обох умов

4. не відбувається ні за яких змін

104. Гідроліз пептидних зв'язків відбувається за:

1. лише за зміни температури

2. лише за зміни рН

3. при зміні обох умов

4. не відбувається ні за яких змін температури і рН

105. Порушення слабких зв'язків у молекулі ферменту відбувається при:

2. лише за зміни рН

3. при зміні обох умов

4. не відбувається ні за яких змін

106 Пепсин виявляє оптимальну активність при значенні рН:

1. 1,5-2,5

107. Оптимум рН до роботи більшості ферментів є:

1. рН< 4,0

3. 6,0 < pH < 8,0

108. Виберіть із нижченаведених тверджень правильні:

1. всі ферменти виявляють максимальну активність при рН = 7

2. більшість ферментів проявляє максимальну активність при рН, близькій до нейтрального

3. пепсин виявляє максимальну активність при рН = 1,5-2,5

109. За допомогою рівняння Міхаеліса-Ментен можна розрахувати:

4. зміна вільної енергії під час хімічної реакції

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

1. енергію активації хімічної реакції

2. швидкість каталізованої ферментом реакції

3. енергетичний бар'єр хімічної реакції

111. Виберіть правильні відповіді: Константа Міхаеліса (K m) – це:

2. Може мати різне значення для ізоферментів

3. Величина, коли всі молекули ферменту перебувають у формі ES

4. Чим більший її величина, тим більше спорідненість ферменту до субстрату

112. Виберіть правильні відповіді: Константа Міхаеліса (K m) – це:

1. Параметр кінетики ферментативної реакції

2. Величина, коли всі молекули ферменту перебувають у формі ES

3. Чим більший її величина, тим більше спорідненість ферменту до субстрату

4. Концентрація субстрату, при якій досягається половина максимальної реакції швидкості реакції (Vmax)

113. Назвіть особливості будови та функціонування алостеричних ферментів:

3. при взаємодії з лігандами спостерігається кооперативна зміна конформації субодиниць

4. при взаємодії з лігандами спостерігається кооперативна зміна конформації субодиниць

114. Назвіть особливості будови та функціонування алостеричних ферментів:

1. як правило, є олігомерними білками

2. як правило, не є олігомерними білками

3. виявляють регуляторні властивості при дисоціації молекули на протоміри

4. при взаємодії з лігандами спостерігається кооперативна зміна конформації субодиниць

Ферменти. Кінетика ферментативних реакцій

Біохімічні реакції протікають лише за участю ферментів, тобто каталізаторів, що є за своїм складом та будовою білками. Як із курсу неорганічної, так і з курсу органічної хімії відомі речовини, що виявляють каталітичну дію. Такі речовини, які називають каталізаторами, є у всіх класах речовин – прості речовини (як метали, так і неметали), кислоти, основи, оксиди, солі. Особливо широко застосовуються каталізатори в органічній хімії, так як органічних речовин характерна відносно низька реакційна здатність. Переходячи на новий рівень хімії – біохімію, ми зустрічаємося і з новим класом каталізаторів – ферментами. Нескінченна різноманітність структури білкових молекул виявляється причиною біосинтезу спеціальних білків, придатних як каталізаторів всім біохімічних процесів, що здійснюються в природі.

Ферментативному каталізу притаманні характерні риси всіх каталітичних процесів, але виявляються й принципово важливі відмінності. До загальних закономірностей належать такі:

Ферменти збільшують швидкість реакції, але не зміщують хімічну рівновагу;

Ферменти прискорюють ті реакції, які можуть спонтанно протікати в даних умовах;

Мимовільна реакція, пов'язана з мимовільною, також протікає за участю ферментів

Швидкість ферментативної реакції залежить від температури та концентрацій реактантів (субстрату та ферменту).

До специфічних особливостей ферментативних реакцій належать такі:

Ферменти відрізняються вищою, ніж звичайні каталізатори, вибірковістю до субстратів. Часто фермент прискорює лише одну біохімічну реакцію або досить вузьку групу споріднених реакцій;

Ферменти діють стереоспецифічно, прискорюючи синтез лише одного з можливих просторових ізомерів.

