Заняття 8 Тема: загальні властивості ферментів теоретична частина:

Ферменти (ензими) — високоспеціалізовані білкові сполуки, які є біокаталізаторами біо­хімічних процесів, тобто прискорюють протікання хімічних реакцій в живих організмах. Вони синтезуються клітинами організму. Деякі клітини можуть містити до 1000 різних ферментів.

Відзначні ознаки біологічних каталізаторів від неорганічних:

1. Швидкість біокаталізу вища. Це пов’язано із зниженням ферментами енергії активації (Еа) між ферментом та субстратом. У результаті 1 фермент може впливати на 1 млн. субстратів (розщеплюючи чи сполучаючи їх).

2. Ферменти проявляють високу специфічність. Кожний фермент специфічний тільки до одного субстрату.

3. Ферменти каталізують у звичайних умовах (t=36^о С, рН=7).

4. Ферменти – каталізатори з регулюючою активністю.

5. Швидкість ферментативної реакції прямо пропорційна кількості ферменту.

Властивості ферментів:

1. Всі ферменти білкової природи (прості та складні).

2. Всі ферменти термолабільні, тобто оптимум дії 0⁰-45⁰С.

3. Ферменти специфічні; відрізняють абсолютну та відносну специфічність.

4. Ферменти для своєї дії потребують суворо визначного значення рН середовища.

5. Ферменти мають високу каталітичну активність.

За своєю хімічною природою ферменти можуть бути як простими, так і складними білками. Білкова частина ферменту одержала назву апофермент, небілкова - кофермент. Хімічна будова коферментів, їх функції і механізм дії дуже різноманітні. У побудові коферментів беруть участь похідні ряду вітамінів, нуклеотиди, залізопорфіринові структури та інші органічні сполуки.

Коферменти за їхніми функціями у ферментативному каталізі прийнято ділити на 3 основні групи:

1. Коферменти - переносники водню і електронів.

2. Коферменти - переносники угруповань.

3. Коферменти синтезу, ізомеризації й розщеплення вуглець-вуглецевих зв'язків ( - С - С - ).

Ферменти мають фізико-хімічні властивості, характерні для білків. Особливостями структури білкової молекули ферментів, гнучкістю їх третинної й четвертинної структур пояснюються такі властивості ферментів, як залежність активності від температури, від величини рН і висока специфічність дії. На активність ферментів впливає наявність у навколишньому середовищі різних хімічних сполук, які можуть або підвищувати (активатори), або знижувати (інгібітори) активність ферментів. Для позначення активаторів і інгібіторів часто користуються термінами ефектори або модифікатори.

У структурі ферменту — простого або складного білку—відрізняють ряд ділянок, які мають певну функцію. Це активний та алостеричні центри. В утворенні фермент-субстратного комплексу бере участь невелика частина молекули ферменту, яка має назву активний центр. Функціональні групи активного центру вступають у сполучання із субстратом і беруть участь у каталізі. Теорія "ключа і замка", запропонована Е. Фішером, пояснює специфічність ферменту стосовно певного субстрату тим, що активний центр ферменту має жорстку структуру, суворо комплементарну молекулярній структурі субстрату. Фішер у 1894 р. запропонував наступну схему протікання ферментативної реакції:

Е + S ↔ ES → Е + Р, де Е – ензим (фермент), S – субстрат, Р – продукт.

Останнім часом широке визнання одержала гіпотеза рухливого активного центра Д. Кошланда: взаємодія субстрату з ферментом приводить до зміни конформацій активного центра й утворенню комплементарної структури між активним центром і субстратом.

Алостеричний центр представляє собою ділянку фер­менту, яка в молекулі ферменту просторово роз­ділена з активним центром. До нього можуть приєднуватися різні хімічні речовини, які отримали назву алостеричних ефекторів чи модуляторів; при цьому вони змінюють просторову конфігурацію ферменту, переводячи фермент в активну чи неактивну форму, таким чином сприяють утворенню або роз’єднанню активного центру. Модулято­рами можуть бути гормони, продукти їх обміну, медіатори, проміжні та кінцеві продукти реакцій (мета­боліти) та ін.

Швидкість ферментативний реакції залежить від:

1. Температури. Із збільшенням температури на кожні 10^о С швидкість ферментативної реакції збільшується у 2 рази. При деякій оптимальній температурі (37⁰С) швидкість реакції максимальна. При подальшому збільшенні температури швидкість реакції падає в наслідок денатурації ферментів.

2. рН середовища (для більшості ферментів рН оптимум ≈ 7, для пепсину - 1,5 - 2). При досить високих чи низьких рН виникає денатурація білку. Із здвигами рН змінюється величина заряду молекул субстрату чи ферменту. В результаті швидкість ферментативної реакції знижується.

3. Концентрації субстрату. Субстрат сприяє підвищенню активності та стабільності ферменту. При збільшенні концентрації субстрату початкова швидкість V, буде збільшуватися до максимальної величини, Vmax після чого залишається постійною.

За мірою підвищення концентрації субстрату швидкість буде зростати до тих пір, доки не відбудеться насичення ферменту субстратом. При подальшому підвищенні концентрації субстрату початкова швидкість вже не буде зростати.

Концентрація субстрату, при якій швидкість складає половину максимальної, позначається через К_М та має назву константи Міхаелісу. Її можна визначати з графіку залежності V від [S].

Коли [S] наближується до К_М, V стає дуже чутливою до зміни [S]; в цій області фермент працює із швидкістю, яка дорівнює половині максимальній.

Рівняння Міхаеліса-Ментена описує поведінку багатьох ферментів при зміні концентрації субстрату:

Vmax ∙ S

V = ----------------

Km + S

Чим вище Км, тим менша швидкість.

У складі живих організмів виявлено багато фер­ментів, тому для роботи з ними необхідно знати класифікацію та номенклатуру ферментів. Всі фермен­ти поділені на шість класів в залежності від типу каталізуючої реакції:

1-й клас: оксидоредуктази - каталізують окислювально-відновні реакції. Процеси окислення можуть протікати:

1) за участю кисню;

2) без участі кисню.

2-й клас: трансферази - каталізують реакції переносу хімічних груп з одного субстрату на інший.

3-й клас: гідролази - каталізують різні реакції гідролізу.

4-й клас: ліази - каталізують всі реакції негідролітичного розщеплення речовин і утворення нових зв’язків без участі енергії, яка виділяється при гідролізі АТФ.

5-й клас: ізомерази - каталізують реакції взаємоперетворення ізомерів.

6-й клас: лігази - каталізують реакції синтезу органі­чних речовин з двох молекул з використанням енер­гії розщеплення АТФ.