Общая характеристика ферментов

5. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ Е

Ферменты ускоряют скорость строго определенных химических реакций, которые в отсутствие Е протекают очень медленно. Е не расходуются в процессе реакции и к концу реакции остаются химически неизменными. Реакции, катализируемые ферментами называются ферментативными реакциями.

Скорость любой химической реакции зависит от числа соударений активных молекул реагирующих веществ в единицу времени. Каждая молекула имеет запас энергии и взаимодействие между молекулами произойдет, если запаса энергии будет достаточно для преодоления сил отталкивания между ними. Эти силы отталкивания называются энергетического барьер реакции. При недостаточном запасе энергии молекулы можно активировать, т.е. сообщить им дополнительную энергию — т.е. энергию активации. Энергия активации — это количество энергии необходимое для того, чтобы все молекулы 1 моля вещества при определенной температуре перешли в активную форму. Активировать молекулы можно нагреванием (ускоряется тепловое движение молекул), добавлением катализатора,овышение давления, радиационного воздействия. Е, выполняющие роль катализаторов, позволяют молекулам преодолеть энергетический барьер реакции на более низком энергетическом уровне, т.е. Е снижают энергию активации. Согласно теории Михаэлиса — Ментена ферментативная реакция состоит из 3 стадий:

1. Образование фермент-субстратного комплекса Е + S = ЕS

 Е приближается к S, происходит их пространственная подгонка: активный центр Е располагается против атакуемой связи. Реакция протекает быстро, энергия активации расходуется мало.

2. Преобразование фермент-субстратного комплекса ЕS →  ЕS1 →  ЕS2

образуется 1 или несколько активных комплексов. В молекуле субстрата

разрываются связи, образуются новые связи. Эта стадия продолжательна, энергия активации изменяется резко.

3. Образование продуктов реакции ЕS → Е + Р

образовавшие Р отщепляются от Е, Е может снова вступать в реакцию.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЭФФЕКТЫ ФЕРМЕНТАТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ

1. Эффект концентрации. Чтобы произошло взаимодействие между молекулами реагирующих веществ, они должны обязательно столкнуться. В обычных условиях без участия фермента столкновение этих молекул является медленным, что замедляет реакцию. Поэтому основная роль ферментов заключается в притяжении молекул реагирующих веществ на свою поверхность и концентрация этих молекул в области активного центра фермента.

2. Эффект, сближения  и ориентации. Это характерное свойство ферментов, которое позволяет ускорить превращение субстрата и повышение скорости реакции в 1000 и 10000 раз. Контактные участки активного центра фермента связывают специфически молекулы субстрата, сближают их и обеспечивают взаимную ориентацию так, чтобы это было выгодно для действия каталитических групп фермента. Такое упорядоченное расположение S приводит к снижению энергии активации.

3. Эффект натяжения ("дыбы"). После связывания молекула субстрата растягивается и принимает напряжённую деформированную конфигурацию. При этом увеличивается длина межатомных связей, следовательно, понижается Е активации.

4. Кислотно-основной  катализ. В активном центре фермента содержатся группы кислотного и основного типа. Группы кислотного типа отщепляют Н+ и имеют отрицательный заряд. Группы основного типа присоединяют Н+ и имеют положительный заряд. Кроме основных групп, положительный заряд несут ионы металлов. После связывания субстрата с активным центром фермента, молекулы субстрата перестраиваются, т.к. они подвергаются действию каталитических групп активного центра: одни группы присоединяют Н+, др. его отщепляют. Это приводит к ускорению образования продукта реакции, т.е. способствует понижению энергии активации.

5. Ковалентный  катализ (фосфатазы). Наблюдается у ферментов, которые образуют ковалентные связи между каталитическими группами активного центра и субстрата. В результате формируется промежуточный F-S комплекс, который неустойчив, легко распадается, продукты реакции быстро освобождаются.

6.Эффект индуцированного  соответствия.

Он объясняет специфичность действия ферментов. По этому поводу имеется 2 точки зрения:

А). Гипотеза ФИШЕРА. Согласно ей имеется строгое стерическое соответствие субстрата и активного центра фермента. По Фишеру, фермент - это жёсткая структура, а субстрат является как бы слепком его активного центра. Если субстрат подходит к активному центру фермента как ключ к замку, то реакция возможна. Но эта теория не могла объяснить групповую специфичность фермента.

Б). Теория индуцированного соответствия КОШЛЕНДА дополнила теорию ФИШЕРА. Согласно ей молекула фермента - это не жёсткая, а гибкая структура. После связывания фермента с субстратом, изменяется конформация активного центра фермента и всей молекулы субстрата. Они находятся в состоянии индуцированного соответствия. Это происходит в момент взаимодействия. Гипотеза Кошленда получила название "рука-перчатка".

Специфичность действия ферментов. Все ферменты обладают высокой специфичностью, т.е. катализируют одну или несколько близких по типу реакций. Специфичность основана на соответствии структуры активного центра Е и субстрата.

Различают следующие виды специфичности:

1. Абсолютная специфичность. Ей обладают ферменты, которые действуют только на 1 субстрат и не действуют на другие субстраты.

Пример: уреаза    гидролизует мочевиную. Аргиназа   отщепляет аргинин.

2. Групповая (относительная) специфичность. Ей обладают ферменты, которые катализируют однотипные реакции сходных по строению субстратов, т.е. эти субстраты могут содержать в своём составе одинаковые группы атомов.

Пример: пептидазы действуют на субстраты, содержащие пептидные связи: дипептиды, трипептиды, белки

3. Стереоспецифичность. Ей обладают ферменты, действующие на пространственные или стереоизомеры. ЦИС и ТРАНС изомеры; оптические изомеры. Пример: Е, участвующие в превращениях АК - L-оксидазы, D-оксидазы.