Ферменти виявляють активність в обмеженому інтервалі температури – нижче за температуру денатурації даного білка;

Активність ферменту залежить від рН середовища; кожен фермент має оптимальне значення рН, у якому активність максимальна.

Багато ферментів діють лише за активування коферментами – низькомолекулярними молекулами та іонами.

Ферменти можуть бути в розчиненому стані або бути вбудованими в клітинні мембрани.

Активність ферменту може залежати від концентрації препарату реакції.

Ферменти присутні у клітинах у дуже малих концентраціях. Визначення їх у тканинних екстрактах чи рідинах – складне завдання. Тому розроблено спеціальні підходи до визначення каталітичної активності ферментів. Вимірюють швидкість реакції, що йде під дією наявного ферменту. Результат виражають у одиницях активності ферменту. Потім порівнюють відносні кількості ферменту різних екстрактах. Одиниці активності виражають в мкмоль (10 -6), нмоль (10 -9) або пмоль (10 -12) витраченого субстрату або продукту, що утворився в одиницю часу (хвилину). Міжнародні одиниці активності позначаються U, nU та pU.

До ферментативного каталізу додаються основні положення теорії швидкостей хімічних реакцій. Для протікання реакції необхідно зближення (зіткнення) молекул ферменту (зустрічаються позначення F, Е, Enz) та субстрату (S) достатнє для утворення зв'язків. Для того щоб зіткнення виявилося продуктивним (активним), молекули повинні мати енергію, достатню для подолання енергетичного бар'єру. Як відомо, цей бар'єр називається енергією активації. На окремих стадіях ферментативної реакції фермент постає як звичайний реактант, реагуючи в молярному відношенні 1:1. Ферментативні процеси часто є спеціальними схемами. Наприклад, реакція перенесення групи

A–B+D A–D+B

за участю ферменту зображується так:

A–B Enz A–D

Як ще один приклад написання схеми ферментативної реакції візьмемо реакцію ізомеризації

S  з-S

За участю ферменту реакція записується так:

S Enz з-S

Стрілки створюють картину циклічного процесу, який залучаються молекули субстрату S і виходять молекули продукту, часто позначається як P.

Фермент є складною молекулою, що складається з сотень амінокислотних залишків і тисяч атомів. У зв'язуванні із субстратом може брати участь лише невелика група атомів у такій молекулі. Ця група називається активним центром. Е. Фішер запропонував модель взаємодії Enz-S як відповідність ключа та замку. Тільки за наявності такої відповідності може здійснитися перетворення субстрату. Стає зрозумілою вибірковість дії ферменту. Ця модель не втратила свого значення, але пізніше було запропоновано модель індукованої відповідності (Кошланд), у якій враховується гнучкість молекули ферменту. При зближенні молекул ферменту та субстрату відбуваються конформаційні зміни ферменту, що надають остаточної конфігурації реакційного центру. Молекули, аналогічні субстрату, теж можуть викликати конформаційні зміни ферменту, але при цьому з'являються відмінності в конформаціях, при яких не виникає активний активний центр.

Вплив температури

В обмеженому інтервалі температур до початку денатурації білка швидкість ферментативної реакції збільшується, підкоряючись звичайному закону, що виражається рівнянням Арреніуса. Для багатьох ферментативних реакцій характерний температурний коефіцієнт швидкості Q 10 близький до двох. Це відповідає енергії активації Е а = 55 кДж/моль при 37.

При наближенні до температури денатурації білка приріст швидкості сповільнюється, потім досягається максимальна швидкість і далі починається різке падіння швидкості, так як зникають молекули ферменту, здатні до каталізу. Залежність швидкості каталітичної реакції від температури представлена ​​малюнку 1.

Залежність від рН

При зміні рН зміщуються рівноваги перенесення протонів і відповідно заряди на молекулах ферменту, а також нерідко на молекулах субстрату. При низьких значеннях рН фермент протонується і набуває позитивного заряду. При високих – депротонується, і набуває негативного заряду. Це впливає швидкість ферментативних реакцій. Якщо активність виявляє лише одна з форм молекули ферменту з певним значенням заряду, то концентрація її проходить через максимум при певному значенні рН М, і активність виявлятиметься в межах рН М 1. Виходить залежність активності від рН, подана на рис. 2.

