Ферменты ускоряют химические реакции. Ферменты. Ферменты-белки, ускоряющие химические реакции За счет чего ферменты ускоряют хим реакции

ОБЩИЕ СВОЙСТВА КАТАЛИЗАТОРОВ

1. Катализаторы сами НЕ ВЫЗЫВАЮТ химическую реакцию, а только УСКОРЯЮТ реакцию, которая протекает и без них.

2. Не влияют на энергетический итог реакции.

3. В обратимых реакциях катализаторы ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, причем в ОДИНАКОВОЙ степени, из чего следует, что катализаторы:

а) НЕ ВЛИЯЮТ на НАПРАВЛЕННОСТЬ обратимой реакции, которая определяется только соотношением концентраций исходных веществ (субстратов) и конечных продуктов;

б) НЕ ВЛИЯЮТ на ПОЛОЖЕНИЕ РАВНОВЕСИЯ обратимой реакции, а только ускоряют его достижение.

ОСОБЕННОСТИ ФЕРМЕНТОВ КАК БИОЛОГИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ

Ферменты обладают всеми общими свойствами обычных катализаторов. Но, по сравнению с обычными катализаторами, все ферменты являются белками. Поэтому они обладают особенностями, отличающими их от обычных катализаторов. Эти особенности ферментов, как биологических катализаторов, иногда называют общими свойствами ферментов . К ним относятся:

1. Высокая эффективность действия. Ферменты могут ускорять реакцию в 10 8 -10 12 раз (примеры смотрите в пособии «Ферменты», стр.7-8).

2. Высокая избирательность ферментов к субстратам (субстратная специфичность) и к типу катализируемой реакции (специфичность действия) (смотрите примеры в пособии "Ферменты", стр. 14-15);

3. Высокая чувствительность ферментов к неспецифическим физико-химическим факторам среды - температуре, рН, ионной силе раствора и т.д. (смотрите пособие "Ферменты" стр.10, 12-13);

4. Высокая чувствительность к химическим реагентам;

5. Высокая и избирательная чувствительность к физико-химическим воздействиям тех или иных химических веществ, которые благодаря этому могут взаимодействовать с ферментом, улучшая или затрудняя его работу (об активаторах и ингибиторах смотрите пособие "Ферменты", стр. 27-36).

СТРОЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ

Субстратом (S) называют вещество, химические превращения которого в продукт (Р) катализирует фермент (Е). Тот участок поверхности молекулы фермента, который непосредственно взаимодействует с молекулой субстрата, называется АКТИВНЫМ ЦЕНТРОМ ФЕРМЕНТА.

АКТИВНЫЙ ЦЕНТР ФЕРМЕНТА

Активный центр фермента образован из остатков аминокислот, находящихся в составе различных участков полипептидной цепи или различных полипептидных цепей, пространственно сближенных. Образуется на уровне третичной структуры белка-фермента.

В его пределах различают АДСОРБЦИОННЫЙ УЧАСТОК (центр) и КАТАЛИТИЧЕСКИЙ УЧАСТОК (центр). Кроме того, вне активного центра фермента встречаются особые функциональные участки; каждый из них обозначают термином АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЙ ЦЕНТР.

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР - это та область (зона) активного центра фермента, которая непосредственно участвует в химических преобразованиях субстрата. Формируется он за счет радикалов двух, иногда трех аминокислот, расположенных в разных местах полипептидной цепи фермента, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи. Например, каталитический центр "серин-гистидиновых" ферментов формируется за счет радикалов аминокислот серина и гистидина. Если фермент является сложным белком, то в формировании каталитического центра нередко участвует простетическая группа молекулы фермента (кофермент). Коферментную функцию выполняют все водорастворимые витамины и жирорастворимый витамин K. (подробнее о коферментной функции витаминов: пособие "Ферменты", стр.11).

АДСОРБЦИОННЫЙ ЦЕНТР - это участок активного центра молекулы фермента, на котором происходит сорбция (связывание) молекулы субстрата. Он формируется одним, двумя, чаще тремя радикалами аминокислот, которые обычно расположены рядом с каталитическим центром. Главная его функция - связывание молекулы субстрата и передача этой молекулы каталитическому центру в наиболее удобном положении (для каталитического центра). Эта сорбция происходит ТОЛЬКО ЗА СЧЕТ СЛАБЫХ ТИПОВ СВЯЗЕЙ и потому ЯВЛЯЕТСЯ ОБРАТИМОЙ. По мере формирования этих связей происходит конформационная перестройка адсорбционного центра, которая приводит к более тесному сближению субстрата и активного центра фермента, более точному соответствию между их пространственными конфигурациями. Такое соответствие - не заранее "готовое", а формирующееся в ходе взаимодействия - американский ученый Кошленд положил в основу теории ИНДУЦИРОВАННОГО СООТВЕТСТВИЯ (или «НАВЕДЕННОГО» СООТВЕТСТВИЯ), которая преодолела ограниченность существовавшей ранее теории КЛЮЧА И ЗАМКА (жесткого соответствия структуры субстрата структуре адсорбционного центра).

