Механизм действия ферментов.

Ферменты. Простые и сложные ферменты.

Ферменты – белки, выполняющие специфическаие функции катализа химическийхреакции. Ферменты имеют уникальные свойства: они представляют самые эффективные катализаторы в природе. Есть две важные характеристики фермента: во-первых, фермент не изменяется, вступая в реакцию, и выходит из реакции в первоначальном состоянии; во-вторых, фермент не изменяет положения равновесия реакции, он лишь ускоряет течение химической реакции (достижение равновесия). Таким образом, фермент ускоряет реакцию без изменения термодинамических свойств системы, с которой он взаимодействует. У простых ферментов (однокомпонентных, т.е. состоящих только из полипептидных цепей) ряд функциональных групп определённых аминокислот формирует активный центр молекулы, который обеспечивает непосредственное взаимодействие её с субстратами. У сложных ферментов различают апофермент, или белковую часть молекулы, которая в свободном виде не обладает ферментативной активностью, и небелковый компонент – кофермент (кофактор), или простетическую группу, который определяет активность молекулы фермента. Соединение апофермента и небелкового компонента осуществляется в основном за счёт водородных, ионных связей. Обычно связь между коферментами и белком слабее, чем свзяь между простетической группой и белком. В ферментативной реакции кофермент проявляет относительную самостоятельность. Небелковая часть двухкомпонентных ферментов выступает как акцептор, или как донор атомов, функциональных групп. Она является составной частью активных центров сложных ферментов. Небелковый компонент осуществляет контакт между апоферментом и субстратом, непосредственно участвуя в катализе. Коферменты могут быть представлены органическими веществами (нуклеотиды, витамины) или неорганическими веществами (металлы). В частности, важную роль в биохимических процессах играет кофермент А (HS-КоА). Его структура включает адениловый нуклеотид, соединённый с пантотеновой кислотой, которая связана, в свою очередь, с b-аминоэтантиолом. Помимо активных каталитических центров, многие сложные ферменты имеют и регуляторные, или аллостерические, центры. Такие ферменты получили название аллостерических. Аллостерические ферменты являются олигомерами, а значит, они состоят из нескольких отдельных белковых мономеров (протомеров).

Активные и аллостерические центры ферментов.

У простых ферментов(«однокомпонентных», т.е. состоящих только из полипептидных цепей) ряд функциональных групп определённых аминокислот формирует активный центр молекулы, который обеспечивает непосредственное взаимодействие её с субстратом. Часто в активных центрах ферментов иеются следующие аминокислоты серин, тирозин, аргинин, гистидин, лизин, цистеин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты. Количество активных центров у разных ферментов может быть различным. Аминокислоты, образующие активные центры, располагаются в различных местах полипептидной цепи, но в пространственной близости друг к другу с заданной определенной конформацией. Активный центр составляет сравнительно небольшую часть от общего объема молекулы фермента. Помимо активных каталитических центров, многие сложные ферменты имеют и регуляторные, или аллостерические, центры. Такие ферменты получили название аллостерических. Аллостерические центры служат для связывания эффекторов (лигандов)-реагентов, регулирующих активность фермента. При связывании фермента с эффектором происходит изменение конформации белка с изменением третичной структуры белковой молекулы, что сопровождается увеличением или снижением каталитической активности фермента.

Аллостерические эффекторы являются продуктами нормального метаболизма клетки, и их эффект зависит лишь от концентрации того или иного эффектора в условиях организма животного. Эффектором могут быть небольшие органические молекулы, такие как АТФ, или белковые молекулы. Эффекторы, которые вызывают изменение активности фермента, рассматриваются как модуляторы. Они могут выступать как активаторы или как ингибиторы. Эффекторы-активаторы повышают сродство фермента к субстрату. Обратный эффект вызывают эффекторы-ингибиторы.

Механизм действия ферментов.

Для осуществления контакта двух реагирующих -в в химич.р-и необход.условием явл.наличие в этих в-вах достаточного запаса кинетической энергии. Каждая хим.р-я имеет определенную энергию активации. Энергия активации (Еа) — энергия, необходимая для перевода молекул в активированное состояние — чем она выше, тем медленнее протекает р-я. В ферментативной р-и энергетич.барьер снижается по причине образования фермент-субстратного комплекса. При этом снижение энергии активации приводит к ускорению хода р-и,т.к.во взаимодействие может вступать большее число молекул. Фермент снижает энергию активации и тем самым повышает скорость р-и при относительно низкой температуре. Белки-ферменты снижают энергию активации данной р-и в большей мере, чем неорганические катализаторы.

