Свойства ферментов

Для ферментов характерны высокая каталитическая активность, специфич­ность действия и регулируемость их активности.

Благодаря высокой каталитической активности ферментов скорость некоторых химических реакций увеличивается в миллионы раз. Примером может служить обратимая реакция синтеза и распада угольной кислоты, которую катализирует фермент карбоангидраза: СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃. Од­на молекула карбоангидразы эритроцитов способна связывать до 105 мо­лекул СО₂ в секунду, при этом скорость реакции в присутствии фермента увеличивается в 107 раз. Реакция синтеза Н₂СО₃ постоянно протекает в тканях организма при связывании метаболического СО₂, а реакция распа­да Н₂СО₃ интенсивно протекает в капиллярах легких, где происходит вы­ведение СО₂ из организма при выдохе.

Очень высокую активность проявляет каталаза, которая катализирует расщепление токсичного для организма вещества — перекиси водорода: 2Н₂О₂ -> 2Н₂О + О₂. При температуре 0° С одна молекула каталазы разла­гает 40 000 молекул Н₂О₂ в секунду.

Специфичность действия ферментов состоит в том, что фермент может катализировать превращение определенного субстрата или действо­вать на один из типов химических связей в нем. Благодаря этому в клетке множество химических реакций протекает одновременно в строго опреде­ленном порядке. Различают ферменты с абсолютной, относительной и групповой специфичностью. Абсолютная специфичность фермента проявляется в том, что он катализирует превращение молекул только одного субстрата. Например, фермент аргиназа способен катализи­ровать распад только аргинина на мочевину и орнитин, а ферменты сахараза, мальтаза, лактаза способны расщеплять только соответствующие дисахариды. Относительной специфичностью действия обладают ферменты, которые катализируют разрыв определенного типа химической связи в мо­лекулах разных веществ. Для них строение молекулы субстрата не имеет решающего значения. Относительная специфичность характерна для пептидаз пищеварительного тракта (пепсина, трипсина, химотрипсина), кото­рые расщепляют пептидную связь в различных белках и пептидах, а также фосфатаз, липаз, которые расщепляют эфирные связи в молекулах различ­ных веществ. Ферменты действуют только на один из нескольких изомеров субстрата. Групповая специфичность характерна для ферментов, которые действуют на субстраты с одинаковым типом связи и подобным строением молекул. Так, например, холинэстеразы расщепляют эфирную вязь во многих субстратах, которые содержат остаток холина.

Регуляция процессов синтеза ферментов осуществляется на уровне генов и на уровне транскрипции (синтеза иРНК). Такие изменения наблю­даются при долговременном воздействии различных факторов среды, фи­зических нагрузок и стероидных гормонов.

Процессы адаптации организма к физическим нагрузкам взаимосвяза­ны с совершенствованием различных механизмов регуляции активности ферментов. При срочной адаптации к физическим нагрузкам изменяется активность уже существующих ферментов. При долговременной адаптации в организме усиливаются процессы синтеза белка, что приводит к увели­чению количества ферментов. Такие изменения повышают адаптационные возможности обмена веществ. Благодаря регулируемости активности фер­ментов можно осуществлять коррекцию отдельных звеньев обмена веществ в организме, что является актуальной проблемой медицины и спорта.

Большинство химических составных частей живого организма способно к множеству различных превращений. Фермент, ускоряя только одну какую-либо реакцию, препятствует всем побочным ре­акциям и тем самым определяет направление основного биохимиче­ского процесса.

Скорость реакции зависит от строения молекул реагирующих веществ (реагентов), их концентрации, температуры, давления, наличия катализатора и некоторых других факторов.

Реакция становится возможной только при столкновениях мо­лекул. Чем больше молекул в единице объема, тем чаще они сталкиваются, т.е. скорость реакции повышается.

Не каждое столкновение реагирующих молекул приводит к химической реакции. Чтобы реакция началась, молекулы должны обладать определенным запасом энергии, достаточным для преодоления энергетического барьера, который создается межмолекулярными силами отталкивания и внутримолекулярными силами сцепления (прочностью химических связей).

Особенно большое ко­личество энергии нужно для разрыва ковалентных связей,

преобладающих в молекулах органических веществ. Когда энерге­тический барьер преодолен и реакция началась, в ходе ее может выделиться значительно больше энергии, чем затрачено на начало процесса. Изменения энергии, происходящие в ходе химических реакций, можно изобразить графически. Количество энер­гии, необходимое молю реагирующего вещества для вступления в реакцию, называется энергией активации и рассчи­тывается в кДж/моль.