Для кожного ферменту існує оптимальне значення рН, про яке проявляється найбільша активність. При великих відхиленнях рН оптимального значення може відбуватися денатурація ферменту.

Залежність від концентрацій

У математичній формі залежність швидкості від концентрації представляється як кінетичного рівняння. Швидкість ферментативної реакції залежить як від концентрації субстрату, так і від концентрації ферменту за інших рівних умов (Т, рН). Необхідно враховувати, що фермент є високомолекулярною речовиною, та її концентрація у багато разів менша, ніж концентрація субстрату. Нехай у розчині містяться субстрат з M r = 100 та фермент c M r = 100000. Масові концентрації обох реактантів 1 мг/л. Їхні молярні концентрації будуть:

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

На 1000 молекул субстрату припадає одна молекула ферменту. Реальне співвідношення може бути значно більшим. Цим визначається форма кінетичних рівнянь у ферментативній кінетиці.

Типовою особливістю кінетики ферментативних реакцій виявилося, що швидкість пропорційна концентрації субстрату при його малій концентрації і стає незалежною від концентрації при великій концентрації. Ці результати експерименту графічно зображуються кривою лінією на рис. 3.

Для пояснення цієї залежності було запропоновано схему реакції у дві стадії. На початку по оборотній реакції утворюється фермент-субстратний комплекс S … E, у якому відбувається перетворення молекули субстрату. На другій стадії зв'язок молекули субстрату, що змінилася, з ферментом розривається, і з'являється вільна молекула продукту P. Кожне перетворення характеризується своєю константою швидкості.

k 1 k 2

S + E S .... E  E + P

Для процесу з таким механізмом Л. Міхаелісом і Ментен було виведено рівняння залежності швидкості від концентрації S, що отримала назву рівняння Міхаеліса-Ментен.

Напишемо кінетичні рівняння для утворення кінцевого продукту та фермент-субстратного комплексу:

v =
= k 2 c(SE) (1)

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

Загальна (початкова) концентрація ферменту завжди набагато менше концентрації субстрату, що зазначено вище. В ході реакції концентрація вільного ферменту c(E) зменшується внаслідок утворення комплексу

c(E) = c o(E)  c(SE) (3)

У стаціонарному стані концентрація комплексу залишається постійною:

= 0

З цієї умови отримуємо

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

Підставляємо вираз (3) до (4)

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

У рівнянні (5) розкриваємо квадратні дужки та перетворюємо його для знаходження концентрації фермент-субстратного комплексу SE:

Поділом чисельника та знаменника на k 1 , отримуємо

(6)

Вираз, що складається з констант, у знаменнику рівняння називають константою МіхаелісаK M :

(7)

Підставляємо отриманий вираз в ур. 1:

(8)

Отримане ур. 8 – одна із форм запису рівняння Міхаеліса-Ментен. Проаналізуємо це рівняння. У багатьох ферментативних реакціях константа другої стадії k 2 значно менше констант освіти k 1 та розпаду k-1 Фермент-субстратного комплексу. У таких випадках константа Міхаеліса приблизно дорівнює константі рівноваги розпаду комплексу на вихідні молекули:

При великій концентрації субстрату, коли c(S) K М , константою K М можна знехтувати, і тоді c(S) в ур. 8 скорочується; при цьому швидкість набуває максимального значення:

vмакс = k 2 c o (E) (9)

Максимальна швидкість залежить від концентрації ферменту і залежить від концентрації субстрату. Це означає, що реакція йде за нульовим порядком щодо субстрату.

При малій концентрації субстрату, коли c(S) K М, реакція йде за першим порядком щодо субстрату:

v =

Таким чином, зі збільшенням концентрації субстрату порядок реакції змінюється від першого (область I на рис. 4) до нульового (область III).

1/2v max

Рівняння Міхаеліса-Ментен можна записати з використанням максималоною швидкості:

(10)

Ця форма рівняння зручна уявлення результатів експерименту, коли відома концентрація ферменту.

