ВУЗ: Тамбовский государственный технический университет
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Химия
Добавлен: 09.02.2019
Просмотров: 5088
Скачиваний: 15
29
Рис
. 7. Зависимость активности ферментов от температуры
При понижении t
°
активность ферментов понижается. Многие
пищевые продукты (мясо, рыба, сливочное масло и др.), содержащие
активные ферменты, могут длительно храниться при 0
°
С и ниже, так
как активность их ферментов при этих температурах очень низка.
Зависимость каталитической активности ферментов от темпера-
туры описывается типичной кривой, представленной на рис. 7.
По характеру кривой видно, что при увеличении температуры на
каждые 10
°
скорость преобразования субстрата повышается примерно
в 2 раза. Температура, при которой каталитическая активность фер-
мента максимальна, называется его температурным оптимумом.
2. Чуствительность к pH среды.
Как и все белки – ферменты амфотерны. В зависимости от коли-
чества положительных и отрицательных групп на поверхности белка
фермента он находится в изоэлектрическом состоянии (состоянии кол-
лоида, в котором частица его нейтрализована) при разных значениях
pH среды. Ферменты существенно отличаются друг от друга по реак-
ции среды, в которой проявляется их максимальная активность
(рН-оптимум).
Фермент
pH
Фермент
pH
Пепсин
1,5…1,6
Каталаза
7
Сахараза
4,5
Липаза
панкреатическая
8
Амилаза
панкреатическая
6,7…7
Аргиназа
9
Переход к большей или меньшей по сравнению с оптимумом
концентрации ионов водорода сопровождается более или менее рав-
30
номерным падением активности фермента. Влияние концентрации
ионов Н
+
на каталитическую активность ферментов состоит в воздей-
ствии на их активный центр. При разных значениях рН активный
центр может быть в большей или меньшей степени ионизирован, экра-
нирован соседними фрагментами полипептидной цепи белковой части
фермента и т.п. Кроме того, показатель рН среды влияет на степень
ионизации субстрата, фермент-субстратного комплекса и продуктов
реакции.
3. Специфичность – одно из наиболее важных свойств ферментов.
Животный организм вырабатывает ферменты даже для одной реакции.
Специфичность ферментов объясняется в первую очередь динамиче-
ским соответствием пространственных конфигураций субстрата и суб-
стратного центра фермента в процессе их взаимодействия
Пределы специфичности у разных ферментов различны. Одни
ферменты обладают абсолютной специфичностью, т.е. ускоряют толь-
ко одну реакцию. Например, фермент, ускоряющий распад сахарозы,
не будет активен к мальтозе или лактозе.
Фишер Э. сравнивал фермент с ключом, который отпирает только
тот замок, строение которого соответствует строению ключа.
Другие ферменты осуществляют катализ реакций определённого
типа независимо от индивидуальной природы реагирующих веществ,
т.е. обладают групповой специфичностью. Кроме того, некоторые
ферменты отличаются стереохимической специфичностью, т.е. дейст-
вуют на один пространственный изомер.
Пространственное соответствие структур двух молекул (разных
или одинаковых), благодаря которому возможно образование связей
между ними (H-связей) и осуществление межмолекулярных взаимо-
действий, например, субстрата и фермента, называется комплемен-
тарностью
.
4. Ферменты не смещают положения равновесия, а ускоряют его
достижение. Например, фермент липаза ускоряет расщепление жира
на глицерин и высшие жирные кислоты в присутствии избытка воды,
когда равновесие сдвинуто в сторону гидролиза. Но та же липаза без
воды ускоряет реакцию между глицерином и высшими жирными ки-
слотами (синтеза жира), т.е. фермент действует так же, как любой не-
органический катализатор.
5. Фермент проявляет свою активность, присутствуя в очень ма-
лом количестве. Например, фермент пероксидаза, ускоряющий реак-
цию окисления перекиси водорода, проявляяет активность при разбав-
лении 1 части фермента в 500 000 000 частей воды.
Достаточно кратковременного контакта фермента с субстратом
для проявления каталитического действия: 1 моль сахаразы расщепля-
ет в 1 секунду 1000 молей свекловичного сахара.
31
6. Ферменты нуждаются в присутствии активаторов. Многие
ферменты вырабатываются живой тканью в неактивной форме – в виде
проферментов
, которые переходят в активный фермент под влиянием
активаторов
. Роль активаторов выполняют специфические белковые
вещества – киназы, ионы металлов (Mn
2+
, Mg
2+
, Co
3+
, Na
+
) или изме-
нение реакции среды.
Например, поджелудочная железа вырабатывает профермент
трипсина – трипсиноген, который в кишечном соке активируется энте-
рокиназой, переходя в активную форму – трипсин. Слюнная амилаза –
фермент, расщепляющий крахмал, активируется ионами поваренной
соли. Стенки желудка вырабатывают неактивный профермент – пеп-
синоген. Под влиянием кислой среды желудочного сока пепсиноген
переходит в активный фермент – пепсин. Активация происходит за
счёт вхождения ионов в состав простетической группы фермента или
за счёт облегчения образования фермент-субстратного комплекса, или
иными путями.
7. Ферменты легко инактивируются различными ферментными
ядами. Многие ферменты дыхания инактивируются солями синильной
кислоты (цианидами). Фториды и моноиодуксусная
кисло-
та подавляют действие ферментов брожения.
