Ферменты и их характерные признаки

где KM – константа Михаэлиса, характеризующая активность фермента, V – максимальная скорость реакции при данной суммарной концентрации фермента. Из этого уравнения следует, что при малой [S] скорость реакции возрастает пропорционально концентрации субстрата. Однако при достаточно большом увеличении последней эта пропорциональность исчезает: скорость реакции перестает зависеть от [S] – наступает насыщение, когда все молекулы фермента оказываются занятыми субстратом.                                                                                                      Выяснение механизмов действия ферментов во всех деталях – дело будущего, однако некоторые важные их особенности уже установлены. Каждый фермент имеет один или несколько активных центров, с которыми и связывается субстрат. Эти центры высокоспецифичные, т.е. «узнают» только «свой» субстрат или близкородственные соединения. Активный центр формируют особые химические группы в молекуле фермента, ориентированные друг относительно друга определенным образом. Происходящая так легко потеря ферментативной активности связана именно с изменением взаимной ориентации этих групп. Молекула субстрата, связанного с ферментом, претерпевает изменения, в результате которых разрываются одни и образуются другие химические связи. Чтобы этот процесс произошел, необходима энергия; роль фермента состоит в снижении энергетического барьера, который нужно преодолеть субстрату для превращения в продукт. Как именно обеспечивается такое снижение – до конца не установлено.

1.5 ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ

Так же как и скорость любых химических превращений, скорость ферментативной реакции зависит от многих факторов. Основными из них являются следующие − время протекания ферментативной реакции (время инкубации), температура и рH окружающей среды, химические факторы − ингибиторов и активаторов, давление. Рассмотрим влияния перечисленных факторов на скорость ферментативных реакций.

Время протекания. По мере того, как время инкубации фермента увеличивается, скорость реакции снижается. Это может происходить по различным причинам, главная из которых является: уменьшение концентрации субстрата, увеличивается скорость обратной реакции (в результате накопления продукта).

Влияние температуры – один из важнейших факторов внешней среды, который независимо от состояния равновесия реакции меняет её скорость. Поэтому при ферментативных реакциях при повышении температуры на 100С процесс ускоряется в 1,5 – 2 раза. При дальнейшем повышении температуры присоединяются денатурационные процессы, характерные для всех белков и в том числе для ферментов, поэтому наблюдается затухание скорости реакции.

Температурным оптимумом реакции называют температуру, при которой одно её действие вызывает ускорение реакции, катализируемой данным ферментом. Для большинства ферментов животного происхождения он равен 400 – 500С, для растительного происхождения он равен 500 – 600С. Почти все ферменты разрушаются при температуре 800С. Но для некоторых ферментов в настоящее время доказана возможность восстановления их каталитической активности в случае обратимого процесса денатурации белка. Известны и такие ферменты, максимальная активность которых проявляется при более низких температурах. Например, каталаза, температурный оптимум которой лежит в пределах между 00-100С. Понижение температуры снижает скорость ферментативных реакций. Большинство ферментов при 00С ещё не утрачивают своих каталитических свойств, но при замораживании химические реакции прекращаются. При последующем оттаивании, если соблюдается определённые условия, ферментативная активность клеток может быть восстановлена.

Влияние реакции среды

Для большинства известных в настоящее время ферментов определён оптимум рН, при котором они обладают максимальной активностью. Эта величина - важный критерий, служащий для характеристик фермента. Иногда это свойство ферментов используют для их препаративного разделения. Наличие оптимума pН можно объяснить тем, что ферменты представляют собой полиэлектролиты и их заряд зависит от значения РН. Иногда сопутствующие вещества могут изменить оптимум pН, например буферные растворы. В некоторых случаях в зависимости от субстратов ферменты с неярко выраженной специфичностью имеют несколько оптимумов. Например, пепсин расщепляет белки яйца при pН 1,5- 2,0, синтетические субстраты - при pН 4,0. Отсюда следует, что величина (pН оптимум) - весьма чувствительный признак для данного фермента. Она зависит от природы субстрата, состава буферного раствора и поэтому не является истинной константой. Нужно иметь в виду также свойства ферментов как белковых тел, способных к кислотно-щелочной денатурации. Кислотно-щелочная денатурация может привести к необратимым изменениям структуры фермента с утратой его каталитических свойств.

