Ферменты, Фермент-субстратный комплекс и Энергия активации
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)
Однокомпонентные ферменты состоят только из белков. К простым принадлежат преимущественно ферменты, которые осуществляют реакции гидролиза (пепсин, трипсин, амилаза, папаин и т. п.).
Двухкомпонентные (сложные)
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.
а) снижением энергии активации;
б) повышением энергии активации;
в) повышением температуры реакции;
г) снижением температуры реакции.
18. Изменение конформации фермента при алкалозе вызвано:
19. Денатурация фермента приводит к его инактивации вследствие:
а) разрушения активного центра;
б) разрушения кофактора;
в) разрушения аллостерического центра;
г) разрушения субстрата.
20. При относительной специфичности ферменты действуют на:
а) один субстрат;
б) группу родственных субстратов;
в) на определенный тип связи;
г) на любые субстраты.
21. По теории Фишера:
а) субстрат должен абсолютно соответствовать конформации активного центра;
б) субстрат может не соответствовать конформации активного центра фермента;
в) кофактор должен абсолютно соответствовать конформации активного центра;
г) кофактор может не соответствовать конформации активного центра.
22. По теории Кошланда:
а) активный центр фермента формируется окончательно при связывании с субстратом;
б) активный центр имеет необходимую конформацию до взаимодействия с субстратом;
в) активный центр фермента формируется окончательно при связывании с коферментом;
г) форма активного центра не зависит строения кофактора и субстрата.
23. Для очистки гнойных ран используют обработку пептидазами, так как они:
а) расщепляют белки разрушенных клеток и этим очищают рану;
б) расщепляют гликолипиды разрушенных клеток и этим очищают рану;
в) расщепляют нуклеиновые кислоты и этим очищают рану;
г) расщепляют углеводы разрушенных клеток и этим очищают рану.
24. Добавление трипсина к ферментам:
а) не изменит их активность;
б) приведет к потере их активности;
в) приведет к повышению их активности;
г) приведет к разрушению кофактора.
25. Прямым доказательством белковой природы фермента является:
а) снижение энергии активации;
б) ускорение прямой и обратной реакции;
в) ускорение достижения положения равновесия обратимой реакции;
г) прекращение каталитического действия при добавлении в раствор вещества, разрушающего пептидные связи.
26. Для сохранения сладкого вкуса свежесобранные початки кукурузы помещают на несколько минут в кипящую воду для того, чтобы:
а) они стали мягкими;
б) денатурировать ферменты, превращающие глюкозу в крахмал;
в) было легко освободить зерна;
г) разрушить пептидные связи.
27. Изменение конформации фермента при ацидозе вызвано:
а) разрушением водородных и ионных связей;
б) разрушением дисульфидных связей;
в) разрушением пептидных связей;
г) разрушением гидрофобных связей.
28. При абсолютной специфичности ферменты действуют на:
а) один субстрат;
б) на определенный тип связи в субстрате;
в) на определенный тип связи в продукте;
г) на любые субстраты.
29. Денатурацию ферментов вызывают:
а) субстраты;
б) соли тяжелых металлов;
в) продукты;
г) кофакторы.
30. Денатурацию ферментов вызывают:
а) субстраты;
б) продукты;
в) трихлоруксусная кислота;
г) кофакторы.
31. Денатурацию ферментов вызывают:
а) субстраты;
б) высокие температуры;
в) продукты;
г) кофакторы.
32. Апофермент - это:
а) комплекс белка и кофактора;
б) белковая часть фермента;
в) ионы металлов;
г) витамины.
33. Общим свойством фермента и неорганического катализатора является:
а) регулируемость;
б) не расходуется в процессе реакции;
в) действует в мягких условиях;
г) высокая специфичность.
34. Общим свойством фермента и неорганического катализатора является:
а) регулируемость;
б) снижение энергии активации;
в) молекулярная масса;
г) высокая специфичность.
35. Конкурентный ингибитор:
а) по строению похож на субстрат;
б) по строению не похож на субстрат;
в) по строению похож на продукт;
г) по строению похож на кофактор.
36. Аллостерические ингибиторы:
а) действуют обратимо;
б) действуют необратимо;
г) конкурируют с субстратом.