Очевидно, что именно структура адсорбционного центра определяет субстратную специфичность фермента, то есть требования фермента к молекуле химического вещества, чтобы она могла стать для него подходящим субстратом.

Некоторые вещества, обладающие подходящими характеристиками (то есть похожие на субстрат), могут тоже связываться с адсорбционным центром фермента. Но если в их молекуле нет такой химической связи, на которую может воздействовать каталитический центр данного фермента, то химических превращений этого вещества не произойдет. Занимая активный центр фермента, такие молекулы блокируют его работу, то есть являются ОБРАТИМЫМИ ИНГИБИТОРАМИ данного фермента (обратимыми, потому что связаны с ферментом слабыми типами связей). Повышая концентрацию субстрата, их можно ВЫТЕСНИТЬ из адсорбционного центра. Поэтому такие ингибиторы называют КОНКУРЕНТНЫМИ. Они конкурируют с истинным субстратом данного фермента за обладание его адсорбционным центром.

АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ ЦЕНТРАМИ называют такие участки молекулы фермента вне его активного центра, которые способны связываться СЛАБЫМИ ТИПАМИ СВЯЗЕЙ (значит - обратимо) с тем или иным веществом (лигандом). Причем такое связывание приводит к такой конформационной перестройке молекулы фермента, которая распространяется и на активный центр, облегчая, либо затрудняя (замедляя) его работу. Соответственно такие вещества называются АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ АКТИВАТОРАМИ или АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ ИНГИБИТОРАМИ данного фермента.

Термин "аллостерический" (то есть "имеющий иную пространственную структуру") появился в связи с тем, что эти эффекторы по своей пространственной конфигурации совсем не похожи на молекулу субстрата данного фермента (и потому не могут связываться с активным центром фермента). Было сделано заключение, что и аллостерический центр не похож по своей структуре на активный центр фермента.

Аллостерические центры найдены не у всех ферментов. Они есть у тех ферментов, работа которых может изменяться под действием гормонов, медиаторов и других биологически активных веществ. Некоторые искусственно синтезированные лекарства обладают биологической активностью потому, что их молекулы комплементарны аллостерическому центру некоторых ферментов организма.

СПЕЦИФИЧНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ

Различают два главных вида специфичности ферментов: СУБСТРАТНУЮ СПЕЦИФИЧНОСТЬ и СПЕЦИФИЧНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ.

СУБСТРАТНАЯ СПЕЦИФИЧНОСТЬ.

Это способность фермента катализировать превращения только одного определенного субстрата или же группы сходных по строению субстратов. Определяется структурой адсорбционного участка активного центра фермента.

Различают 3 типа субстратной специфичности:

1) АБСОЛЮТНАЯ субстратная специфичность - это способность фермента катализировать превращение только одного, строго определенного субстрата.

2) ОТНОСИТЕЛЬНАЯ субстратная специфичность - способность фермента катализировать превращения нескольких, сходных по строению, субстратов.

3) СТЕРЕОСПЕЦИФИЧНОСТЬ - способность фермента катализировать превращения определенных стереоизомеров.

Например, фермент оксидаза L-аминокислот способен окислять все аминокислоты, но относящиеся только к L-ряду. Таким образом, этот фермент обладает относительной субстратной специфичностью и стереоспецифичностью одновременно.

СПЕЦИФИЧНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ.

Специфичность действия - это способность фермента катализировать только определенный тип химической реакции.

В соответствии со специфичностью действия все ферменты делятся на 6 классов. Классы ферментов обозначаются латинскими цифрами. Название каждого класса ферментов соответствует этой цифре.

КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ

I класс - ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ.

К данному классу относятся ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. При окислении может происходить либо отнятие водорода от окисляемого вещества, либо присоединение кислорода к окисляемому веществу. В зависимости от способа окисления различают следующие подклассы оксидоредуктаз:

1) ДЕГИДРОГЕНАЗЫ. Катализируют реакции, при которых происходит отнятие водорода от окисляемого вещества. Пример:

2) ОКСИГЕНАЗЫ. Ферменты этого подкласса катализируют включение кислорода в окисляемое вещество.

a) Монооксигеназы - включают один атом кислорода в окисляемое вещество.

б)Диоксигеназы - включают 2 атома кислорода в окисляемое вещество. Часто это сопровождается разрывом циклической структуры. По месту разрыва связи (на рисунке обозначено стрелкой) присоединяются атомы кислорода.