Якщо швидкість реакції дорівнює половині максимальної швидкості, то з ур. 10 слід, що константа Міхаеліса дорівнює відповідній концентрації субстрату (рис. 4):

, звідки K M = c"(S)

Для більш точного визначення константи Міхаеліса графічним способом було запропоновано перетворення ур. 10 через зворотні значення змінних. Змінюємо місцями чисельник та знаменник в ур. 10:

або

Графічне подання рівняння Міхаеліса-Ментен у зворотних координатах 1/ v – 1/c(S) називають графіком Лайнуівера-Бьорка (рис. 5). Це графік прямої лінії, яка відсікає на осі 1/ vвідрізок, що дорівнює зворотному значенню максимальної швидкості. Продовження прямої лінії негативну область до перетину з горизонтальною віссю дає відрізок, абсолютне значення якого дорівнює 1/ K M. Таким чином, з графіка визначаються обернені значення параметрів 1/ v max та 1/ K M , а потім самі параметри.

Є ферменти, дія яких не суворо підпорядковується ур. Міхаеліса-Ментен. При високій концентрації субстрату максимальна швидкість досягається, але при низькій концентрації графік залежності v– S набуває так званого сигмоїдного вигляду. Це означає, що спочатку швидкість збільшується з прискоренням (вигнутість кривої спрямована вниз, див. рис. 6), а потім після точки перегину швидкість збільшується з уповільненням і наближається до максимальної швидкості. Це пояснюється кооперативним впливом субстрату за наявності у ферменті кількох центрів зв'язування. Зв'язування однієї молекули S сприяє зв'язування другої молекули іншому центрі.

Ферменти є високоспеціалізованими каталізаторами білкової природи, які прискорюють хімічні реакції у тварин і рослинних організмах. Майже всі хімічні перетворення в живій речовині здійснюються за допомогою ферментів. Можна сміливо сказати, що ферменти є рушійною силою біохімічних процесів у живих організмах.

Залежно від природи та призначення ферменти можуть виділятися у навколишнє середовище або утримуватись усередині клітини. Вони не втрачають каталітичної здатності і після виділення з організму (але поза клітинами ферменти тільки розщеплюють речовини). На цьому засновано їх використання у харчовій, легкій та медичній промисловості, сільському господарстві та інших галузях народного господарства.

Академік І. П. Павлов писав: «Ферменти є, як кажуть, перший акт життєвої діяльності. Усі хімічні процеси прямують у тілі саме цими речовинами, вони є збудниками всіх хімічних перетворень. Всі ці речовини відіграють величезну роль, вони обумовлюють собою ті процеси, завдяки яким проявляється життя, вони є в повному розумінні збудники життя».

Усі ферментативні реакції протікають легко та швидко. ферментативні реакції, що каталізуються в організмі, не супроводжуються утворенням побічних продуктів, у той час як в органічних реакціях, що проводяться за допомогою штучних каталізаторів, завжди утворюється хоча б один або кілька таких продуктів.

У живих організмах ферменти перебувають у впорядкованому стані. В окремих структурних утвореннях клітини ферментативні реакції протікають у певному порядку. Будучи точно скоординованими один з одним, окремі цикли реакцій забезпечують життєдіяльність клітин, органів, тканин та організму загалом. В окремих частинах клітин здійснюються строго певні біохімічні процеси.

Поруч із, що ферменти грають вирішальну роль живих організмах, їм належить чільне місце у виробництві харчових продуктів та багатьох виробів інших галузей промисловості, соціальній та сільське господарство. Виробництвоетилового спирту, пива, вина, чаю, хліба, кисломолочних та багатьох інших продуктів засноване на дії ферментів . Ферменти беруть участь у дозрівання та перезріванняплодів та овочів, дозріванні та псуваннім'яса та риби, збереженнязерна, борошна, крупи та інших продуктів .

У деяких випадках наявність ферментів у процесі переробки продуктів буває небажаною. Прикладом цього може бути реакція ферментативного потемніння плодів і овочів внаслідок впливу ферменту поліфенолоксидази або прогоркання жирів борошна в результаті дії ферментів ліпази і ліпооксидази, що присутні в зародку зерна.