Влияние других химических факторов

Присутствие в реакционной среде некоторых ионов может активировать образование активного субстрата ферментного комплекса, и в этом случае скорость ферментативной реакции будет, увеличивается. Такие вещества получили название активаторов. При этом вещества, катализирующие ферментативные реакции, непосредственного участия в них не принимают. На активность одних ферментов существенно влияет концентрация солей в системе, другие ферменты не чувствительны к присутствию ионов. Однако некоторые ионы абсолютно необходимы для нормального функционирования некоторых ферментов. Известны ионы, которые тормозят активность одних ферментов и являются активаторами для других. К числу специфических активаторов относятся катионы металлов: Na+, K+,Rb+,Cs+,Mg2+, Ca2+,Zn2+,Cd2+,Cr2+,Cu2+, Mn2+,Co2+,Ni2+,Al3+. Известно также, что катионы Fe2+,Rb+,Cs+ только в присутствии Mg действуют как активаторы, в других случаях эти катионы не являются активаторами. В большинстве случаев один или два иона могут активировать тот или иной фермент. Например, Mg2+ - обычный активатор для многих ферментов, действующий на фосфоримированные субстраты, почти во всех случаях может быть заменён Mn2+, хотя другие металлы его заменить не могут. Следует заметить, что щелочноземельные металлы вообще конкурируют друг с другом, в частности, Са2+ подавляет активность многих ферментов, активируемых Mg2+ и Zn2+. Причина этого до настоящего времени не ясна. Механизм влияния ионов металлов - активаторов может быть различным. Прежде всего, металл может быть компонентом активного центра фермента. Но может действовать как связующий мостик между ферментом и субстратом, удерживая субстрат у активного центра фермента. Имеются данные о том, что ионы металлов способны связывать органическое соединение с белками и, наконец, один из возможных механизмов действия металлов как активаторов - это изменение константы равновесия ферментативной реакции. Доказано, что анионы также влияют на активность ряда ферментов. Например, очень велико влияние СI - на активность А - амилазы животного происхождения.

Наряду с существованием активаторов ферментов известен ряд веществ, присутствие которых тормозит каталитическое действие ферментов или полностью инактивирует его. Такие вещества принято называть ингибиторами. Ингибиторы – это вещества, действующие определённым химическим путём на ферменты и по характеру своего действия, могут быть подразделены на обратимые и необратимые ингибиторы. Для обратимого торможения характерно равновесие между ферментом и ингибитором с определённой константой равновесия. Система такого типа характеризуется определённой степенью торможения, зависящей от концентрации ингибитора, при этом торможение достигается быстро и после этого не зависит от времени. При удалении ингибитора с помощью диализа активность фермента восстанавливается. Необратимое торможение, прежде всего, выражается в том, что диализ не способствует восстановлению активности фермента. И в отличие от обратимого торможения усиливается со временем, так что может наступить полное торможение каталитической активности фермента при очень низкой концентрации ингибитора. В этом случае эффективность действия ингибитора зависит не от константы равновесия, а от константы скорости, определяющей долю фермента, подвергшегося торможению в данном случае.

  Влияния давления

При изучении действия давления на скорость ферментативных реакций необходимо, прежде всего, учитывать, как и при изучении других факторов, возможность денатурации ферментов при высоком давлении. Если константа скорости ферментативной реакции растёт с повышением давления, то образование активного комплекса происходит с уменьшением объёма и наоборот, если при увеличении давления образование активного комплекса сопровождается увеличением объёма, то константа скорости реакции снижается.

Влияние концентрации  фермента и его субстрата

Скорость любого ферментативного процесса в значительной степени зависит от концентрации, как субстрата, так и фермента. Обычно скорость реакции прямо пропорциональна количеству фермента, при условии, если содержание субстрата в пределах оптимума или немного выше. При постоянном количестве фермента скорость возрастает с увеличением концентрации субстрата. Эта реакция подчинена закону действующих масс и рассматривается в свете теории Михаэлиса – Ментона, то есть,

V=K(F), 

V - скорость реакции

K - константа скорости

F - концентрация фермента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Белки играют исключительно важную роль в жизнедеятельности любого живого организма. Они являются материальной основой жизни и участвуют во всех важнейших процессах протекающих в живом организме. В каждой клетки происходит непрерывно сотни биохимических реакций. Быстрое протекание этих реакций обеспечивают биологические катализаторы, или ускорители реакции − ферменты. Ферменты это белки, катализирующие определённые химические реакции, входящие в процессы обмена веществ, отличаются чрезвычайно высокой эффективностью и специфичностью своего действия. По своему составу ферменты разделяют на простые ферменты, состоящие только из молекул белка, и сложные ферменты, состоящие из белка и небелкового компонента (простатические группы, коферменты). Каталитическое действие ферментов определяется главным образом, частью молекулы – активным центром. Ферменты играют важную роль в организме, в науке, в хозяйственной деятельности человека.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Биологическая химия: Учебник. Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин.- М.:    Медицина, 1990.- с.115.

Биохимия: Учебник. \ Под ред. Е.С. Северина. – 2-е изд., исп. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. -784 с.: ил. (Серия «ХХI»).

Микробиология, санитария и гигиена: учебник. К.А. Мудрецова-Висс,  В.П. Дедюхина. – 4-е изд., исп. и доп. – М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2010. – 400 с.: ил. – (Высшее образование).

8