II класс - ТРАНСФЕРАЗЫ

Катализируют реакции переноса химических групп с молекулы одного вещества на молекулу другого вещества.

III класс - ГИДРОЛАЗЫ

Катализируют реакции разрушения химических связей с участием воды.

IV класс - ЛИАЗЫ

Катализируют реакции разрушения химических связей без участия воды.

V класс - ИЗОМЕРАЗЫ

Катализируют реакции изомерных превращений.

ИНГИБИТОРЫ ФЕРМЕНТОВ

Ингибиторы ферментов - это вещества, замедляющие ферментативные реакции.

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ

ФЕРМЕНТЫ (энзимы) - это высокоспецифичные белки, выполняющие функции биологических катализаторов . Катализатор - это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само в ходе этой реакции не расходуется.

Какие условия необходимы для химического взаимодействия молекул, чтобы произошла химическая реакция?

1) Молекулы должны сблизиться (столкнуться) . Но не всякое столкновение приводит к взаимодействию.

2) Необходимо, чтобы это столкновение стало эффективным - завершилось бы химическим превращением . Обязательное условие для эффективности столкновения - чтобы запас энергии молекул в момент столкновения был не ниже энергетического уровня реакции .

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ РЕАКЦИИ - это запас энергии, которым должны обладать молекулы, чтобы их столкновение стало эффективным (чтобы произошла химическая реакция) . Этот запас энергии является постоянной характеристикой (константой) для каждой данной реакции.

СРЕДНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ МОЛЕКУЛ – это энергия, которой обладает большинство молекул системы в данный момент времени. Этасредняя величина энергетического запаса, которая характеризует совокупность данных молекул в данных конкретных условиях (температура, давление и другие). Энергетический запас молекул - это понятие статистическое (вероятностное). Молекулы постоянно находятся в тепловом движении. Поэтому энергетический запас каждой из них все время изменяется, колеблется около величины, которая и представляет собой СРЕДНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ МОЛЕКУЛ.

В каждый момент времени наибольшая доля молекул данной совокупности обладает именно таким СРЕДНИМ запасом энергии. И чем больше отличается энергия определенной группы молекул от среднего энергетического уровня (в любую сторону), тем малочисленнее эта группа. В любой совокупности молекул ее определенная доля обладает такой энергией, которая выше среднего энергетического уровня и достаточна для протекания химической реакции.

РАЗНОСТЬ между СРЕДНИМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УРОВНЕМ МОЛЕКУЛ и ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УРОВНЕМ РЕАКЦИИ называется энергетическим барьером или ЭНЕРГИЕЙ АКТИВАЦИИ (П акт. ). Чем больше эта энергия активации, тем медленнее идет химическая реакция.

КАК УСКОРИТЬ ХИМИЧЕСКУЮ РЕАКЦИЮ? Повышение среднего энергетического уровня молекул (повышение температуры, давления и других параметров среды, которое используют на химических заводах и фабриках) НЕВОЗМОЖНО для живых организмов, которые нормально функционируют только при постоянных значениях температуры, давления и других параметров. Невозможен и другой путь - уменьшение энергии активации путем снижения энергетического уровня реакции, поскольку эта величина является постоянной характеристикой данной реакции.

Поэтому, только явление катализа (применение катализаторов) может обеспечить ускорение химических реакций в живых организмах. Рассмотрим две реакции (смотрите рисунок).

В общем случае энергии активации реакций 1, 2а и 2б не совпадают между собой, и все разнообразие возможных вариантов можно разделить на две группы:

1) Еакт 2а и/или Еакт 2б БОЛЬШЕ, чем Еакт 1 .

Во всех таких случаях реакция образования вещества "АВ" с участием вещества "К" пойдет медленнее. Значит, вещество "К" является ИНГИБИТОРОМ (замедлителем) этой реакции.

2) Еакт 2а и/или Еакт 2б МЕНЬШЕ, чем Еакт 1 .

В этих случаях реакция с участием вещества "К" пойдет быстрее, чем без него. Значит, вещество "К" является КАТАЛИЗАТОРОМ (ускорителем) данной химической реакции.

КАТАЛИЗАТОР - это вещество, которое направляет реакцию по такому обходному пути, на котором энергетические барьеры ниже.

Рассмотренные реакции можно представить в виде "вертикального среза" через вершину вулкана, кратер которого имеет неодинаковые по высоте края.

