Ферменты
критерий, служащий для характеристик фермента. Иногда это свойство
ферментов используют для их препаративного разделения. Наличие оптимума РН
можно объяснить тем. Что ферменты представляют собой полиэлектролиты и их
заряд зависит от значения РН (Смотри приложение 2). Иногда сопутствующие
вещества могут изменить оптимум РН, например буферные растворы. В некоторых
случаях в зависимости от субстратов ферменты с неярко выраженной
специфичностью имеют несколько оптимумов. Например, пепсин расщепляет белки
яйца при РН 1,5- 2,0, синтетические субстраты- при РН 4,0. Отсюда следует,
что величина (РН оптимум)- весьма чувствительный признак для данного
фермента. Она зависит от природы субстрата, состава буферного раствора и
поэтому не является истинной константой. Нужно иметь в виду также свойства
ферментов как белковых тел, способных к кислотно-щелочной денатурации.
Поэтому при определении оптимума РН, в котором сохраняется физико-
химическая стабильность фермента. Кислотно-щелочная денатурация может
привести к необратимым изменениям структуры фермента с утратой его
каталитических свойств.
ВЛИЯНИЕ ДРУГИХ ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ.
Присутствие в реакционной среде некоторых ионов может активировать
образование активного субстрат ферментного комплекса, и в этом случае
скорость ферментативной реакции будет увеличивается. Такие вещества
получили название активаторов. При этом вещества, катализирующие
ферментативные реакции, непосредственного участия в них не принимают. На
активность одних ферментов существенно влияет концентрация солей в системе,
другие ферменты не чувствительны к присутствию ионов. Однако некоторые ионы
абсолютно необходимы для нормального функционирования некоторых ферментов.
Известны ионы, которые тормозят активность одних ферментов и являются
активаторами для других. К числу специфических активаторов относятся
катионы металлов: Na+, K+,Rb+,Cs+,Mg2+, Ca2+,Zn2+,Cd2+,Cr2+,Cu2+,
Mn2+,Co2+,Ni2+,Al3+. Известно также, что катионы
Fe2+,Rb+,Cs+ только в присутствии Mg действуют как активаторы, в других
случаях эти катионы не являются активаторами. В большинстве случаев один
или два иона могут активировать тот или иной фермент. « Например, Mg2+-
обычный активатор для многих ферментов, действующий на фосфоримированные
субстраты, почти во всех случаях может быть заменён Mn2+, хотя другие
металлы его заменить не могут. Следует заметить, что щелочноземельные
металлы вообще конкурируют друг с другом, в частности, Са2+ подавляет
активность многих ферментов, активируемых Mg2+ и Zn2+. Причина этого до
настоящего времени не ясна» (Г. А. Смирнова Основы биологии). Механизм
влияния ионов металлов- активаторов может быть различным. Прежде всего,
металл может быть компонентом активного центра фермента. Но может
действовать как связующий мостик между ферментом и субстратом удерживая
субстрат у активного центра фермента. Имеются данные о том, что ионы
металлов способны связывать органическое соединение с белками и, наконец,
один из возможных механизмов действия металлов как активаторов- это
изменение константы равновесия ферментативной реакции. Доказано, что анионы
также влияют на активность ряда ферментов. Например, очень велико влияние
СI- на активность А - амилазы животного происхождения. Наряду с
существованием активаторов ферментов известен ряд веществ, присутствие
которых тормозит каталитическое действие ферментов или полностью
инактивирует его. Такие вещества принято называть ингибиторами. Ингибиторы
– это вещества, действующие определённым химическим путём на ферменты и по
характеру своего действия, могут быть подразделены на обратимые и
необратимые ингибиторы. Для обратимого торможения Характерно равновесие
между ферментом и ингибитором с определённой константой равновесия. Система
такого типа характеризуется определённой степенью торможения, зависящей от
концентрации ингибитора, при этом торможение достигается быстро и после
этого не зависит от времени. При удалении ингибитора с помощью диализа
активность фермента восстанавливается. Необратимое торможение, прежде
всего, выражается в том, что диализ не способствует восстановлению
активности фермента. И в отличии от обратимого торможения усиливается со
временем, так что может наступить полное торможение каталитической
активности фермента при очень низкой концентрации ингибитора. В этом случае
эффективность действия ингибитора зависит не от константы равновесия, а от
константы скорости, определяющей долю фермента, подвергшегося торможению в
данном случае.