37. Аллостерические ингибиторы:
а) действуют необратимо;
б) присоединяются к аллостерическому центру;
в) присоединяются к активному центру;
г) конкурируют с кофактором.
38. Ограниченный протеолиз - это:
а) присоединение олиго- или полипептида к ферменту;
б) отщепление олиго- или полипептида от фермента;
в) присоединение олиго- или полипептида к аллостерическому центру фермента;
г) отщепление олиго- или полипептида от аллостерического центра фермента.
Ферменты представляют собой высокоспециализированные катализаторы белковой природы, которые ускоряют химические реакции в животных и растительных организмах. Практически все химические преобразования в живом веществе осуществляются с помощью ферментов. Можно сказать, что ферменты являются движущей силой биохимических процессов в живых организмах.
В зависимости от природы и назначения ферменты могут выделяться в окружающую среду или удерживаться внутри клетки. Они не утрачивают каталитической способности и после выделения из организма (но вне клеток ферменты только расщепляют вещества). На этом основано их использование в пищевой, легкой и медицинской промышленности, сельском хозяйстве и других отраслях народного хозяйства.
Академик И. П. Павлов писал: «Ферменты есть, так сказать, первый акт жизненной деятельности. Все химические процессы направляются в теле именно этими веществами, они есть возбудители всех химических превращений. Все эти вещества играют огромную роль, они обусловливают собою те процессы, благодаря которым проявляется жизнь, они и есть в полном смысле возбудители жизни».
Все ферментативные реакции протекают легко и быстро. Катализируемые в организме ферментативные реакции не сопровождаются образованием побочных продуктов, в то время как в органических реакциях, проводимых с помощью искусственных катализаторов, всегда образуется хотя бы один или несколько таких продуктов.
В живых организмах ферменты находятся в упорядоченном состоянии. В отдельных структурных образованиях клетки ферментативные реакции протекают в строго определенном порядке. Будучи точно скоординированными друг с другом, отдельные циклы реакций обеспечивают жизнедеятельность клеток, органов, тканей и организма в целом. В отдельных частях клетки осуществляются строго определенные биохимические процессы.
Наряду с тем, что ферменты играют решающую роль в живых организмах, им принадлежит видное место в производстве пищевых продуктов и многих изделий других отраслей промышленности, а также в сельском хозяйстве. Производство этилового спирта, пива, вина, чая, хлеба, кисломолочных и многих других продуктов основано на действии ферментов . Ферменты участвуют в созревании и перезревании плодов и овощей, созревании и порче мяса и рыбы, сохраняемости зерна, муки, крупы и других продуктов .
В некоторых случаях присутствие ферментов в процессе переработки продуктов бывает нежелательным. Примером этого может служить реакция ферментативного потемнения плодов и овощей в результате воздействия фермента полифенолоксидазы или прогоркание жиров муки в результате действия присутствующих в зародыше зерна ферментов липазы и липооксидазы.
В настоящее время из биологических объектов выделено около 3500 и изучено несколько сотен ферментов. Полагают, что живая клетка может содержать более 1000 различных ферментов. Каждый фермент, как правило, катализирует только один тип химической реакции. Поскольку фермент способен ускорять только одну реакцию или редко группу реакций одного типа, не влияя при этом на другие, в живых организмах может одновременно происходить много различных реакций. Хотя реакции отдельных ферментов протекают независимо друг от друга, тем не менее чаще всего они связаны между собой сложной последовательностью образования промежуточных продуктов. При этом продукт одной реакции может служить субстратом или реагентом другой. Поэтому в одной и той же клетке одновременно происходят сотни и тысячи ферментативных реакций, протекающих в определенной последовательности и в таких количествах, которые обеспечивают нормальное состояние клетки.
Каждый живой организм непрерывно синтезирует ферменты. В процессе роста организма увеличивается и количество необходимых ферментов. Непропорциональное увеличение или уменьшение количества ферментов могло бы привести к нарушению сложившегося в организме характера обмена веществ.
В живой клетке ферменты могут синтезироваться в разных структурных образованиях – ядре, цитоплазме, хлоропластах, митохондриях, цитоплазматической мембране и др.
