Каталитическая активность ферментов

 

Введение:

В живой клетке одновременно осуществляются сотни химических реакций. Подобные реакции в неживой природе  зачастаю протекают со столь низкими скоростями, что время реакций может значительно превышать время жизни клетки. Ускорение химических реакций в живом организме обусловлено действием ферментов( от лат. fermentum- закваска) - эффективных биологических катализаторов, которые способны повышать скорости реакций в миллионы и миллиарды раз. (Например,фермент уреаза ускоряет гидролиз мочевины в 10^14 раз).

Из  истории:

Обычно ферменты выделяют из тканей животных, растений, клеток микроорганизмов, биологических жидкостей (кровь, лимфа  и пр.). Из всех типов организмов выделено около 3000 ферментов, часть из них  получена в кристаллическом виде, а для 50 ферментов с помощью  рентгеноструктурного анализа определена пространственная структура. Первый синтетический  фермент был получен в 1969г.: американские исследователи синтезировали рибонуклеазу- фермент, расщепляющий рибонуклеиновые кислоты. Для этого потребовалось соединить в определённой последовательности 124 аминокислотных остатка. Развитие методов генной инженерии расширяет возможности синтеза ферментов.

Применение:

Ферментативные процессы, известные человеку с глубокой древности, -созревание теста при хлебопечении, пивоварение, сыроварение, производство вина, кваса, сока, сахарных сиропов, уксуса и пр., являются основной многих современных производств. Ферменты применяют непосредственно в качестве лечебных препаратов и при производстве ряда лекарственных средств- антибиотиков , витаминов. Ферменты помогают решать проблемы охраны окружающей среды (осуществлять очистку промышленных и сельскохозяйственных стоков, утилизацию мусора).  

 

 

 

 

Свойства  ферментов.

 Ферменты обладают  эффективностью даже в малых  количествах, потому что в процессе  каталитического действия  молекула  фермента каждый раз регенерируется  и способна за минуту осуществлять  миллионы единичных превращений.  В частности, одна молекула  фермента каталазы способна  в  течение одной секунды при  0 температуре  катализировать  разложение до пяти миллионов  молекул пероксида водорода Н2О2.

Следует  обратить внимание на ещё одну уникальную особенность  ферментов- их действие в высшей степени специфично , так что практически каждая реакция превращения реагирующего вещества (субстрата) в продукт осуществляется  специальным ферментом. Если,  например, такой катализатор химических реакций, как никель, ускоряет целый класс реакций, относящихся к одному и тому же типу химических превращений- восстановлению водородом ( гидрированию), то ферменты действуют чрезвычайно избирательно. Например, фермент лактатдегидрогеназа, катализирующий окисление( дегидрирование) молочной кислоты CH3-CHOH-COOH в пировиноградную CH3-CO-COOH, совершенно не действует на гомолог молочной кислоты- гидроксимасляную кислоту CH3-CH2-CHOH-COOH. Более того, этот фермент даже  "различает" оптические изомеры молочной кислоты, действуя лишь на влевовращающие молекулы.

Несмотря на указанные  особенности, ферментам присущи  все общие для катализатаров свойства:

- ферменты участвуют в  реакции , но не подвергаются изменениям в её процессе;

-влияют на скорость  реакций , но не сдвигают её равновесие;

-не катализируют термодинамически невыгодные реакции и не изменяют состав конечных продуктов.

 

 

 

 

 

Строение  ферментов.

Необычайно высокая активность и строгая избирательность действия ферментов связаны с их белковой природой. Молекулы ферментов построены  из остатков альфа- аминокислот, соединённых ковалентными связями в полипептидные цепи,-это первичная структура фермента. Полипептидные цепи ферментов сворачиваются в спирали или образуют складчатые структуры, стабилизированные водородными связями,- вторичная структура ферментов. Фрагменты вторичной структуры определённым образом располагаются в пространстве за счёт взаимодействия между боковыми группами аминокислотных остатков, формируя третичную структуру , которая уникальна для каждого фермента. Ферменты имеют различные молекулярные массы. Наиболее крупные молекулы обычно состоят из нескольких одинаковых или разных субъединиц , связанных между собой нековалентными связями,- это четвертичная структура фермента.