На этом рисунке видно, что энергия, которую надо затратить для "подъема" молекулы от среднего энергетического уровня реакции, полностью компенсируется при самостоятельном "скатывании" молекулы по склону "вулкана". При дальнейшем самопроизвольном "скатывании" до подошвы "вулкана" (то есть, до среднего энергетического уровня молекул, которые являются продуктами данной реакции). Энергия, которая при этом выделяется, называется "ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИТОГ РЕАКЦИИ".

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИТОГ РЕАКЦИИ - это разность между энергетическим уровнем исходных веществ (субстратов) и энергетическим уровнем продуктов реакции.

Энергетический итог реакции не зависит от пути, по которому идет реакция (он одинаков и для реакции с участием катализатора, и для реакции без его участия). Он не зависит и от величины энергии активации - от нее зависит только скорость протекания каждого из путей этой реакции.

Это видно из УРАВНЕНИЯ АРРЕНИУСА:

Вывод из уравнения Аррениуса: так как энергия активации в этом уравнении входит в показатель степени, то даже маленькое изменение энергии активации приводит к большим изменениям скорости реакции.

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) ферменты

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

Двухкомпонентные (сложные) ферменты

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.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФЕРМЕНТОВ

Ферменты – биологические катализаторы.

Химическая природа ферментов. Активный центр ферментов.

Механизм ферментативного катализа.

I . Ферменты – биологические катализаторы белковой природы, способные во много раз ускорять химические реакции, протекающие в организме, но сами не входящие в состав конечных продуктов реакции.

Вещества, на которое действует фермент, называют субстратами.

Все многообразие биохимических реакций, протекающие в микроорганизмах, растениях и животных катализируется соответствующими ферментами. Велика роль ферментов в технологии пищевых продуктов. В основе производства любого пищевого продукта лежат либо биохимические (ферментативные), либо физико-химические процессы, либо эти процессы взаимосвязаны.

В отличие от неорганических катализаторов ферменты имеют свои особенности:

Скорость ферментативного катализа на несколько порядков выше (от 10 3 до 10 9), чем не биологического катализатора;

действие каждого фермента высокоспецифично, т.е. каждый фермент действует только на свой субстрат или группу родственных субстратов;

ферменты катализируют химические реакции в мягких условиях, т.е. при обычном давлении, высокой температуре (20-50С) и при значениях рН среды, в большинстве случаев близких к нейтральной.

С точки зрения локализации ферментов в клетке их подразделяют на внеклеточные и внутриклеточные.

Внеклеточные ферменты выделяются живой клеткой во внешнюю среду,внутриклеточные – находятся либо в клеточных органеллах, либо в комплексе с надмолекулярными структурами.

Особую группу ферментов составляют полиферментные комплексы, в состав которых входит ряд ферментов, катализирующих последовательные реакции превращения какого-либо субстрата. Эти комплексы локализованы во внутримолекулярных структурах таким образом, что каждый фермент располагается в непосредственной близости от фермента, катализирующего реакцию в цепи данной последовательности реакций. Благодаря такому расположению ферментов процесс диффузии субстрата и продуктов реакции сводится к минимуму.

II . Ферменты – высокомолекулярные белковые соединения.

Как и другие белки, ферменты имеют 4 уровня структуры, им присущи все физико-химические свойства белков, и лишь одна отличительная особенность – способность ускорять химические реакции. Ферменты могут быть простыми – однокомпонентными и сложными двухкомпонентными.

Однокомпонентные ферменты – построены из полипептидных цепей и при гидролизе распадаются только до аминокислот.

Двухкомпонентные ферменты – состоят из белковой части – апоформента и небелковой части – кофактора . Оба компонента в отдельности лишены ферментативной активности. Только соединившись вместе (холофермент ) они приобретают свойства, характерные для биокатализаторов. Роль кофактора может выполнять какой-либо ион (Zn 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ , Cu 2+ , реже K + и Na +) или органическое соединение (витамины, нуклеотиды). Кофакторы органической природы называются коферментами.

Тип связи между кофактором и апоферментом может быть различным. В некоторых случаях они существуют отдельно и связываются только во время протекания реакции; в других случаях кофактор и апофермент связаны постоянно, иногда прочными, ковалентными связями.

Активный центр ферментов –это локальный участок молекулы фермента, который участвует в акте катализа. Воднокомпонентных ферментахактивный центр образуется в результате определенной ориентации аминокислотных остатков полипептидной цепи. Обычно в его формировании принимает участие небольшое количество аминокислот, в пределах 12-16. Функциональные группы этих аминокислот могут принадлежать звеньям полипептидной цепи, удаленным друг от друга. Их сближение связано с формированием третичной структуры ферменты.

В двухкомпонентных ферментах активный центр представляет собой комплекс кофактора и некоторых примыкающих к нему аминокислотных остатков.

