АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ

ОСОБЕННОСТИ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА

Ферменты обладают высокой специфичностью и повышают скорость строго определенных биохимических реакций. Ферменты не влияют на положение равновесия ускоряемых ими реакций, в ходе реакции они не расходуются и не претерпевают необратимых изменений (рис. 2.1).

Каталитическая мощность ферментов (отношение скорости реакции в присутствии катализатора к скорости реакции без катализатора) обычно лежит в диапазоне от 10⁶ до 10¹⁴, поэтому ферменты обеспечивают проведение нервных импульсов, сердечное сокращение и другие быстротекущие процессы.

Этапы ферментативного катализа

Превращение субстрата (S) в продукт (Р) протекает через переходное состояние с более высокой энергией, чем энергия субстрата или продукта:

S + Е → ES → Е + Р.

Переходное состояние соответствует вершине энергетического (активационного) барьера (рис. 2.2).

Рис.2.1. Превращение субстрата (S) в продукты (Р₁ и Р₂) под действием фермента (Е)

Рис. 2.2. Гипотетические энергетические кривые для химических реакций в присутствие и отсутствие катализатора

Ферменты ускоряют реакции путем снижения энергии активации (энергетический или активационный барьер), не влияя при этом на полное изменение свободной энергии в ходе реакции и состояние равновесия. Переходное состояние соответствует вершине энергетического (активационного) барьера

Существуют два основных пути увеличения скорости химической реакции. Первый путь - повышение температуры, приводящий к ускорению теплового движения молекул и увеличению их содержания в точке переходного состояния. Как правило, повышение температуры на 10°С вызывает ускорение химической реакции приблизительно в 2 раза.

Второй путь ускорения химической реакции - участие фермента в образовании ES-комплексов, позволяющих молекулам преодолевать активационный барьер на более низком энергетическом уровне. Молекулы S, перед тем как превратиться в продукт реакции, проходят ряд промежуточных этапов, что обеспечивает протекание реакции по другому, обходному пути.

• На первом этапе фермент взаимодействует с субстратом с образованием нового соединения - ES

E + S → ES.

В ходе этого этапа ферментативного катализа происходит установление комплементарного соответствия между Е и S, которое сопровождается небольшими изменениями конформации фермента. Переходному состоянию вещества ES соответствует более низкая энергия активации по сравнению с переходным состоянием вещества S в реакции, идущей без катализатора. Таким образом, ферменты как катализаторы повышают скорость реакций путем снижения активационного барьера. При взаимодействии фермента (Е) с субстратом (S) реакция протекает по новому механизму, характеризующемуся более низким уровнем энергии переходного состояния, чем реакции, протекающие в отсутствие фермента.

• Второй этап катализа характеризуется дестабилизацией связей в субстрате (S*):

ES → ES*.

• В ходе третьего этапа происходит превращение S* в продукт P:

ES* → EP → E + P

и высвобождение продукта из комплекса с ферментом.

Часто, опуская второй этап, уравнение ферментативного катализа записывают так:

E + S → ES → E + P.

СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ

Взаимодействие субстрата с ферментом происходит в центре связывания (активном центре) и сопровождается образованием множественных связей между ними.

Активный центр - это участок на молекуле белка, в котором происходит взаимодействие фермента с субстратом. Он формируется на уровне третичной структуры белка, располагается в углублении, как правило, гидрофобном кармане, или щели, и таким образом предохраняет субстрат от контакта с окружающей фермент водной фазой. В активном центре присутствуют радикалы аминокислот, сближенные в процессе формирования третичной структуры и принадлежащие разным участкам полипептидной цепи белка (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Связывание субстрата в активном центре фермента

Арг_щ, Фен₈0, Гис50, Вал150 - аминокислотные остатки, радикалы которых принимают участие в формировании активного центра фермента

Кофакторы ферментов

Небелковые составляющие ферментов могут быть представлены:

• Ионами металлов: Zn²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺ и т.д. Механизмы участия ионов металлов в ферментативных реакциях различны. Металл может являться частью активного центра фермента и участвовать в катализе. Он может быть связующим звеном между ферментом и субстратом, может проявлять координирующее свойство, благодаря которому субстрат оказывается в активном центре фермента;

• Коферментами - сложными органическими веществами, в состав которых часто входят витамины, которые не синтезируются в организме и должны поступать с пищей.

Коферменты в свою очередь делят на две группы:

• органические соединения с низкой молекулярной массой, обладающие способностью обратимо связываться с апоферментом, например никотинамидадениндинуклеотид (NAD⁺), никотинамидадениндинуклеотидфосфат (NADP+), кофермент А (HS-KoA), тетрагидрофолиевая кислота (Н₄-фолат);

• простетические группы - прочно присоединенные к апоферменту, например флавинадениндинуклеотид (FAD), флавинмононуклеотид (FMN), пиридоксальфосфат (ПФ) и др.

Коферменты принимают участие в связывании и превращении субстратов, поэтому в их отсутствии фермент теряет свою каталитическую активность.

Свойства ферментов как биологических катализаторов

Одной из важных характеристик ферментов является их высокая специфичность. Она заключается в том, что каждый фермент катализирует превращение определенного субстрата или группы субстратов, сходных по своей структуре. Специфичность действия ферментов обусловливает направленный обмен веществ в организме.

Существует несколько видов специфичности ферментов.

• Абсолютная специфичность. Ферменты, обладающие абсолютной специфичностью, катализируют превращение только одного субстрата. Например, фермент уреаза расщепляет единственное соединение - мочевину и не действует на другие соединения, в том числе и на производное самой мочевины - тиомочевину (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Абсолютная специфичность действия уреазы

• Групповая специфичность. Ферменты могут воздействовать на ряд соединений сходных по строению. Например, липаза панкреатического сока, гидролизующая триацилглицеролы (ТАГ) с разным составом жирных кислот до 2-моноацил- глицеролов (2-МАГ) и жирных кислот, расщепляет сложноэфирные связи в различных пищевых жирах (рис. 2.5).

Рис.2.5. Гидролиз ТАГ под действием панкреатической липазы

• Стереоспецифичность. Фермент катализирует превращение только одной стереоизоформы субстрата. Например, фумараза может катализировать превращение фумаровой кислоты, представляющей собой транс-изомер, и не действует на ее цис-изомер - малеиновую кислоту (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Стереоспецифичность фумаразы

• Специфичность путей превращения заключается в том, что один субстрат под действием разных ферментов может превращаться в продукты, различающиеся по структуре и роли в метаболизме (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Превращения малата под действием малатдегидрогеназы и малик-фермента

Дата добавления: 2015-12-15 | Просмотры: 586 | Нарушение авторских прав