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:
- 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.
- 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. - 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:
- Гипотеза Фишера («ключ к замку»). Активный центр представляет собой слепок. Если субстрат подходит к активному центру, как ключ к замку, то реакция произойдет.
- 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.