Как биологические катализаторы ферменты, находясь в ничтожных количествах, способны превращать огромные количества субстрата, на который они действуют. Так, фермент слюны амилаза обнаруживает заметную каталитическую активность в разведении 1: 1 000 000, а фермент пероксидаза оказывается активным при разведении 1: 5 000 000. Одна молекула каталазы расщепляет в одну минуту 5 миллионов молекул перекиси водорода.
Каталитическая активность ферментов во много раз превосходит активность неорганических катализаторов . Так, гидролиз белка до аминокислот в присутствии неорганических катализаторов при температуре 100 °С и выше осуществляется за несколько десятков часов. Такой же гидролиз при участии специфических ферментов заканчивается за время меньше часа и протекает при температуре 30 – 40 °С. Полный гидролиз крахмала с помощью кислоты происходит за несколько часов, тогда как на ферментативный гидролиз при комнатной температуре затрачивается несколько минут. Известно, что ионы железа каталитически ускоряют расщепление перекиси водорода на водород и кислород. Но атомы железа, входящие в состав фермента каталазы, действуют на перекись водорода в 10 миллиардов раз энергичнее обычного железа: 1 мг железа в ферменте способен заменить 10 т неорганического железа при каталитическом расщеплении перекиси водорода.
Важной характерной особенностью ферментов является специфичность их действия . Специфичность ферментов намного выше, чем у катализаторов неорганической природы. Незначительные иногда изменения в химической структуре вещества исключают проявление действия на это вещество специфического фермента. Специфичность действия ферментов проявляется и в тех случаях, когда вещество различается по химической структуре. Так, ферменты, ускоряющие гидролиз белков, не оказывают никакого влияния на гидролиз крахмала, и наоборот.
По степени специфичности ферменты различаются между собой. Одни ферменты катализируют только единственную реакцию, а другие большое число реакций. Так, фермент гликооксидаза катализирует окисление глюкозы, а трипсин гидролизует специфические пептидные связи в белках и простые эфиры аминокислот.
Специфичность действия ферментов иногда приводит к тому, что на органическое соединение оказывает влияние не один, а два фермента.
Групповуюспецифичность представляют все ферменты, т. е. они катализируют только особый тип реакции, например окисление моносахаридов или гидролиз олигосахаридов.
Ферменты, будучи специфическими катализаторами, ускоряют как прямую, так и обратную реакцию , т. е. гидролиз и синтез вещества, на которое они действуют. Направленность этого процесса зависит от концентрации исходных и конечных продуктов и условий, в которых протекает реакция. В то же время доказано, что в живой клетке большинство синтезов происходит под действием не тех ферментов, которые катализируют расщепление того или иного соединения.
Химическая природа ферментов
Ферменты делят на два больших класса –однокомпонентные , состоящие только из белка, идвухкомпонентные , состоящие из белка и небелковой части, называемой простетической группой. Белки ферментов могут быть простыми (протеинами) и сложными (протеидами). Активную простетическую группу (активный центр) фермента называют агоном , а белковый носитель – фероном . Простетическая группа в составе фермента занимает примерно до 1 % его массы.
Прочность связи простетической группы (агона) с фероном у разных ферментов неодинакова. При слабой связи происходит диссоциация фермента на белковую и простетическую часть, которую называют коферментом . Каждая из образовавшихся групп проявляет каталитическую активность. Роль коферментов играют большинство витаминов – С, В 1 , В 2 , В 6 , В 12 , Н, Е, К и др., а также нуклеотиды, РНК, сульфгидрильные группы, глютатион, атомы железа, меди, магния и т. д. Многие ферменты обладают высокой каталитической способностью только в том случае, если фермент не распадается на ферон и агон.
К однокомпонентным относятся многие ферменты, расщепляющие белки или углеводы (пепсин, трипсин, папин, амилаза).
Типичным двухкомпонентным ферментом является α-карбоксилаза, катализирующая расщепление пировиноградной кислоты на углекислый газ и уксусный альдегид:
α-карбоксилаза
СНзСОСООН ----→СНзСНО + СО 2 .
Химическая природа α-карбоксилазы полностью установлена, активная группа этого фермента содержит витамин В 1 .
Часто коферменты действуют как промежуточные продукты ферментативных реакций, участвующих в переносе водорода. К ним относят никотинамидадениндинуклеотид (НАД), глютатион, L-аскорбиновую кислоту, хиноны и цитохромы. Другие коферменты действуют как носители или передатчики фосфатных, аминных и метильных групп.