Чем больше в веществе активных (возбужденных) молекул, способных преодолеть энергетический барьер, тем выше скорость его химических превращений. Запас энергии зависит от особенно­стей химического строения молекул и тех внешних воздействий, которым они подвергаются. В обычных условиях только незначи­тельная часть молекул вещества находится в активном состоянии. Активация их происходит при нагревании вещества, передаче ему лучистой энергии (например, в фотохимических реакциях), столк­новениях с другими, уже возбужденными молекулами или ато­мами.

С повышением температуры на каждые 10° скорость реакции возрастает в среднем в 2—3 раза. Скорость реакции мож­но увеличить, повышая давление (если реагенты являются газами): активные молекулы сближаются, и частота столкновений между ними увеличивается.

В живых организмах большие колебания температуры и дав­ления невозможны. В них создаются условия, в которых для взаи­модействия веществ требуется меньшая энергия активации. Это достигается снижением энергетического барьера реакции за счет уменьшения сил отталкивания между молекулами и ослабления химических связей.

Основная функция ферментов – снижение величины энергетического барьера. Каталитическая реакция идет по иному пути, чем некаталитическая, — через ста­дию образования промежуточного соединения реагентов с катали­затором. При адсорбции реагирующих молекул на поверхности катализатора силы взаимного отталкивания между ними ослабе­вают. Влияние электрического поля катализатора приводит к де­формации молекул реагентов, смещению электронов в них и силь­ному ослаблению связей, в результате чего энергия активации понижается. Изменение энергии при каталитической реакции пока­зано на рис.

Согласно современным представлениям, механизм вза­имодействия ферментов с субстратами связан с образованием нестойких ферментсубстратных комплексов

В процессе образования фермент-субстратного комплекса в субстрате происходит перераспределение энергии, что приводит к разрыву или образованию химических связей. Так, например, энергия активации сахарозы при гидролитическом расщеплении без фермента составляет 134 кДж / моль"1 (25,6 ккал / моль"1), а в присут­ствии фермента (сахаразы) — только 39,3 кДж/моль"1 (8 ккал/ моль^-1).

Процесс взаимодействия фермента с субстратом протекает в несколь­ко стадий, представленных на рис:

• взаимодействие субстрата с активным центром фермента и образование ферментсубстратного комплекса;

• преобразование первичного ферментсубстратного комплекса в дру­гие ферментсубстратные комплексы, в ходе которых вещес­тва переходят в активное состояние и далее распадаются на фермент и продукты реакции;

• отделение продуктов реакции от активного центра фермента и диффузия их в окружающую среду.

Сам фермент в ходе реакции не изменяется и может взаимодействовать с новыми молекулами субстрата.

а- фермент б- субстрат в- фермент-субстрат- е- продукты реакции

ный комплекс

Факторы, влияющие на действие ферментов

Скорость биохимических реакций, которая определяется по изменению концентрации реагирующих или образовавшихся веществ в единицу вре­мени, зависит от активности ферментов и условий протекания реакции. Каждый фермент имеет свои оптимальные условия проявления активнос­ти. Оптимальными считаются условия, при которых ферментативная ре­акция протекает с максимальной скоростью. На скорость ферментатив­ных реакций влияют: количество фермента; концентрация субстрата; ак­тивная реакция среды (рН); температура; присутствие активаторов и ин­гибиторов.

Концентрация фермента и субстрата. Скорость ферментативной реакции увеличивается с увеличением количества фермента при высокой концентрации субстрата. В организме в состоянии относи­тельного покоя многие ферменты не проявляют максимальную актив­ность из-за низкой концентрации их субстратов. При мышечной деятель­ности усиливается энергетический обмен и накапливаются субстраты многих реакций, что способствует повышению активности многих фер­ментов.

Активная реакция среды. Каждый фермент имеет узкий диапазон значений рН, при котором активность его максимальна. Большинство ферментов проявляют максимальную активность в организме при значениях рН, близких к 7,0, т. е. в нейтральной среде (рис. 39). Однако отдельные.ферменты проявляют высокую активность в сильно кислой среде, напри­мер пепсин (рН 2,0), сахараза (рН 4,5), или щелочной среде, например трипсин (рН 8,0), липаза (рН 9,0), аргиназа (рН 9,7).