В активном центре различают контактный (якорный ) участок, функция которого – связывать субстрат, икаталитический – где происходит превращение субстрата в продукты реакции после его связывания контактным участком. В формировании этих участков принимают участие следующие функциональные группы: СООН-группы дикарбоновых аминокислот или концевые группы полипептидной цепи; имидазольная группа гистидина; ОН-группа серина;NH 2 - группа лизин и концевые группы полипептидной цепи; фенольная группа тирозина и гидрофобные остатки алифатических аминокислот.

III . Скорость любой ферментативной реакции определяетсяэнергетическим барьером , который необходимо преодолеть реагирующим молекулам. По Аррениусу, химическая реакция с точки зрения энергетики процесса описывается уравнением

N = N 0 e -(E акт /RT) ,

где N– число активных молекул;N 0 - общее число реагирующих молекул; е – основание натурального логарифма;R– газовая постоянная;T– абсолютная температура; Е акт – энергия активации.

Энергия активации – дополнительное количество энергии, необходимое для того, чтобы все молекулы преодолели энергетический барьер реакции и вступили в неё. Эта энергия представляет собой разность общей энергии реагирующих молекул и энергиивозбужденного переходного состояния. Чем больше энергия активации в реагирующей системе, тем выше энергетический барьер и тем ниже скорость реакции.

Важнейшая функция фермента – снижение энергии активации катализируемого про­цес­са. На рис. 1 представлен график изменения энергии не­фер­ментативной (1) и ферментативной (2) реакций. Фермент снижает высоту энерге­ти­ческого барьера (Е акт  Е акт).

Механизм фермен­татив­ного катализа во многом остается пока еще не выясненным. Однако большую роль в создании ферментативной кинетики сыграли работы М. Михаэлиса и М. Ментен, в которых было развито представление о фермент-субстратном комплексе . Образование этого комплекса и ведет к снижению энергии активации реакции.

Процесс ферментативного катализа можно условно подразделить на три стадии:

Стерическое связывание субстрата Sс активным центром фер­мента Е (образование фермент-субстратного комплекса ЕS).

Преобразование первичного комплекса ЕSв активированный переходный комплекс ЕS ≠ .

Отделение конечного продукта Р реакции от фермента.

Первая стадия непродолжительна по времени и зависит от концентрации субстрата и фермента в среде, от скорости диффузии субстрата к активному центру фермента. В образовании комплекса ЕSмогут уча­ствовать в различных сочетаниях как ковалентные, координационные, ионные связи, так и менее прочные формы связей - электростатическое притяжение полярных групп, ван-дер-ваальсовы силы сцепления между неполярными участками молекул, водородные связи. Характер этих связей обусловлен химическими особенностями и субстрата, и функциональных групп, входящих в активный центр фермента.

Вторая стадия является, собственно, актом катализа, т.е. актом разрыва или образования в субстрате новых связей; она наиболее медленная и лимитирует скорость протекания химической реакции. На этой стадии и происходит снижение энергии активации ферментативной реакции, за счет образования активного переходного комплекса ЕS ≠ .

На молекулярном уровне более четкое представление о механизме действия ферментов дает теория кислотно-основного катализа. Любая реакция, идущая с разрывом ковалентных связей, предполагает участие двух противоположных по характеру электронных компонен­тов. Электроны разрываемой связи должны оттягиваться к электро-фильному компоненту и уходить от нуклеофильного. Реагенты, кото­рые могли бы обусловить такую электронную перестройку - это кислота и основание. Однако в одном и том же растворе создать одновре­менно высокие концентрации обоих компонентов невозможно, посколь­ку они нейтрализуют друг друга. В белковой молекуле фермента бла­годарязакреплению на каталитической площадке электрофильных и нуклеофильных групп не происходит прямой реакции нейтрализации. Это, собственно, и определяет акт катализа. Находясь на определенном расстоянии друг от друга, электрофильные и нуклеофильные группы каталитического участка фермента не только связываются с реаги­рующими группами субстрата, но и оказывают сильное поляризующее действие на группы субстрата. К этому следует добавить возможность флуктуации зарядов в комплексе ЕS, которая создает высокую степень эффективности данной поляризации. Это и является причиной снижения величины энергии активации при ферментативном катализе.

В соответствии с теорией ковалентного катализа некоторые фер­менты взаимодействуют со своими субстратами, образуя нестабильные, ковалентно связанные фермент-субстратные комплексы. Из этих комп­лексов в ходе последующей реакции образуются продукты реакции, при­чем значительно быстрее, чем в случае некатализируемых реакций.

Таким образом, третья стадия, завершающаяся образованием продуктов реакции, обеспечивается процессами, протекающими на пре­дыдущих стадиях.