Молекулярный вес ферментов колеблется в широких пределах – от нескольких тысяч до миллиона , но большинство ферментов имеют большой молекулярный вес .
Многиеферменты содержат металлы , которые принимают участие в каталитическом действии. Так, железо входит в состав простетической группы ферментов каталазы и пероксидазы, а также цитохромоксидазы, участвующей в процессах дыхания. Медь входит в состав окислительных ферментов полифенолоксидазы и аскорбинатоксидазы, играющих важную роль в обмене растений.
В чистом виде все ферменты являются кристаллами .
Каталитические реакции осуществляются на поверхности молекул ферментов. Фермент-белок образует диспергированную фазу, на поверхности которой происходят реакции между веществами, растворенными в дисперсионной среде. Поверхность молекулы фермента-белка неоднородна; на поверхности молекулы имеются разнообразные химически активные группировки, легко связывающие другие соединения.
Свойства ферментов обусловлены в первую очередь наличием особо активных центров на поверхности белковой молекулы – радикалов аминокислот или прочно присоединенных к белку особых химических группировок. Активным центром называют ту часть фермента, которая соединяется с веществом (субстратом) в процессе каталитического действия .
Фермент увеличивает скорость реакции следующими способами.
Кинетика ферментативных реакций
Вещества, реакцию превращения которых ускоряют ферменты (E), называются субстратами (S). В ходе ферментативной реакции образуется фермент-субстратный комплекс (ES). Под действием фермента молекула субстрата меняет свою пространственную конфигурацию, в ней происходит перераспределение энергии и уменьшается прочность связей. Фермент-субстратный комплекс становится нестабильным и затем преобразуется в комплекс фермент-продукт, который распадается на фермент и продукты (P) реакции:
S + E ® ES ® E + P
Действие ферментов как катализаторов обладает некоторыми особенностями : 1) Фермент не способен вызвать новую химическую реакцию, он ускоряет уже идущую. 2) Фермент не изменяет направление реакции, определяемое концентрациями реагентов, катализирует как прямую, так и обратную реакции. Обратимые реакции лишь потому доходят до конца, что они являются составными частями биохимических процессов, в которых каждая последующая реакция использует в качестве субстратов продукты предыдущей реакции. Очень малое количество фермента может ускорить превращение большого количества субстрата.
При увеличении количества фермента скорость ферментативной реакции повышается до некоторого предела, который характеризуется количеством субстрата͵ доступным действию фермента. В покое в живых организмах многие ферменты не проявляют максимальной активности из-за недостаточного количества субстратов. При постоянной концентрации фермента увеличение количества субстрата приводит вначале к быстрому, затем к более медленному росту скорости ферментативной реакции, пока не достигается максимальная скорость, остающаяся практически неизменной при дальнейшем увеличении концентрации субстрата.
Для каждого фермента существует определенная концентрация субстрата (называемая константой Михаэлиса – Km), при которой скорость реакции составляет половину от максимальной. Константа Михаэлиса служит мерой химического сродства между ферментом и субстратом, мерой их способности образовывать фермент-субстратный комплекс.
1. Понижая свободную энергию переходного состояния путем стабилизации активированного комплекса.
2. Увеличивая энергию субстрата͵ когда тот связывается с ферментом при образовании фермент-субстратного комплекса. В итоге уменьшается разность свободных энергий E-S-комплекса и переходного состояния.
3. Поддерживая микроокружение активного центра в состоянии, отличном от такового в водной среде. Часто у боковых цепей аминокислотных остатков, находящихся в области активного центра, способность приобретать электрический заряд изменяется по сравнению с тем случаем, когда эти цепи целиком погружены в водную среду. В результате боковые цепи могут обладать повышенной реактивностью.
4. Располагая реагирующие атомы в правильной ориентации и на крайне важно м расстоянии друг от друга так, чтобы обеспечить оптимальное протекание реакции. Столкновения атомов в отсутствие фермента очень редко приводят к химической реакции, поскольку в данном случае редко атомы оказываются в правильной ориентации.
Фермент увеличивает скорость реакции следующими способами. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Фермент увеличивает скорость реакции следующими способами." 2017, 2018.