Влияние рН среды на активность ферментов связано с изменением степени ионизации их белковой молекулы под воздействием протонов Н или гидроксилов (ОН"), что в первую очередь влияет на структуру актив­ного центра фермента.

В организме человека в состоянии относительного покоя диапазон ко­лебаний рН незначителен и ферменты «работают» в своих оптимальных режимах. При интенсивных физических нагрузках в мышцах накапливзетмолочная кислота, способная закислять среду и снижать активность многих ферментов.

Температура. При повышении температуры от 0 до 40 °С активность Ферментов, как правило, повышается (рис. 40). Температурный коэффи­циент Q10 = 2, что указывает на повышение скорости ферментативной ре­акции в два раза при изменении температуры на 10 °С. Дальнейшее повы­шение температуры до 45—55 °С приводит к резкому снижению активнос­ти ферментов вследствие тепловой денатурации белка. Все ферменты имеют свою оптимальную температуру, при которой активность их макси­мальная (для многих ферментов оптимальной является температура 37— 40 °С). Однако имеются и термостабильные ферменты, например миокиназа, активность которой сохраняется при нагревании до 100 °С. При по­нижении температуры активность ферментов снижается. Тем не менее не­обратимая денатурация их не происходит, так как в условиях оптимальных температур их активность восстанавливается (примером может служить зимняя спячка животных). Это свойство ферментов используется при за­мораживании продуктов, а также органов и генетического материала, ис­пользуемых для трансплантации.

Активаторы и ингибиторы. Для ферментов характерна регуляция их активности специфическими низкомолекулярными веществами и ионами металлов, которые называют эффекторами, модуляторами или регулято­рами ферментов. Одни из них способны снижать активность фермента (ингибиторы), другие — повышать ее (активаторы). Такой механизм кон­троля активности ферментов широко изучается, поскольку имеет большое практическое значение.

В качестве активаторов могут выступать самые разнообразные вещес­тва. Это прежде всего ионы двухвалентных металлов, таких как Mg²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Ca²⁺. Они вызывают обратимое изменение структу­ры активного центра. Так, карбоангидраза активируется ионами Zn²⁺, креатинкиназа — ионами Мg²⁺; АТФ-аза миозина мышц активируется ионами Са²⁺, для каталитической активности ферментов дыхательной це­пи необходимы ионы Си²⁺ и Fe²⁺.

Активация некоторых ферментов может осуществляться путем моди­фикации их молекулы и не затрагивать активный центр фермента. Так, HCI активирует пепсиноген желудочного сока, переводя его из неактивной формы в активную (пепсин). Панкреатическая липаза активируется желч­ными кислотами.

В качестве ингибиторов часто выступают вещества, близкие по стро­ению к субстратам, которые связываются с активным центром фермента. Ингибирование бывает обратимое и необратимое. При обратимом ингибировании ингибитор легко отделяется от фермента и активность фер­мента восстанавливается. При необратимом ингибировании ингибитор прочно связывается с ферментом и закрывает доступ субстрата к актив­ному центру.

Процесс ингибирования широко используется для коррекции обмен­ных процессов в медицине и других областях деятельности человека. Ле­чебный эффект ряда лекарственных препаратов обусловлен их ингибиторным действием на отдельные ферменты. Среди ингибиторов, которые обратимо ингибируют ферменты, выделяют конкурентные и неконкурент­ные ингибиторы.

Конкурентные ингибиторы имеют структуру, подобную субстрату, и конкурируют с ним за место связывания в активном центре фермента. В случае конкурентного торможения ингибитор присоединяется к ферменту в том же участке, что и субстрат, в резуль­тате чего субстрат уже не может соединиться с ферментом. Конкурент­ное ингибирование обратимо и зависит от концентрации ингибитора и субстрата. При высокой концентрации субстрата такие ингибиторы не­эффективны.

Неконкурентные ингибиторы реагируют не с активным центром фер­мента, а с другой частью его молекулы. Это вызывает изменение структу­ры активного центра, что нарушает процесс катализа. Действие таких ин­гибиторов можно устранить только химическим изменением структуры их молекулы. К неконкурентным ингибиторам относятся ионы тяжелых метал­лов и их органические соединения (ртуть, свинец, мышьяк и многие яды), способные блокировать SH-группы в ферменте и нарушать или полностью подавлять обменные процессы в организме.