В даний час з біологічних об'єктів виділено близько 3500 та вивчено кілька сотень ферментів. Вважають, що жива клітина може містити понад 1000 різних ферментів. Кожен фермент, як правило, каталізує лише один тип хімічної реакції. Оскільки фермент здатний прискорювати лише одну реакцію чи рідко групу реакцій одного типу, не впливаючи у своїй інші, у живих організмах може одночасно відбуватися багато різних реакцій. Хоча реакції окремих ферментів протікають незалежно один від одного, проте найчастіше вони пов'язані між собою складною послідовністю утворення проміжних продуктів. У цьому продукт однієї реакції може бути субстратом чи реагентом інший. Тому в одній і тій же клітині одночасно відбуваються сотні та тисячі ферментативних реакцій, що протікають у певній послідовності та в таких кількостях, які забезпечують нормальний стан клітини.

Кожен живий організм безперервно синтезує ферменти. У процесі зростання організму збільшується кількість необхідних ферментів. Непропорційне збільшення або зменшення кількості ферментів могло б призвести до порушення характеру обміну речовин, що склався в організмі.

У живій клітині ферменти можуть синтезуватися у різних структурних утвореннях – ядрі, цитоплазмі, хлоропластах, мітохондріях, цитоплазматичній мембрані та ін.

Як біологічні каталізатори ферменти, перебуваючи у незначних кількостях, здатні перетворювати Великі кількості субстрату, який вони діють. Так, фермент слини амілаза виявляє помітну каталітичну активність у розведенні 1: 1 000 000, а фермент пероксидазу виявляється активним при розведенні 1: 5 000 000. Одна молекула каталази розщеплює за одну хвилину 5 мільйонів молекул перекису водню.

Каталітична активність ферментів у багато разів перевищує активність неорганічних каталізаторів. Так, гідроліз білка до амінокислот у присутності неорганічних каталізаторів при температурі 100 °З вище здійснюється за кілька десятків годин. Такий гідроліз за участю специфічних ферментів закінчується за час менше години і протікає при температурі 30 - 40 °С. Повний гідроліз крохмалю за допомогою кислоти відбувається за кілька годин, тоді як ферментативний гідроліз при кімнатній температурі витрачається кілька хвилин. Відомо, що іони заліза каталітично прискорюють розщеплення перекису водню на водень та кисень. Але атоми заліза, що входять до складу ферменту каталази, діють на перекис водню в 10 мільярдів разів енергійніше звичайного заліза: 1 мг заліза в ферменті здатний замінити 10 т неорганічного заліза при каталітичному розщепленні перекису водню.

Важливою характерною рисою ферментів є специфічність їх дії . Специфіка ферментів набагато вища, ніж у каталізаторів неорганічної природи. Незначні іноді зміни у хімічній структурі речовини виключають прояв на цю речовину специфічного ферменту. Специфіка дії ферментів проявляється і в тих випадках, коли речовина відрізняється за хімічною структурою. Так, ферменти, що прискорюють гідроліз білків, не впливають на гідроліз крохмалю, і навпаки.

За рівнем специфічності ферменти різняться між собою. Одні ферменти каталізують лише єдину реакцію, інші великі кількість реакцій. Так, фермент глікооксидаза каталізує окислення глюкози, а трипсин гідролізує специфічні пептидні зв'язки у білках та прості ефіри амінокислот.

Специфічність дії ферментів іноді призводить до того, що на органічну сполуку впливає не один, а два ферменти.

Груповуспецифічністьпредставляють всі ферменти, тобто вони каталізують лише особливий тип реакції, наприклад, окислення моносахаридів або гідроліз олігосахаридів.

Ферменти, будучи специфічними каталізаторами, прискорюють як пряму, і зворотну реакцію , тобто гідроліз та синтез речовини, на яку вони діють. Спрямованість цього процесу залежить від концентрації вихідних та кінцевих продуктів та умов, у яких протікає реакція. У той самий час доведено, що у живої клітині більшість синтезів відбувається під впливом тих ферментів, які каталізують розщеплення тієї чи іншої сполуки.

Хімічна природа ферментів

Ферменти ділять на два великі класи - однокомпонентні, що складаються тільки з білка, і двокомпонентні, що складаються з білка та небілкової частини, званої простетичної групою. Білки ферментів можуть бути простими (протеїнами) та складними (протеїдами). Активну простетичну групу (активний центр) ферменту називають агоном , а білковий носій – фероном . Простетична група у складі ферменту займає приблизно 1 % його маси.