Простейшую схему фыерментативной р-и можно представ.след.образом: E+S – ES – EP – E+P

где первоначальный фермент (Е) — фермент-субстратный комплекс (ES), превращение субстрата (ЕР), выход отдельных конечных продуктов реакции (Р). Схема показывает, что в ходе ферментативной реакции образуются несколько комплексов (ES,EP), однако при простейших рассчётах принимается во внимание только фермент-субстратный комплекс (ES). Скорость реакции или скорость появления конечного продукта реакции очевидно пропорциональна концентрации фермент-субстратного комплекса. В образовании фермент-субстратного комплекса участвуют водородные связи, гидрофобные и электростатические взаимодействия, временно образующиеся ковалентные связи. При образовании фермент-субстратного комплекса молекулы фермента и субстрата, сближаясь, определённым образом ориентируются относительно друг друга. В присутствии субстрата происходят конформационные изменения молекулы фермента, что обеспечивает ориентацию в пространстве функциональных групп активного центра, оптимальным образом подходящую к взаимодействию с соответствующими группами субстрата.

Активные центры ряда ферментов имеют электрофильные и нуклеофильные группировки, принимающие участие в химическом катализе. Электрофильные группировки – это акцепторы электронных пар, а нуклеофильные – это доноры электронных пар. В реакциях нуклеофильного замещения происходит образование ковалентных промежуточных соединений. При этом нуклеофильная группировка занимает место замещаемой группы, образуя ковалентный интермедиат, который неустойчив и легко распадается на конечные продукты реакции

Свойства ферментов.

Ферменты обладают всеми свойствами, присущими катализаторам: специфичность действия, зависимость от рН и температуры среды, активность в чрезвычайно малых концентрациях. Большинство известных ферментов является высоко специфическими катализаторами. Специфичность действия ферментов рассматривается как способность катализировать определённый тип химической реакции и как способность их взаимодействовать с определённым субстратом или группой субстратов, схожих по химической структуре. Некоторые ферменты имеют абсолютную субстратную специфичность, когда фермент действует на единственный субстрат Большое число ферментов обладает относительной или групповой специфичностью. Выраженной характеристикой ферментов является их стереохимическая специфичность. Это означает, что фермент оказывает своё влияние лишь на определённый оптический антипод субстрата. Ферменты различают субстрат-изомеры, они способны выявлять различия между двумя равноценными атомами и симметричной молекуле субстрата. Фермент способен катализировать Ферменты различают субстрат-изомеры, они также способны выявлять различия между двумя разноцветными атомами и симметричной молекуле субстрата. Фермент способен катализировать только одну специфическую конфигурацию симметричной молекулы, а поэтому только один продукт. Скорость ферментативной реакции зависит от температуры среды. Раствор фермента при нагревании при определенной температуре теряет необратимо свои свойства (термолабильность). Оптимальная скорость ферментативной реакции для большинства ферментов наблюдается при 40-45^оС. Дальнейшее повышение температуры приводит к резкому снижению скорости реакции вплоть до полного прекращения реакции при температурной инактивации фермента. Инактивирование фермента сопровождается процессом денатурации белковых молекул. В сухом состоянии чувствительность фермента к температурному режиму менее выражена. Понижение температуры ниже температурного оптиума снижает, затем полностью останавливает активность фермента, но этот феномен остается обратимым. Концентрация в среде водородных ионов является важным фактором, определяющим активность фермента. Это необходимо для ионизации функциональных групп активного центра фермента, вероятно, что только в определенном состоянии ионизации фермент будет наиболее активен. Каждый фермент оптимально функционирует только при определенной величине рН, называемой рН-оптимумом. Оптимум рН для большинства ферментов близок к нейтральным значениям. Изменения величины рН могут приводить к нестабильности белка (фермента) в растворе, что резко меняет его натуральные свойства. У сложных ферментов изменение концентрации водородных ионов сказывается и на степени диссоциации кофермента и апофермента, составляющих единый комплекс, что может привести к инактивации ферментов.