Глава IV. ФЕРМЕНТЫ

§ 11. Общие представления о ферментах

Ферменты, или энзимы, – это биологические катализаторы, ускоряющие химические реакции. Общее число известных ферментов составляет несколько тысяч. Практически все химические реакции, протекающие в живых организмах, осуществляются при их участии. Ферменты ускоряют химические реакции в 10 8 – 10 20 раз. Они играют решающую роль в важнейших биологических процессах: в обмене веществ, в мышечном сокращении, в обезвреживании чужеродных веществ, попавших в организм, в передаче сигнала, в транспорте веществ, свертывании крови и многих других. Для клетки ферменты абсолютно необходимы, без них клетка, а следовательно, и жизнь, не могли бы существовать.

Слово фермент произошло от латинского fermentum – закваска, энзим в переводе с греческого означает «в дрожжах». Первые сведения о ферментах были получены еще в XIX веке, но только в начале XX века были сформулированы теории действия ферментов, и лишь в 1926 году Джеймс Самнер впервые получил очищенный фермент в кристаллическом виде – уреазу Уреаза катализирует гидролитическое расщепление мочевины:

Самнер обнаружил, что кристаллы уреазы состоят из белка. В 30-е гг. прошлого столетия Джон Нортон с коллегами получили в кристаллическом виде пищеварительные ферменты трипсин и пепсин, а также установили, что они, как и уреаза, по своей природе являются белками. В результате этих исследований сформировалась точка зрения о белковой природе ферментов, которая многократно впоследствии подтверждалась. И только значительно позже у некоторых РНК была обнаружена способность осуществлять катализ; такие РНК получили название рибозимов, или РНК-ферментов. Рибозимы составляют незначительную часть от всех ферментов, поэтому мы далее будем говорить о ферментах белках.

Интересно знать! Рибонуклеаза Р – фермент, расщепляющий РНК, - состоит из двух компонентов РНК и полипептида. При высокой концентрации ионов магния наличие белкового компонента становится не нужным. Катализировать реакцию может и одна РНК.

Сходства и различия ферментов с небелковыми катализаторами

Ферменты имеют ряд общих свойств с химическими небелковыми катализаторами:

а) не расходуются в процессе катализа и не претерпевают необратимых изменений;

b) ускоряют как прямую, так и обратную реакции, не смещая при этом химического равновесия;

c) катализируют только те реакции, которые могут протекать и без них;

d) повышают скорость химической реакции за счет снижения энергии активации (рис. 26).

Химическая реакция протекает потому, что некоторая доля молекул исходных веществ обладает большей энергией по сравнению с другими молекулами, и этой энергии достаточно для достижения переходного состояния. Ферменты, как и химические катализаторы, снижают энергию активации, взаимодействуя с исходными молекулами, в связи с этим число молекул, способных достичь переходного состояния, возрастает, вследствие этого увеличивается и скорость ферментативной реакции.

Рис.26. Влияние фермента на энергию активации

Ферменты, несмотря на определенное сходство с небелковыми химическими катализаторами, отличаются от них по ряду параметров:

a) ферменты обладают более высокой эффективностью действия, например, фермент каталаза, катализирующий реакцию: 2Н 2 О 2 = 2Н 2 О + О 2 , ускоряет ее приблизительно в 10 12 раз, эффективность же платины как катализатора этой реакции приблизительно в один миллион раз ниже;

b) ферменты обладают более высокой специфичностью в сравнении с небелковыми катализаторами, они ускоряют более узкий круг химических реакций, например, уже упомянутый фермент уреаза катализирует только одну реакцию – гидролиз мочевины, протеазы способны расщеплять только белки, но не действуют на углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и другие вещества. С другой стороны, платина способна катализировать различные реакции (гидрирования, дегидрирования, окисления), она катализирует как реакцию получения аммиака из азота и водорода, так и гидрирование непредельных жирных кислот (эту реакцию используют для получения маргарина);

c) ферменты эффективно действуют в мягких условиях: при температуре 0 – 40 о С, при атмосферном давлении, при значениях рН, близких к нейтральным, в более жестких условиях ферменты денатурируют и не проявляют своих каталитических качеств. Для эффективного химического катализа часто требуются жесткие условия – высокое давление, высокая температура и наличие кислот или щелочей. Например, синтез аммиака в присутствии катализаторов проводят при 500 – 550 о С и давлении 15 – 100 МПа;

d) активность ферментов в сравнении с химическими катализаторами может более тонко регулироваться различными факторами. В клетке существует множество веществ как увеличивающих, так и снижающих скорости ферментативных реакций.

