Почему ферменты ускоряют химические реакции. Ферменты
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 (20-50С) 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.
Ферменты — биологические катализаторы , без участ которых не обходится ни один жизненный процесс. Бони характеризуются способностью: реагировать с определенной ре вещества — субстратом; ускорять биохимические ре акции, которые обычно идут очень медленно; действовать при ду же незначительных концентрациях субстрата, при этом н » нуждаясь поступления энергии извне; функционирования ваты в зависимости от температуры и pH среды.
Биологический катализ отмечается чрезвычайно < высокой эффективностью и способностью ферментов четкие < выделять вещество, с которой они взаимодействуют.
В молекуле фермента содержится группа особо активных аминокислот, которые образуют активный центр фермента (129), способного быстро взаимодействовать только с соответствующей веществом — субстратом (130). При этом субстрат является специфическим для определенного фермента и подходит, как по своей структуре, так и физико — химически ми свойствами к активному центру «как ключ к замку », а потому ход реакции субстрата с активным центром осуществляется мгновенно. Вследствие реакции возникает фермент — субстратный комплекс, который затем легко распадается, образуя уже новые продукты. Вещества, образовавшиеся сразу отделяются от фермента, который восстанавливает свою структуру и становится способным вновь осуществлять ту же реакцию. Через секунду фермент реагирует с миллионами молекул субстрата и сам при этом не разрушается.
Благодаря ферменту биохимические реакции возможны при очень незначительной концентрации вещества в клетке, что чрезвычайно важно, особенно в тех случаях, когда с помощью ферментов организм избавляется вредных веществ. Уже известный вам фермент каталаза за одну секунду разрушает столько же молекул водород перокспду, сколько в обычных условиях в течение 300 лет.
Каждый фермент катализирует только определенную реакцию. Следует отметить, что он не определяет самой возможности реакции, а только ускоряет ее в миллионы раз, делая ее скорость « космической ». Дальнейшее преобразование вещества, образовавшегося в результате одной ферментативной реакции, осуществляет второй фермент, далее третий и т. д. В клетках животных и растений содержатся тысячи различных ферментов, поэтому они не просто ускоряют тысячи химических реакций, но и контролируют их ход.
Скорость действия фермента зависит от температуры (эффективная — около +40 ° С) и определенных значений pH раствора, специфического для конкретного фермента. Для большинства ферментов значение pH лежит в пределах от 6,6 до 8,0, хотя есть и исключения. (Вспомните, при каких значениях pH лучше действуют те или иные ферменты.)
Повышение температуры до +50 ° С приводит к разрушению активного центра фермента и он навсегда теряет возможность выполнять свои функции. Это обусловлено тем, что происходит необратимое нарушение третичной структуры белка, и после охлаждения молекула фермента не восстанавливает свою структуру. Именно этим объясняется, почему даже непродолжительное воздействие высокой температуры убивает живые существа. Однако существуют организмы, ферменты которых приспособились к высоким температурам. Например, в Африке в горячих источниках с температурой воды около +60 ° С живет и размножается представитель класса ракообразных термосбена удивительная, а некоторые бактерии живут даже в водоемах, где температура воды более 70 ° С.
Разрушение структуры фермента могут вызвать яды, попадающие в организм даже в очень незначительном количестве. Эти вещества, называемые ингибиторами (от лат. Ингибио — сдерживаю), необратимо сочетаются с активным центром фермента и таким образом блокируют его деятельность.
Одной из самых сильных ядов, как известно, является цианиды (соли синильной кислоты HCN), блокирующие работу дыхательного фермента цитохромоксидазы. Поэтому даже незначительное количество этого вещества, попав в организм, вызывает смерть от удушья. Ингибиторами являются ионы тяжелых металлов (Hg2 +, Pb2 +), а также соединения мышьяка, которые образуют соединения с аминокислотами, входящих в активный центр фермента.
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.
Ферменты - это истинные катализаторы. Они значительно повышают скорость строго определенных химических реакций, которые в отсутствие фермента протекают очень медленно. Ферменты не могут влиять на положение равновесия ускоряемых ими реакций, при этом в ходе реакций они не расходуются и не претерпевают необратимых изменений.
Каким образом катализаторы, в частности ферменты, повышают скорость химических реакций? Прежде всего мы должны вспомнить о том, что в любой популяции молекул индивидуальные молекулы при постоянной температуре сильно различаются по количеству содержащейся в них энергии и что распределение общей энергии между молекулами описывается колоколообразной кривой. Одни молекулы обладают высокой энергией, а другие более низкой, но в большинстве из них содержится количество энергии, близкое к среднему значению. Химическая реакция типа протекает потому, что в любой момент времени некоторая доля молекул А обладает большей внутренней энергией по сравнению с другими молекулами данной популяции, и этой энергии оказывается достаточно для достижения ими вершины энергетического барьера (рис. 9-3) и перехода в активную форму, называемую переходным состоянием. Энергией активации называется количество энергии в калориях, необходимое для того, чтобы все молекулы I моля вещества при определенной температуре достигли переходного состояния, соответствующего вершине энергетического (активационного) барьера. В этой точке существует равная вероятность того, что достигшие ее молекулы вступят в реакцию с образованием продукта Р или вернутся обратно на уровень непрореагировавших молекул А (рис. 9-3). Скорость любой химической реакции пропорциональна концентрации молекул, находящихся в переходном состоянии. Следовательно, скорость химической реакции будет очень высокой, если на вершине энергетического барьера находится значительная доля молекул А, и очень низкой, если доля таких молекул невелика.
