Специфические свойства ферментов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Цель работы:

- изучить химическое строение, механизм действия, свойства и биологическую роль ферментов;

- подтвердить с помощью экспериментов специфические свойства ферментов.

Материальную основу всех процессов жизнедеятельности составляют тысячи химических реакций, скорость протекания которых зависит oт ряда факторов: природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры, давления и т.д. Для организма человека вышеназванные факторы имеют небольшое значение, однако скорость протекания биохимических реакций чрезвычайно высока. Например, в лабораторных условиях гидролиз 1 г белка до составляющих его аминокислот протекает в течение 24 часов при температуре 100 ^о С в присутствии соляной кислоты высокой концентрации. В пищеварительном тракте этот же процесс заканчивается через 2 часа при температуре 37 ^о С и концентрации соляной кислоты в три раза ниже, чем вне организма. Объяснение этому – присутствие в клетке специфических катализаторов – ферментов.

Ферменты или энзимы - вещества белковой природы, образующиеся непосредственно в клетках и ускоряющие течение всех типов химических реакций живого организма.

Как и все белки, они имеют высокую молекулярную массу от 12 000 до 500 000 у.е., определенный уровень организации (чаще третичную структуру), подвергаются гидролизу и денатурации.

Синтезируются ферменты только в клетках различных тканей и работать могут как внутри, так и вне создавшей их клетки. Поэтому различают ферменты внутри- и внеклеточные.

Внутриклеточные ферменты содержатся и действуют в определенных органоидах. В настоящее время установлено, что ферменты гликолиза находятся в цитоплазме, ферменты цикла трикарбоновых кислот и b-окисления жирных карбоновых кислот – в матриксе митохондрий, ферменты окислительного фосфорилирования – на внутренней мембране митохондрий, ДHK – полимеразы – ядрах, гидролитические ферменты – в лизосомах и т.д. Клетки различных тканей и органов различаются не только по набору ферментов, но и по их активности. Например, ферменты гликолиза и креатинкиназа наиболее активны в скелетных мышцах, ферменты орнитинового цикла – в клетках печени, глутаминаза – в клетках мозга.

Внеклеточные ферменты образуются в клетках, но действуют, как правило, внутри полых органов. Например, пищеварительные ферменты вырабатываются клетками стенок пищеварительного тракта, а работают в различных отделах пищеварительной системы. По строению ферменты делят на простые (протеины) и сложные (протеиды). Молекулы простых ферментов построены только из аминокислот. К ним относятся все гидролитические ферменты (пепсин, трипсин, липаза, амилаза, мальтаза, сахараза и т.д.), уреаза. Молекулы сложных ферментов в своем составе имеют белковую часть, состоящую из аминокислот (апофермент), и небелковую часть (кофермент). В составе последнего встречаются ионы металлов (Zn ²⁺, Cu ²⁺, Fe²⁺, Mo ²⁺), витамины (РР, В ₁, В ₂, В ₃, В ₆, B ₁₂, Вс), ацетил-КоА и другие вещества (табл. 1). Апофермент и кофермент по отдельности малоактивны, но при их соединении активность резко возрастает.

Таблица 1.Важнейшие коферменты, в состав которых входят витамины

Ферменты имеют сложную пространственную структуру. Не все участки их молекул выполняют одинаковые функции. Функциональные группы, которые участвуют в связывании субстрата и его преобразовании, называются активным центром фермента. Он представлен в ферментах-протеинах комплексом определенных аминокислот (серин, цистеин, триптофан и т.д.), а в ферментах-протеидах – витаминами или ионами металлов.

Ферменты имеют ряд общих свойств с небиологическими (химическими) катализаторами, но обладают и специфическими качествами.

1. Ферменты не расходуются в процессе катализа и не входят в состав конечных продуктов.

2. Небольшое количество фермента участвует в преобразовании большого количества субстрата. Например, 1 г пепсина гидролизует 50 кг яичного белка, а 1,6 г амилазы -175 кг крахмала.

3. Ферменты обладают высокой специфичностью действия, чем резко отличаются от небиологических катализаторов. Специфичность фермента - способность ускорить определенный тип реакций или даже одну единственную реакцию.

Специфичность ферментов подразделяют:

- на абсолютную, то есть способность катализировать одну единственную реакцию (например, уреаза ускоряет расщепление мочевины на аммиак и углекислый газ);

- относительную, позволяющую воздействовать на определенный тип химической связи (например, пепсин расщепляет амидные связи, липаза сложноэфирные связи).