Структура ферментов

Относительная молекулярная масса ферментов может колебаться от 10 4 до 10 6 и более. Ферменты – это, как правило, глобулярные белки. Одни ферменты являются простыми белками и состоят только из аминокислотных остатков (рибонуклеаза, пепсин, трипсин), активность других зависит от наличия в их составе дополнительных химических компонентов, так называемых кофакторов . В качестве кофакторов могут выступать ионы металлов Fe 2+ , Mn 2+ , Mg 2+ , Zn 2+ или сложные органические вещества, которые называют также коферментами . В состав многих коферментов входят витамины. В качестве примера на рис. 27 приведена структура кофермента А (КоА).

Рис. 27. Кофермент А

Если кофермент прочно связан с ферментом, то в этом случае он представляет простетическую группу сложного белка. Кофакторы могут выполнять следующие функции:

a) участие в катализе;

b) осуществление взаимодействия между субстратом и ферментом;

c) стабилизация фермента.

Каталитически активный комплекс фермент – кофактор называют холоферментом . Отделение кофактора от холофермента приводит к образованию неактивного апофермента :

Холофермент апофермент + кофактор.

В молекуле фермента присутствует активный центр . Активный центр – это область молекулы фермента, в которой происходит связывание субстрата и его превращение в продукт реакции. Размеры фермента, как правило, значительно превышают размеры их субстратов. Активный центр занимает лишь незначительную часть молекулы фермента (рис. 28).

Рис. 28. Относительные размеры молекулы фермента и субстрата

Активный центр образуют аминокислотные остатки полипептидной цепи. В двухкомпонентных ферментах в состав активного центра может входить и небелковый компонент. В молекуле фермента присутствуют аминокислотные остатки, которые не участвуют в катализе и во взаимодействии с субстратом. Однако они весьма существенны, так как формируют определенную пространственную структуру фермента. Наиболее часто в составе активного центра содержатся полярные (серин, треонин, цистеин) и заряженные (лизин, гистидин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты) аминокислотные остатки. Аминокислотные остатки, образующие активный центр, в полипептидной цепи находятся на значительном расстоянии и оказываются сближенными при формировании третичной структуры (рис. 29).

Рис. 29. Активный центр

Например, в активный центр химотрипсина (пищеварительного фермента, расщепляющего белки) входят остатки гистидина – 57, аспарагиновой кислоты – 102, серина – 195 (цифрами указаны порядковые номера в полипептидной цепи). Несмотря на удаленность друг от друга этих аминокислотных остатков в полипептидной цепи, в пространстве они расположены рядом и формируют активный центр фермента.

Интересно знать! При иммунизации животных веществом, являющимся аналогом переходного состояния какого либо субстрата, могут быть получены антитела, способные катализировать преобразование субстрата, такие антитела получили название каталитических или абзимов. Используя такой подход, можно направленно получать катализаторы практически для любой реакции.

Некоторые ферменты синтезируются в неактивной форме в виде так называемых проферментов , которые затем под действием определенных факторов активируются. Например, пищеварительные ферменты химотрипсин и трипсин образуются в результате активации химотрипсиногена и трипсиногена.

Номенклатура и классификация ферментов

Часто названия ферментов образуются путем прибавления суффикса к названию субстрата, на который он воздействует. Например, названия фермента уреаза произошло от английского слова urea – мочевина, протеазы (ферменты, расщепляющие белки) – от слова протеин. Многие ферменты имеют тривиальные названия, не связанные с названием их субстратов, например, пепсин и трипсин. Существуют и систематические названия ферментов, включающие названия субстратов и отражающие характер катализируемой реакции.

Интересно знать! Фермент, катализирующий реакцию

АТФ + D -глюкоза АДФ + D -глюкоза – 6 – фосфат,

носит систематическое название АТФ: гексоза 6-фосфотрансфераза.

В соответствии с катализируемой реакцией все ферменты делятся на 6 классов.

1. Оксидоредуктазы . Катализируют окислительно-восстановительные реакции

2. Трансферазы . Катализируют реакции межмолекулярного переноса групп:

АB + C = AC + B.

3. Гидролазы . Катализируют реакции гидролиза:

АВ + Н 2 О = АОН + ВН.

4. Лиазы . Катализируют реакции присоединения групп по двойным связям и обратные реакции.

5. Изомеразы . Катализируют реакции изомеризации (внутримолекулярный перенос групп).

6. Лигазы . Катализируют соединение двух молекул, сопряженное с гидролизом АТФ.

В свою очередь каждый класс подразделяют на подклассы, подклассы – на подподклассы. Ферментам, образующим подподклассы, присваивается порядковый номер. В итоге каждый фермент имеет свой четырехзначный номер.

