Фермента и субстрата

Ферменты – биологические катализаторы белковой природы, образуемые живой клеткой, действующие

с высокой активностью и специфичностью. Сходство ферментов с небиологическими катализаторами

заключается в том, что:

ферменты катализируют энергетически возможные реакции;

энергия химической системы остаѐтся постоянной;

в ходе катализа направление реакции не изменяется;

ферменты не расходуются в процессе реакции.

Отличия ферментов от небиологических катализаторов заключаются в том, что:

скорость ферментативных реакций выше, чем реакций, катализируемых небелковыми катализаторами;

ферменты обладают высокой специфичностью;

ферментативная реакция проходит в клетке, т.е. при температуре 37 °С, постоянном атмосферном

давлении и физиологическом значении рН;

скорость ферментативной реакции может регулироваться.

Современная классификация ферментов основана на природе катализируемых ими химических

превращений. В основу классификации берется тип реакции, катализируемой ферментом. Ферменты разделяют

на 6 классов:

1. Оксидоредуктазы - катализируют окислительно-восстановительные реакции

2. Трансферазы – перенос групп

3. Гидролазы – гидролиз

4. Лиазы – негидролитическое расщепление субстрата

5. Изомеразы – изомеризация

6. Лигазы (синтетазы)- синтез с использованием энергии (АТФ)

Номенклатура ферментов.

1. Тривиальное название (пепсин, трипсин).

2. Название фермента может складываться из названия субстрата с прибавлением окончания «аза»

(аргиназа гидролизует аминокислоту аргинин).

3. Добавление окончания «аза» к названию катализируемой реакции (гидролаза катализирует

гидролиз, дегидрогеназа – дегидрирование органической молекулы, т.е. отнятие протонов и электронов от

субстрата).

4. Рациональное название – название субстратов и характер катализируемых реакций (АТФ + гексоза

гексозо-6-фосфат + АДФ. Фермент: АТФ: D-гексоза-6-фосфотрансфераза).

5. Индексирование ферментов (каждому ферменту присваиваются 4 индекса или порядковых

номера): 1.1.1.1 – АДГ, 1.1.1.27 – ЛДГ.

Зависимость скорости ферментативной реакции от рН среды Для каждого фермента существует значение

рН, при котором наблюдается его максимальная активность. Отклонение от оптимального значения рН приводит

к понижению ферментативной активности. Влияние рН на активность ферментов связано с ионизацией

функциональных групп аминокислотных остатков данного белка, обеспечивающих оптимальную конформацию

активного центра фермента. При изменении рН от оптимальных значений происходит изменение ионизации

функциональных групп молекулы белка. Например, при закислении среды происходит протонирование

свободных аминогрупп (NH3

+), а при защелачивании происходит отщепление протона от карбоксильных групп

(СОО-). Это приводит к изменению конформации молекулы фермента и конформации активного центра;

следовательно, нарушается присоединение субстрата, кофакторов и коферментов к активному центру.

Ферменты, работающие в кислых условиях среды (например, пепсин в желудке или лизосомальные ферменты),

эволюционно приобретают конформацию, обеспечивающую работу фермента при кислых значениях рН. Однако

большая часть ферментов организма человека имеет оптимум рН, близкий к нейтральному, совпадающий с

физиологическим значением рН.

Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры среды Повышение температуры до

определѐнных пределов оказывает влияние на скорость ферментативной реакции, подобно влиянию

температуры на любую химическую реакцию. С повышением температуры ускоряется движение молекул, что

приводит к повышению вероятности взаимодействия реагирующих веществ. Кроме того, температура может

повышать энергию реагирующих молекул, что также приводит к ускорению реакции. Однако скорость

химической реакции, катализируемая ферментами, имеет свой температурный оптимум, превышение которого

сопровождается понижением ферментативной активности, возникающим из-за термической денатурации

белковой молекулы. Для большинства ферментов человека оптимальна температура 37-38 °С. Специфичность –

очень высокая избирательность ферментов по отношению к субстрату. Специфичность фермента объясняется

совпадением пространственной конфигурации субстрата и субстратного центра (стерическое совпадение). За

специфичность фермента ответственен как активный центр фермента, так и вся его белковая молекула.

Активный центр фермента определяет тип реакции, который может осуществить данный фермент. Различают

три вида специфичности:

Абсолютная специфичность. Такой специфичностью обладают ферменты, которые действуют только на один

субстрат. Например, сахараза гидролизует только сахарозу, лактаза – лактозу, мальтаза – мальтозу, уреаза –

мочевину, аргиназа – аргинин и т.д. Относительная специфичность – это способность фермента действовать на

группу субстратов с общим типом связи, т.е. относительная специфичность проявляется только по отношению к

определенному типу связи в группе субстратов. Пример: липаза расщепляют сложноэфирную связь в жирах

животного и растительного происхождения. Амилаза гидролизует α-гликозидную связь в крахмале, декстринах

и гликогене. Алкогольдегидрогеназа окисляет спирты (метанол, этанол и др.). Стереохимическая

специфичность – это способность фермента действовать только на один стереоизомер. Например: 1) α, β-

изомерия: α – амилаза слюны и сока поджелудочной железы расщепляет только α-глюкозидные связи в

крахмале и не расщепляет β-глюкозидные связи клетчатки. М еждународной единицей (МЕ) активности

ферментов является количество фермента, способного превратить 1 мкмоль субстрата в продукты реакции за 1

мин при 25 °С и оптимуме рН. Катал соответствует количеству катализатора, способного превращать 1 моль

субстрата в продукт за 1 сек при 25 °С и оптимуме рН. Удельная активность фермента – число единиц

ферментативной активности фермента в расчете на 1 мг белка. Молярная активность – это отношение числа

единиц ферментативной активности каталов или МЕ к числу молей фермента.