Существуют два основных пути повышения скорости химической реакции.
Рис. 9-3. Катализаторы снижают энергию активации (энергетический, или активационный, барьер) химических реакций, не влияя при этом на полное изменение свободной энергии в ходе реакции и на конечное состояние равновесия. Вершина энергетического барьера соответствует переходному состоянию.
Первый путь повышение температуры, т.е. ускорение теплового движения молекул, которое приводит к увеличению доли молекул, обладающих достаточной внутренней энергией для достижения переходного состояния. Как правило, повышение температуры на 10 °С вызывает ускорение химической реакции приблизительно в два раза.
Второй путь ускорения химической реакции добавление катализатора. Катализаторы ускоряют химические реакции, находя «обходные пути», позволяющие молекулам преодолевать активационный барьер на более низком энергетическом уровне. Катализатор (обозначим его буквой С) на промежуточной стадии реакции взаимодействует с реагентом А с образованием нового комплекса или соединения СА, переходному состоянию которого соответствует значительно более низкая энергия активации по сравнению с переходным состоянием реагента А в некатализируемой реакции (рис. 9-3). Затем комплекс реагент-катализатор (СА) распадается на продукт Р и свободный катализатор, который может опять соединиться с другой молекулой А и повторить весь цикл. Именно таким образом катализаторы снижают энергию активации химической реакции; в их присутствии гораздо более значительная доля молекул данной популяции вступает в реакцию в единицу времени. Ферменты, так же как и другие катализаторы, соединяются с своими субстратами в ходе каталитического цикла.
1. изменяют свободную энергию реакции
2. ингибируют обратную реакцию
3. изменяют константу равновесия реакции
4. направляют реакцию по обходному пути с более низкими значениями энергии активации промежуточных реакций
102. Изменение конформации молекулы фермента может происходить:
2. только при изменении рН
103. Изменение степени ионизации функциональных групп фермента происходит при:
1. только при изменении температуры
2. только при изменении рН
3. только при изменении обоих условий
4. не происходит ни при каких изменениях
104. Гидролиз пептидных связей происходит при:
1. только при изменении температуры
2. только при изменении рН
3. при изменении обоих условий
4. не происходит ни при каких изменениях температуры и рН
105. Нарушение слабых связей в молекуле фермента происходит при:
2. только при изменении рН
3. при изменении обоих условий
4. не происходит ни при каких изменениях
106 Пепсин проявляет оптимальную активность при значении рН:
1. 1,5-2,5
107. Оптимум рН для работы большинства ферментов является:
1. рН < 4,0
3. 6,0 < pH < 8,0
108. Выберите из нижеследующих утверждений правильные:
1. все ферменты проявляют максимальную активность при рН=7
2. большинство ферментов проявляет максимальную активность при рН, близкой к нейтральному
3. пепсин проявляет максимальную активность при рН = 1,5-2,5
109. С помощью уравнения Михаэлиса-Ментен можно рассчитать:
4. изменение свободной энергии в ходе химической реакции
V = V max x [S] / K m + [S]
1. энергию активации химической реакции
2. скорость катализируемой ферментом реакции
3. энергетический барьер химической реакции
111. Выберите правильные ответы: Константа Михаэлиса (K m) – это:
2. Может иметь разное значение для изоферментов
3. Величина, при которой все молекулы фермента находятся в форме ES
4. Чем больше её величина, тем больше сродство фермента к субстрату
112. Выберите правильные ответы: Константа Михаэлиса (K m) – это:
1. Параметр кинетики ферментативной реакции
2. Величина, при которой все молекулы фермента находятся в форме ES
3. Чем больше её величина, тем больше сродство фермента к субстрату
4. Концентрация субстрата, при которой достигается половина максимальной реакции скорости реакции (V max)
113. Назовите особенности строения и функционирования аллостерических ферментов:
3. при взаимодействии с лигандами наблюдается кооперативное изменение конформации субъединиц
4. при взаимодействии с лигандами наблюдается кооперативное изменение конформации субъединиц
114. Назовите особенности строения и функционирования аллостерических ферментов:
1. как правило, являются олигомерными белками
2. как правило, не являются олигомерными белками
3. проявляют регуляторные свойства при диссоциации молекулы на протомеры
4. при взаимодействии с лигандами наблюдается кооперативное изменение конформации субъединиц