В каждом ферменте имеется активный центр- небольшой участок, сформированный аминокислотными остатками, которые находятся на различных, как правило, удалённых друг от друга участках  полипептидной цепи. Активный центр определяет специфичность химической реакции, катализируемой данным ферментом. В нём можно выделить участок,  связывающий субстрат, и каталитически активные группы (например, функциональные группы серина , цистеина и пр.). При оптимальных для данного фермента условиях в активном центре  образуется полость такой формы и с таким распределением зарядов, что молекула субстрата укладывается в неё, подобно тому как ключ входит в замок. Для функционирования ряда ферментов необходимо присутствие молекулы другого, небелкого, вещества, кофактора, участвующего в формировании активного центра. Как правило, это- ион металла или небольшая органическая молекула, часто- молекула витаминов или их производных , например витамина Н (биотина). Специфичность фермента определяется строением связывающего участка активного центра. Уникально высокая каталитическая активность фермента достигается за счёт реализации в фермент-субстратном комплексе факторов сближения и ориентации, изменения конформаций и пр. Кроме активного центра, некоторые ферменты имеют аллостерический центр, регулирующий работу активного центра.Ферменты способны переходить из состояния с низкой активностью в состояние с высокой активностью и обратно. Известен ряд ферментов, которые синтезируются в клетке в виде неактивных предшественников, а при определённом изменении условий переходят в активные формы. Некоторые ферменты способны к автокатализу - расщеплению своих же неактивных предшественников.

Ферментативный  катализ.

Простейшая схема ферментативного  катализа включает обратимое образование  промежуточного комплекса ферментов  Е с субстратом S и превращение этого комплекса в продукт реакции Р:

E+S  = ES = E+P.

Применим к этой схеме  метод квазистационарных концентраций:

d[ES]/ dt =0=k1[E][S]-(k_1+ k2)[ES],

откуда следует, что

[ES]=[E][S]/Kм,

где

Kм=k2+k_1/k1

- константа Михаэлиса. Теперь можно найти скорость образования продукта:

r=d[P]/dt=k2[ES]=(k2/Kм)[E][S].

Ферментативная реакция  имеет первый порядок по субстрату  и первый по ферменту. Обычно скорость реакций записывают как функцию  начальной, а не текущей концентрации фермента. Используя уравнение материального  баланса 

[E]+[ES]=[E]0,

решение кинетического уравнения  можно записать в виде уравнения Михаэлиса-Ментен:

r=d[P]/dt=rmax[S]/Kм+[S],

где rmax =k2*[E]0-максимальная скорость реакции( при бесконечно большой концентрации субстрата). Это уравнение содержит две константы-Км и k2. Константа Михаэлиса равна концентрации субстрата, при которой скорость реакции составляет половину максимальной скорости. Константа Км характеризует специфичность фермента по отношению к субстрату ( чем меньше константа, тем больше специфичность). Типичные значения Км - от 0,000001 до 0,01 моль* л. Константу скорости k2, которая характеризует активность фермента , иногда называют числом оборотов фермента. Она равна числу молекул субстрата, которые превращаются на активном центре фермента в единицу времени, и может измениться в пределах от 0,5 до 1000000 с.

От  чего зависит каталитическая активность ферментов?

Заметное влияние на эффективность  действия ферментов оказывают температура  и кислотность среды, обуславливающие  изменение структуры белка. Большинство  ферментов млекопитающих наиболее активны при температуре от 35 до 40, тогда как ферменты рыб и  других холоднокровных животных лучше  работают при более низких температурах; практически все ферменты нестабильны при нагревании выше 50 градусов. Для каждого фермента имеется определённое значение водородного показателя рН, при котором скорость  катализируемой реакции максимальна: для большинства ферментов оптимально значение рН около 7,0; однако, например, фермент амилаза, выделяемый из слюны, лучше работает при рН, равном 9,0 и даже выше, тогда как пищеварительный фермент желудочного сока пепсин активен в очень кислых средах- при рН менее 2,0.

В зависимости от типа катализируемой реакции все ферменты подразделяются на несколько классов. Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции, трансферазы осуществляют перенос функциональных групп с одной молекулы на другую, расщепление химических связей с участием молекул воды контролируют гидролазы, а расщепление негидролитическим путём- лиазы, превращение изомерных соединений друг в друга всегда происходит с участием изомераз, а лигазы отвечают за процессы  образования новых связей за счёт энергии расщепления фосфатной связи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

Чем интересна мне данная тема, как будущему врачу.

Ферменты применяют непосредственно  в качестве лечебных препаратов и  при производстве ряда лекарственных  средств- антибиотиков , витаминов. В тонком органическом синтезе ферменты используют для получения веществ, синтез которых химическими методами затруднён, например синтез оптически активных изомеров аминокислот. Особенно перспективно применение закреплённых на полимерных носителях- иммобилизованных ферментов; их используют, в частности , для синтеза пенициллинов. Ферментативные методы анализа, характеризующиеся высокой чувствительностью, применяются в медицине и биохимии.

Основная функция ферментов- направлять и регулировать химические превращения в живом организме, обеспечивая его приспособляемость к условиям внешней среды. Отсутствие даже одного фермента или какой-либо его дефект могут иметь очень серьёзные отрицательные последствия для организма. Понимание ферментативных процессов позволяет выявить причины и определить пути лечения многих тяжёлых заболеваний, таких как диабет, фенилкетонурия и пр.