Міцність зв'язку простетичної групи (агону) з фероном у різних ферментів неоднакова. При слабкому зв'язку відбувається дисоціація ферменту на білкову та простетичну частину, яку називають коферментом . Кожна з груп, що утворилися, проявляє каталітичну активність. Роль коферментів грають більшість вітамінів - С, В 1 , В 2 , В 6 , В 12 , Н, Е, К та ін, а також нуклеотиди, РНК, сульфгідрильні групи, глютатіон, атоми заліза, міді, магнію і т. д. Багато ферментів мають високу каталітичну здатність тільки в тому випадку, якщо фермент не розпадається на ферон і агон.

До однокомпонентним відносяться багато ферментів, що розщеплюють білки або вуглеводи (пепсин, трипсин, татов, амілаза).

Типовим двокомпонентним ферментом є α-карбоксилаза, що каталізує розщеплення піровиноградної кислоти на вуглекислий газ та оцтовий альдегід:

α-карбоксилаза

СНзСОСООН ----→СНзСНО + СО 2 .

Хімічна природа -карбоксилази повністю встановлена, активна група цього ферменту містить вітамін В 1 .

Часто коферменти діють як проміжні продукти ферментативних реакцій, що у переносі водню. До них відносять нікотинамідаденіндінуклеотид (НАД), глютатіон, L-аскорбінову кислоту, хінони та цитохроми. Інші коферменти діють як носії або передавачі фосфатних, амінних та метильних груп.

Молекулярна вагаферментів коливається у межах – від кількох тисяч до мільйона , але більшість ферментів мають велика молекулярна вага .

Багато ферментів містять метали, що беруть участь у каталітичній дії. Так, залізо входить до складу простетичної групи ферментів каталази та пероксидази, а також цитохромоксидази, що бере участь у процесах дихання. Мідь входить до складу окисних ферментів поліфенолоксидази та аскорбінатоксидази, що відіграють важливу роль в обміні рослин.

У чистому вигляді всі ферменти є кристалами.

Каталітичні реакції здійснюються поверхні молекул ферментів. Фермент-білок утворює дисперговану фазу, на поверхні якої відбуваються реакції між речовинами, розчиненими в дисперсійному середовищі. Поверхня молекули ферменту-білка неоднорідна; на поверхні молекули є різноманітні хімічно активні угруповання, які легко зв'язують інші сполуки.

Властивості ферментів обумовленів першу чергу наявністю особливо активних центрів на поверхні білкової молекули – радикалів амінокислот або міцно приєднаних до білка спеціальних хімічних угруповань. Активним центром називають ту частину ферменту, яка сполучається з речовиною (субстратом) у процесі каталітичної дії .

Ферменти, Фермент-субстратний комплекс та Енергія активації

Найважливішою функцією білків є каталітична, її виконує певний клас білків – ферменти. В організмі виявлено понад 2000 ферментів. p align="justify"> Ферменти - це біологічні каталізатори білкової природи, які значно прискорюють біохімічні реакції. Так, ферментативна реакція відбувається у 100-1000 разів швидше, ніж ферментів. Багато властивостями вони відрізняються від каталізаторів, що використовуються в хімії. Ферменти прискорюють реакції за звичайних умов, на відміну хімічних каталізаторів.

В організмі людини та тварин за кілька секунд відбувається складна послідовність реакцій, для проведення якої із застосуванням звичайних хімічних каталізаторів потрібен тривалий час (дні, тижні або навіть місяці). На відміну від реакцій без ферментів, у ферментативних не утворюються побічні продукти (вихід кінцевого продукту – майже 100%). У процесі перетворень ферменти не руйнуються, тому невелика кількість здатна каталізувати хімічні реакції великої кількості речовин. Усі ферменти – білки і мають характерні їм властивості (чутливість до змін pH середовища, денатурація за високих температур тощо. п.).

Ферменти з хімічної природи поділяють на однокомпонентні (прості) і двокомпонентні (складні) .