Вещества, которые тормозят действие ферментов, называются
ингибиторами
. Механизмы ингибирующего действия разнообразны,
но в большинстве случаев сводятся к двум типам: обратимому и необ-
ратимому торможению. В случае необратимого торможения ингиби-
тор действует на фермент, вызывая полное изменение его структуры,
что приводит к прекращению действия фермента.
Обратимое
ингибирование происходит только в период непо-
средственного взаимодействия фермента с ингибитором, а после его
удаления фермент вновь приобретает свою активность. Этот тип инги-
бирования бывает конкурентным и неконкурентным.
Конкурентное
торможение активности фермента обусловлено
конкуренцией между субстратом и ингибитором за взаимодействие с
ферментом. Это возможно только в том случае, если структура инги-
битора близка структуре субстрата, т.е. ингибитор является структур-
ным аналогом субстрата. Поэтому-то ингибитор и способен соеди-
няться с активным центром фермента, и субстрат уже не может при-
соединиться к ферменту.
При удалении ингибитора восстанавливается способность фермен-
та вновь взаимодействовать с субстратом. Между субстратом и ингиби-
тором существуют определённые количественные отношения, которые
следует понимать так: если концентрация ингибитора превышает кон-
центрацию субстрата [I] 〉 [S], то ингибитор взаимодействует с фермен-
том и выключает его из реакции, и субстрат не расщепляется. Но если
32
содержание субстрата выше, чем ингибитора [S] 〉 [I], то с ферментом
будет связываться и субстрат, который подвергается распаду с образо-
ванием продуктов реакции Р
1
и Р
2
, но активность фермента по субстрату
будет снижена за счёт его частичного ингибирования (рис. 8).
При неконкурентном торможении ингибитор соединяется с фер-
ментом не по месту активного центра, а где-то на другом участке моле-
кулы фермента. Но это приводит к такому нарушению структуры актив-
ного центра, что субстрат не может с ним соединяться – фермент инак-
тивируется. Такой вид торможения называется ещё аллостерическим
(рис. 9).
Примером конкурентного торможения является ингибирование
действия фермента сукцинатдегидрогеназы избытком щавелевоуксус-
ной кислоты в цикле Кребса:
COOH
CH
2
CH
2
COOH
COOH
C
CH
2
COOH
O
COOH
CH
CH
COOH
+ ФАД + 2H
+ ФАД
Янтарная
кислота
Щавелевоуксусная
кислота
(конкурентный ингибитор)
Фумаровая кислота
Сукцинат-
дегидрогеназа
E
S
I
[E]+[I]
[E]+[S]
EI
ES
S
I
P
1
P
2
Рис
. 8. Механизм конкурентного торможения
Е
I
S
S
I
Рис
. 9. Механизм неконкурентного торможения
Е
[Е]+[I]
S
[Е]+[S]
P
2
ЕI
S
P
1
ES
I
I
S
E
S
I
сукцинат-
дегидрогеназа
янтарная
кислота
фумаровая кислота
щавелевоуксусная
кислота
(конкурентный ингибитор)
33
Примером неконкурентного торможения может служить блоки-
рование ферментов ионами тяжёлых металлов (Hg
2+
, Cd
2+
, Pb
2+
и др.),
которые присоединяются к сульфгидрильным (–SH) группам полипеп-
тидной цепи, солями синильной кислоты, оксидом углерода (II) и др.
Учение об активаторах и ингибиторах ферментов связано с более ши-
роким и общим вопросом регуляции действия ферментов в целом.
3.3. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ
Наибольшее распространение получила рациональная номенкла-
тура, согласно которой название фермента состоит из названия суб-
страта и окончания «аза». Например:
Субстрат
Фермент
Субстрат
Фермент
сахароза сахараза
амилоза амилаза
мальтоза мальтаза
аспарагин аспарагиназа
Ферменты, расщепляющие белки (протеины), называются про-
теазами
, или протеолитическими ферментами. Ферменты, гидроли-
зующие жиры (липиды), называются липазами.
Группы ферментов можно называть по типу катализируемых реак-
ций. Например, ферменты, ускоряющие отщепление двух атомов водо-
рода от субстрата, т.е. реакцию дегидрирования, называют дегидрогена-
зами
. Ферменты, ускоряющие реакцию гидролиза, – гидролазами.
Иногда в названии объединяют оба принципа, указывая и суб-
страт, и реакцию, которую фермент ускоряет. Например, алкогольде-
гидрогеназа – название специфического фермента, ускоряющего отня-
тие двух атомов водорода от молекулы этилового спирта.
Для многих ферментов сохранились случайные названия, напри-
мер, пепсин – фермент желудочного сока, трипсин – один из фермен-
тов поджелудочного сока, птиалин – фермент слюны (тривиальная
номенклатура).
В 1972 г. Международной комиссией по номенклатуре ферментов
был составлен детальный список всех известных ферментов, который
насчитывал 1770 соединений, в последующем он был существенно
дополнен и в 1979 г. включал 2003 фермента. Каждому из них был
присвоен индивидуальный номер (шифр), который указывает место в
общем списке.
В 1961 г. Международным биохимическим союзом в Москве бы-
ла принята единая классификация ферментов, по которой выделено
6 классов ферментов в соответствии с типом ускоряемых реакций.
1 класс – Оксидоредуктазы – ферменты, катализирующие окис-
лительно-восстановительные реакции, т.е. перенос электронов и про-
тонов от одного вещества (донор) к другому (акцептор). Их действие
может быть представлено схемой: