Химическая природа и свойства ферментов

Ферментами называют белки, которые играют роль биокатализаторов. Благодаря ферментам обмен веществ в организме протекает с очень большой скоростью. Так, например, белки, углеводы и жиры, вне организма расщепляются (гидролизуются) лишь при длительном кипячении их с крепкими растворами кислот или щелочей. Между тем в пищеварительном тракте человека и животных расщепление белков и других продуктов протекает с огромной скоростью, в короткий отрезок времени при температуре 37″С.

Скорость химических реакций зависит от температуры, концентрации реагирующих веществ. В реакцию вступают молекулы, находящиеся в возбужденном, или активном состоянии. Чем больше активных молекул, тем выше скорость химической реакции.

Активация молекул может быть достигнута путем увеличения кинетической энергии, т.е. путем увеличения скорости их движения при повышении температуры и других факторов.

Если снизить уровень энергетического барьера реакции, то увеличится число реагирующих молекул, так как для их возбуждения потребуется меньше энергии. В этом случае скорость химической реакции будет больше.

Катализаторы снижают энергетический барьер реакций, т.е. снижают уровень энергии активации реакции.

При гидролизе сахарозы образуется глюкоза и фруктоза. Эта реакция осуществляется без катализатора при энергии активации, равной 134 кДж/моль. Если реакция катализируется ионами Н, то энергия активации (Е) снижается до 105 кДж/моль, а в случае катализа ферментом фруктозидазой (сахарозой) она составляет всего лишь 39 кДж/моль.

Реакция разложения пероксида водорода, если она происходит без катализатора, требует Е=75 кДж/моль. Если реакция катализируется коллоидной платиной, то Е понижается до 48 кДж/моль, а в присутствии фермента каталазы – до 23 кДж/моль. Таким образом, катализаторы, снижая Е, ускоряют течение химических реакций.

Ферменты, поскольку они являются по химической природе белками, в растворах ведут себя как амфотерные электролиты и при изменении рН их коллоидные частицы приобретают электрический заряд. На действие ферментов влияют ряд факторов:

  1. Влияние температуры. Ферменты термолабильны. Наибольшая активность их наблюдается при 37-40 «С. Повышение температуры до 60оС ослабляет их действие, а при температуре 70-80оС они разрушаются и теряют свою активность (инактивируются). Исключение составляют некоторые ферменты. Например, фермент миокиназа выдерживает нагревание до 100оС. При низких температурах активность действия ферментов снижается.
  2. Влияние реакции среды на активность ферментов. Некоторые ферменты проявляют максимум активности при рН=7, другие слабо биокислот или слабощелочной средах.
    Например, пепсин проявляет активность при рН=1,5:2,5; сахароза при рН=4,6:5,0; амилаза слюны рН=6,8-7,2; амилаза рН=7:8.
  3. Специфичность действия ферментов.
    • а) Стереохимическая субстратная специфичность фермента катализирует превращение только одного из возможных стереоизомеров субстрата. Например, фумараза катализирует превращение только фумаровой кислоты, но не стереоизомера – малеиновая кислота.
    • б) Абсолютная субстратная специфичность – фермент катализирует превращение только одного субстрата. Например, уреаза катализирует превращение только мочевины.
    • в) Абсолютная групповая субстратная специфичность – фермент катализирует превращение только сходной группы субстратов. Например, алкогольдегидрогеназа катализирует превращение не только этанола, но и других алифатических спиртов.
    • г) Относительная субстратная специфичность – фермент катализирует превращение субстратов, принадлежащих к разным группам химических соединений. Например, фермент цитохром Р450 участвует в гидроксилировании разных соединений (около 7000).
    • д) Относительная групповая субстратная специфичность – фермент специфически действует не на группу молекул субстрата, а на отдельные связи определенной группы субстратов. Например, пищеварительные ферменты – пепсин, трипсин- специфичны по отношению к пептидным связям, образованным определенными аминокислотами в разных белках.

Чем же объединяется специфичность действия ферментов?

На этот счет существует две точки зрения:

  1. Гипотеза Фишера («ключ к замку»). Активный центр представляет собой слепок. Если субстрат подходит к активному центру, как ключ к замку, то реакция произойдет.
  2. Гипотеза Кошленда – гипотеза «вынужденного соответствия». Молекула фермента не жесткая, а гибкая, эластичная конформация фермента и его активного центра изменяется присоединением субстрата. Активный центр – не жесткий слепок субстрата, а субстрат вынуждает его принять соответствующую форму в момент присоединения.