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ.
Температура – один из важнейших факторов внешней среды, который независимо
от состояния равновесия реакции меняет её скорость. Поэтому при
ферментативных реакциях при повышении температуры на 10 С процесс
ускоряется в 1,5 – 2 раза. При дальнейшем повышении температуры
присоединяются денатурационные процессы, характерные для всех белков и в то
м числе для ферментов, поэтому наблюдается затухание скорости реакции
(Смотри приложение 3). Температурным оптимумом реакции называют
температуру, при которой одно её действие вызывает ускорение реакции,
катализируемой данным ферментом. Для большинства ферментов животного
происхождения он равен 40 – 50 С, для растительного происхождения он равен
50 – 60 С. Почти все ферменты разрушаются при температуре 80 С. Но для
некоторых ферментов в настоящее время доказана возможность восстановления
их каталитической активности в случае обратимого процесса денатурации
белка. Известны и такие ферменты, максимальная активность которых
проявляется при более низких температурах. «Например, каталаза,
температурный оптимум которой лежит в пределах между 0-10С» (Г. А. Смирнова
Основы биохимии). Понижение температуры снижает скорость ферментативных
реакций. Большинство ферментов при 0 С ещё не утрачивают своих
каталитических свойств, но при замораживании химические реакции
прекращаются. При последующем оттаивании, если соблюдается определённые
условия, ферментативная активность клеток может быть восстановлена.
ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ.
При изучении действия давления на скорость ферментативных реакций
необходимо, прежде всего, учитывать, как и при изучении других факторов,
возможность денатурации ферментов при высоком давлении. Если константа
скорости ферментативной реакции растёт с повышением давления, то
образование активного комплекса происходит с уменьшением объёма и наоборот,
если при увеличении давления образование активного комплекса сопровождается
увеличением объёма, то константа скорости реакции снижается.
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ФЕРМЕНТА И ЕГО СУБСТРАТА.
Скорость любого ферментативного процесса в значительной степени зависит от
концентрации, как субстрата, так и фермента. Обычно скорость реакции прямо
пропорциональна количеству фермента, при условии если содержание субстрата
в в пределах оптимума или немного выше. При постоянном количестве фермента
скорость возрастает с увеличением концентрации субстрата. Эта реакция
подчинена закону действующих масс и рассматривается в свете теории
Михаэлиса – Ментона, то есть
V=K(F) V- скорость реакции
K- константа скорости
F- концентрация фермента
(Смотри приложение 4).
На графике показано соотношение скорости реакции и концентрации субстрата.
В восходящей части гиперболы при низких концентрациях субстрата скорость
реакции пропорциональна концентрации субстрата. В верхней части, когда
концентрация субстрата высока, скорость реакции приближается к
максимальному значению и почти не зависит от концентрации. Первое
объяснение этой кривой было дано Генри (1901 год). Он высказал
предположение, что а основе этой реакции лежит образование субстрат -
ферментного комплекса. В дальнейшем эта теория была экспериментально
обоснована Михаэлисом – Ментеном и не утратила своего значения до
настоящего времени.
МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ.
Предполагалось, что ферменты адсорбируют на своей поверхности реагирующие
молекулы, в результате чего на участках сорбции концентрация молекул
субстрата увеличивается, и это повышает вероятность протекания реакции
между ними. Постепенно сложилось мнение, что фермент не сорбирует субстрат
на своей поверхности, а вступает с ним во взаимодействие, причём это
взаимодействие на первом этапе состоит в образовании непрочного соединения-
комплекса между ферментом и субстратом. С каждой молекулой фермента ( а
точнее, с каждым его каталитическим центром) реагирует одна молекула
субстрата, причём реакция носит необратимый характер. Если фермент
обозначить буквой Е, а субстрат буквой S, то реакцию можно написать в виде
уравнения:
E+S ES
Совершенно очевидно, что ферментативный процесс в целом не может
закончиться образованием фермент- субстратного комплекса. Этот комплекс
представляет собой лишь промежуточное соединение, которое подвергается
дальнейшим преобразованиям. В простейшем случае- это химическое превращение