Однокомпонентні (прості)

Однокомпонентні ферменти складаються лише з білків. До простих належать переважно ферменти, які здійснюють реакції гідролізу (пепсин, трипсин, амілаза, папаїн тощо).

Двокомпонентні (складні)

На відміну від найпростіших, складні ферменти містять небілкову частину – низькомолекулярний компонент. Білкова частина називається апоферментом (носієм ферменту), небілкова – коферментом (Активною або простетичною групою). Небілкова частина ферментів може бути представлена ​​або органічними речовинами (наприклад, похідними вітамінів, НАД, НАДФ, уридіновими, цитидиловими нуклеотидами, флавінами), або неорганічними (наприклад, атомами металів - заліза, магнію, кобальту, міді, цинку, молібдену тощо). .).

Не всі необхідні коферменти можуть синтезуватись організмами і тому повинні надходити з їжею. Відсутність вітамінів в їжі людини та тварин спричиняє втрату або зниження активності тих ферментів, до складу яких вони входять. На відміну від білкової частини органічні та неорганічні коферменти дуже стійкі до несприятливих умов (високої або низької температури, випромінювання тощо) і можуть відокремлюватися від апоферменту.

Характеризуються ферменти високою специфічністю: можуть перетворювати лише відповідні субстрати та каталізувати лише певні реакції одного типу. Визначає її білковий компонент, але не вся його молекула, а лише її невелика ділянка – активний центр . Структура його відповідає хімічній будові речовин, що вступають у реакцію. Для ферментів характерна просторова відповідність між субстратом та активним центром. Вони підходять один одному як ключ замку. Активні центри можуть бути дещо в одній молекулі ферменту. Активний центр, тобто місце з'єднання з іншими молекулами, є не тільки у ферментів, а й у деяких інших білків (гем в активних центрах міоглобіну та гемоглобіну). Протікають ферментативні реакції як послідовних етапів – від кількох до десятків.

Активність складних ферментів проявляється лише тоді, коли білкова частина з'єднується з небілковою. Також їхня активність проявляється лише за певних умов: температури, тиску, pH середовища тощо. п. Ферменти різних організмів найактивніші за температури, до якої пристосовані ці істоти.

Фермент-субстратний комплекс

Зв'язки субстрату з ферментом утворюють фермент-субстратний комплекс.

У цьому він змінює як власну конформацію, а й конформацію субстрату. Ферментативні реакції можуть гальмуватись власними продуктами реакції – при накопиченні продуктів швидкість реакції знижується. Якщо продуктів реакції мало, фермент активується.

Речовини, що проникають в область активного центру та блокують каталітичні групи ферментів, називаються інгібіторами (Від лат. inhibere- Стримувати, зупинятися). Активність ферментів знижують іони важких металів (свинець, ртуть тощо).

Ферменти зменшують енергію активації, тобто рівень енергії, необхідний надання реакційної здатності молекулам.

Енергія активації

Енергія активації - Це енергія, яка витрачається на розрив певного зв'язку для хімічної взаємодії двох сполук. Ферменти мають певне розташування у клітині та організмі загалом. У клітині ферменти містяться у певних її частинах. Багато з них пов'язані з мембранами клітин або окремих органел: мітохондрій, пластид тощо.

Біосинтез ферментів організми здатні регулювати. Це дозволяє підтримувати відносно постійний їхній склад за значних змін умов навколишнього середовища та частково видозмінювати ферменти у відповідь на такі зміни. Дія різних біологічно активних речовин-гормонів, лікарських препаратів, стимуляторів росту рослин, отрут тощо - полягає в тому, що вони можуть стимулювати або пригнічувати той чи інший ферментативний процес.

Деякі ферменти беруть участь у активному транспорті речовин через мембрани.

Для назв більшості ферментів характерний суфікс -аз-. Його додають до назви субстрату, з яким взаємодіє фермент. Наприклад, гідролази – каталізують реакції розщеплення складних сполук на мономери за рахунок приєднання молекули води у місці розриву хімічного зв'язку молекулах білків, полісахаридів, жирів; оксидредуктази – прискорюють окислювально-відновлювальні реакції (перенесення електронів чи протонів); ізомерази– сприяють внутрішній молекулярній перебудові (ізомеризації), перетворенню ізомерів тощо.