Ферменты, Фермент-субстратный комплекс и Энергия активации

Регуляция активности ферментов может осуществляться путём взаимодействия ферментов с различными биологическими компонентами или чужеродными соединениями, которые называются регуляторами ферментов. Они могут либо ускорять, либо замедлять ферментативную реакцию.

Ингибиторы ферментов

Ингибиторами называют вещества, вызывающие снижение активности фермента. Следует различать инактивацию и ингибирование фермента. Сам по себе факт торможения ферментативной реакции в присутствии какого-либо вещества ещё не говорит о том, что это вещество – ингибитор. Любые денатурирующие агенты вызывают инактивацию фермента и торможение ферментативной реакции. Ингибиторы, в отличие от денатурирующих агентов, действуют в малых концентрациях и вызывают специфическое снижение ферментативной активности. По прочности связывания с ферментом ингибиторы делятся на обратимые и необратимые. Необратимые ингибиторы прочно связываются с ферментом, тогда как комплекс фермент – обратимый ингибитор непрочен. Если сильно разбавить раствор фермента с обратимым ингибитором, то их комплекс распадается и активность фермента восстанавливается.

Механизмы действия ингибиторов ферментов

По механизму действия ингибиторы делятся на конкурентные и неконкурентные.

Конкурентные ингибиторы имеют структурное сходство с молекулой субстрата, что позволяет им занять место субстрата в активном центре фермента: E + S + I → EI + S Встраиваясь вместо субстрата в активный центр, такой ингибитор не даёт ферментативной реакции осуществиться. То есть, субстрат конкурирует с ингибитором за активный центр. С активным центром связывается то соединение, молекул которого больше. Снять конкурентное ингибирование можно, увеличив концентрацию субстрата. На принципе конкурентного ингибирования основано действие многих фармакологических препаратов (например, сульфаниламидных), инсектицидов, фосфорорганических боевых отравляющих веществ (зарин, зоман). Неконкурентные ингибиторы не имеют структурного сходства с субстратами. Они или связываются с каталитическими группами активного центра фермента, или, связываясь с ферментом вне активного центра, изменяют конформацию активного центра таким образом, что это препятствует превращению субстрата. Поскольку неконкурентный ингибитор не влияет на связывание субстрата, то в отличие от конкурентного ингибирования наблюдается образование тройного комплекса: E + S + I → ESI К неконкурентным ингибиторам относятся ионы тяжёлых металлов: ртути, свинца, кадмия, мышьяка. Они блокируют SH-группы, входящие в каталитический участок фермента. Снять действие неконкурентного ингибитора избытком субстрата, как при конкурентном ингибировании, нельзя, а можно лишь веществами, связывающими ингибитор (реактиваторами). Тяжелые металлы лишь в небольших концентрациях играют роль ингибиторов, в больших концентрациях они действуют как денатурирующие агенты.

Наиболее важными неконкурентными ингибиторами являются образующиеся в живой клетке промежуточные продукты метаболизма, способные обратимо связываться с аллостерическими участками фермента – аллостерические ингибиторы.

Они занимают ключевое положение в метаболизме, поскольку тонко реагируют на изменения в обмене веществ и регулируют прохождение веществ по целой системе ферментов.

Например, аллостерическая регуляция проявляется в виде ингибирования конечным продуктом первого фермента цепи. Эта регуляция сходна с регуляцией по механизму обратной связи и позволяет контролировать выход конечного продукта, в случае накопления которого прекращается работа первого фермента цепи

Ферменты

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.).

Читайте также:  Методика лапароскопической ректопексии при ректальном пролапсе

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.

Механизм действия ферментов

Сущность действия ферментов заключается в ускорении или создании возможности прохождения реакций гидролиза, наращивания или расщепления углеродного скелета, возникновения эфирной связи и т. д. При этом фермент выступает либо как носитель частицы субстрата, либо как переносчик электрона и т. д. Некоторые ферменты обладают двойным действием: в зависимости от условий они производят, например, синтез или гидролиз соответствующих веществ в реакции, имеющей обратимый характер, но гораздо чаще в растении существуют системы ферментов противоположного действия, локализованные на различных клеточных структурах и вступающие в действие в нужный момент.

В основе механизма действия ферментов лежит образование промежуточных комплексов реагирующих молекул с ферментом. При образовании таких активированных комплексов «фермент — субстрат» в молекуле субстрата происходят деформации, которые облегчают вступление молекулы в реакцию. После реакции фермент и химически измененный субстрат отталкиваются друг от друга, и фермент может вступать во временное соединение с новой молекулой субстрата (рис. 6.1).

Читайте также:  Наборы для дренирования плевральной полости Плеврофикс №1

Рис. 6.1. Этапы ферментативного катализа:

I — этап сближения и ориентации субстрата относительно активного центра фермента; II — образование фермент-субстратного комплекса (ES);

III — деформация субстрата и образование нестабильного комплекса фермент- продукт (ЕР); IV — распад комплекса (ЕР) с высвобождением продуктов реакции из активного центра фермента и освобождением фермента

Фермент понижает энергию активации Еа, т. е. снижает высоту энергетического барьера, в результате чего возрастает доля реакционно-способных молекул субстрата. При этом энергетический уровень молекул субстрата значительно возрастает, они становятся более активными и легче вступают в реакцию. Энергия активации комплекса «фермент — субстрат» будет меньшей, чем энергия чистого субстрата (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Энергия активации химической реакции, некатализируемой и катализируемой ферментами

Примеры снижения энергии активации химической реакции в присутствии ферментов показаны в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Энергия активации (?) катализируемых и некатализируемых реакций

Реакция

Катализатор

Е, кДж/моль

2Н2О2 — 2Н2О + О2

Без катализатора Коллоидная платина Каталаза

  • 75,4
  • 49.0
  • 23.0

Сахароза = глюкоза + фруктоза

Ионы водорода Дрожжевая инвертаза

  • 108,6
  • 48,2

Являясь ускорителями всех биохимических реакций, ферменты имеют ряд отличий от неорганических катализаторов:

  • — почти все ферменты работают в мягких условиях (при низких температурах, нормальном атмосферном давлении);
  • — имеют чрезвычайно высокую активность действия. Средняя скорость ферментативных реакций — 100 молекул в секунду;
  • — отличаются поразительной разборчивостью действия (могут действовать, например, на определенную связь).

Ферменты: состав

Увеличить картинку

Ферменты: состав

Исходя из того, что все ферменты представляют собой вещества белковой природы, как и белки, они могут иметь сложный или простой состав. Энзимы, относящиеся к простым белкам, состоят исключительно из аминокислот (тирозина, лизина, метионина, аргинина и др.), тогда как сложные ферменты, помимо белкового компонента, могут содержать нуклеотиды, витамины и атомы различных металлов. Так например, в состав активных центров сложных ферментов могут входить цинк, селен, никель, марганец, кобальт и др.