4. Способность фермента ускорять химический процесс зависит от активной реакции среды. Для каждого фермента существует определенная концентрация ионов водорода, определенное значение рН, при котором появляется максимальная активность данного фермента. Это значение называется оптимумом рН среды, и он для разных ферментов различен (табл. 2). Незначительные изменения рН могут замедлить действие фермента или даже совсем его прекратить.

Таблица 2. Оптимум рН для некоторых ферментов

5. На активность ферментов влияет и температура. Скорость любой химической реакции, катализируемой ферментом или неорганическими катализаторами, повышается в 2-4 раза при повышении температуры на каждые 10⁰С. Для ферментативных реакций теплокровных животных эта зависимость проявляется при температурах ниже 40-50°С (это температурный оптимум для большинства ферментов, т.е. температура, при которой фермент проявляет наивысшую активность). При дальнейшем нагревании фермент инактивируется, т.е. теряет ферментативную активность вследствие денатурации белковой молекулы. Таким образом, термолабильность, или чувствительность к повышениям температуры, является одним из характерных свойств ферментов, резко отличающим их от неорганических катализаторов, которые, например, относятся к термостабильным соединениям. При низких температурах (равных нулю и ниже) ферменты не разрушаются, но частично снижают свои свойства, и скорость реакции падает почти до нуля. При повышении температуры до оптимальных значений активность ферментов восстанавливается. Такие процессы наблюдаются при спячке холоднокровных животных и их пробуждении.

6. На активность ферментов оказывают значительное влияние находящиеся в тканях или поступающие в организм активаторы и парализаторы (ингибиторы). Активаторы увеличивают, а ингибиторы угнетают активность ферментов. В качестве активаторов выступают белковые соединения - киназы или различные ионы: К⁺, Сl ^-, Mn²⁺, Ca²⁺ и т.д. Например, амилаза слюны, гидролизующая крахмал, активируется ионами Сl ^-; профермент пепсиноген, выделяющийся стенками желудка и расщепляющий белок в желудке, превращается в активный пепсин в присутствии ионов Н⁺; трипсиноген, способствующий более глубокому расщеплению белковых соединений в 12-перстной кишке, переходит в активный трипсин под действием активатора энтерокиназы. Ингибиторами активности ферментов являются ионы тяжелых металлов: Hg²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺ и т.д., сильные кислоты, щелочи, этиловый спирт. Для протекания любой химической реакции необходимо, чтобы реагирующие молекулы пришли в контакт друг с другом. Однако не каждое столкновение молекул сопровождается их взаимодействием, так как существуют силы отталкивания - энергетический барьер. Реакция протекает только в том случае, если молекулы обладают достаточным запасом кинетической энергии. Избыток ее сверх среднего значения при данной температуре, позволяющий молекулам взаимодействовать друг с другом, называется энергией активации. В случае ферментативных реакций энергетический барьер снижается благодаря образованию фермент-субстратного комплекса, который уменьшает количество энергии активации, необходимой для осуществления данной реакции.

Снижение энергии при ферментативном катализе имеет определенную связь с многостадийностью этих реакций. Они протекают не в один этап, а ступенчато, через несколько промежуточных реакций. Простейшая схема

ферментативной реакции выглядит так:

E + S ES → EP → Е + А + В, где

Е – фермент,

S - субстрат (преобразуемое вещество),

ES - фермент-субстратный комплекс,

EP –фермент –продукт,

А, В - конечные продукты реакции.

Образование фермент-субстратного комплекса возможно благодаря определенному сродству фермента со своими субстратами.

Деятельность фермента оценивают величиной молекулярной активности, которая выражается числом молей субстрата, претерпевающих изменения в одну минуту на единицу веса фермента при стандартных условиях.

В настоящее время известно более 1000 ферментов. В 1964 г. принята их новая номенклатура и классификация. Название фермента слагается из названия субстрата, типа катализируемой реакции и окончания "аза". Например, фермент лактатдегидрогеназа: субстратом является молочная кислота (лактат), выполняет реакцию - дегидрирование, т.е. отнятие водорода от субстрата.

Контрольные вопросы

1. Что такое ферменты, их химическая природа?

2. Какие отличия есть в составе молекулы простых и сложных ферментов?

3. Что такое активный центр фермента?

4. Механизм действия ферментов.

5.Дайте определение понятий: энергетический барьер реакции, энергия активации.

6. Свойства ферментов как биологических катализаторов.

7. Номенклатура ферментов.

Лабораторная работа № 3