Материал из Юнциклопедии

Ферментами называются белковые вещества (см. Белки), ускоряющие жизненно важные химические реакции в клетках организмов. Являясь катализаторами, они образуют с исходными веществами неустойчивые промежуточные соединения: эти соединения, распадаясь, дают конечный продукт данной реакции и освобождают ферменты.

Действие некоторых ферментов легко наблюдать в опыте. Так, фермент каталаза значительно ускоряет разложение пероксида водорода Н2О2 на воду и кислород. Это жизненно важная реакция, так как пероксид водорода образуется в результате обмена веществ в клетке и сам по себе оказывает на клетку вредное действие. Каталаза содержится почти во всех клетках животных и растительных организмов.

Известно очень много ферментов, и каждый из них ускоряет только одну какую-либо реакцию или группы однотипных реакций. Эту особенность ферментов называют специфичностью или селективностью (избирательностью) действия. Направленность их действия позволяет организму быстро и точно выполнять сложную химическую работу по перестройке молекул пищевых веществ в нужные ему соединения.

Уже во рту во время пережевывания пищи под влиянием фермента амилазы сложные сахара, в частности крахмал, начинают разлагаться на менее сложные. Эта работа в дальнейшем будет продолжена в кишечнике ферментами карбогидразами. В желудке и кишечнике разложению с участием пепсина, трипсина, химотрипсина подвергаются белки пищи. Жиры разлагаются на глицерин и карбоновые кислоты (или их соли) под влиянием ферментов, называемых липазами. Все эти реакции разложения протекают по одному принципу: разрывается определенная химическая связь в молекуле белка, углевода или жира, и освободившиеся валентности используются для присоединения групп ОН- и иона Н+ из молекул воды. Происходит процесс гидролиза. Для молекулы белка эту реакцию можно представить так:

R 1 -CO-NH-R 2 - + НОН = -R 1 COOH + NH 2 -R 2 -

Известны ферменты, оказывающие иное действие на молекулы. Некоторые из них ускоряют окислительно-восстановительные реакции: они способствуют переносу электрона от одной молекулы (окисляемой) к другой (восстанавливаемой). Существуют ферменты, соединяющие молекулы друг с другом; ферменты, переносящие большие и сложные группы атомов от одной молекулы к другой, и т. д.

Располагая богатым набором ферментов-катализаторов, клетка разлагает молекулы пищевых белков, жиров и углеводов на небольшие фрагменты и из них заново строит белковые и иные молекулы, которые будут точно соответствовать потребностям данного организма. Вот почему великий русский физиолог И. П. Павлов назвал ферменты носителями жизни.

Активность большего числа ферментов определяется строением белковой молекулы. Определенное пространственное расположение остатков аминокислот, образующих цепеобразную молекулу белка (полипептидная цепь, см. Пептиды), создает условия для протекания катализируемой ферментом реакции. Длинная цепочка остатков аминокислот свернута в сложный клубок так, что аминокислоты, расположенные в цепи далеко друг от друга, могут оказаться соседями. Некоторые из возникших таким путем группировок остатков аминокислот проявляют каталитические свойства и образуют активный центр фермента.

Пепсин, химотрипсин, принимающие участие в пищеварении, могут служить примером ферментов, в которых активная группа является частью молекулы белка.

Другие ферменты для проявления активности нуждаются в веществах небелковой природы - так называемых кофакторах. Кофактором может быть ион металла (цинка, марганца, кальция и др.) или молекула органического соединения; в последнем случае ее часто называют коферментом. Иногда для действия фермента бывает необходимо присутствие как ионов металлов, так и коферментов. В отдельных случаях кофермент очень прочно соединен с белком; это наблюдается, например, у фермента каталазы, где кофермент представляет собой комплексное соединение железа (гем). В некоторых ферментах коферменты - это вещества, близкие по строению молекулы к витаминам. Витамины, таким образом, являются предшественниками коферментов. Так, из витамина В1 (тиамина) в клетках образуется тиамин-пирофосфат - кофермент важного фермента (его называют декарбоксилаза), превращающего пиро-виноградную кислоту в оксид углерода (IV) и ацетальдегид; из витамина В2 получаются коферменты флавиновых ферментов, осуществляющих в клетках перенос электронов - одну из стадий окисления пищевых веществ; из витамина В12 образуются коферменты, необходимые в процессе кроветворения, и т. д.

В последние годы широко используются так называемые иммобилизованные (неподвижные) ферменты. Для ускорения нужной реакции их закрепляют на поверхности инертного «носителя». В качестве его обычно используют силикагель - пористую белую массу, по составу - оксид кремния (IV) -или полимерные материалы. Через эту массу фильтруют исходные вещества. Фермент быстро и точно производит высокоспецифичную «химическую работу», в результате которой получаются продукты, почти не содержащие посторонних соединений.