3. Механізм дії ферментів.

Вивчення механізму дії ферментів є однією з найбільш важливих і складних проблем ензимології.

Більшість дослідників вважають, що механізм дії ферментів у процесах каталізу тих чи інших реакцій пов’язаний з утворенням фермент – субстратних комплексів. За цих умов фермент змінює молекулу субстрату так, що енергія, яку необхідно прикласти для переведення в активний стан, значно зменшується.

При взаємодії ферменту з субстратом між ними можуть утворюватися різні типи зв’язків: іонний, водневі і гідрофобні.

Зв’язування ферменту з субстратом здійснюється в основному через активний центр. В ході ферментативної реакції фермент ( Е ) взаємодіє з субстратом ( S ) утворюючи ферментно - субстратний комплекс ( ЕS ) в складі якого і відбувається активація субстрату. Процес включає кілька стадій:

- взаємодія ферменту з субстратом

Е + S → Е S

- активація субстрату у складі фермент - субстратного комплексу, ця активація Е S→Е S٭ здійснюється 2 шляхами:

а) деформація зв’язків, в ході якої відбувається їх розтягування і зміна валентних кутів. Ці деформації зв’язків створюються в молекулах напруження, внаслідок чого роблять зв’язки дуже не міцними, що полегшує їх перетворення.

б) шляхом зміни в розподілі електронної густини, як в молекулі субстрату, так і в молекулі ферменту, що веде до зміни поляризації зв’язків і значної поляризації окремих з них. Ці два фактори відіграють вирішальну роль в процесі активації субстрату і зниження енергії активації.

- перетворення активованого субстрату на поверхні ферменту, внаслідок чого утворюється комплекс ферменту і продукти реакції:

Е S → Е Р

- відокремлення продукту реакції із поверхні ферменту:

Е Р → Е + Р

Е – фермент, Р – продукт реакції.

Необхідно відмітити, що найшвидше реакція відбувається на першому етапі. Низька енергія активації свідчить про те, що в первинному комплексі фермент і субстрат зв’язуються за рахунок слабких типів зв’язку. На другому етапі перетворення молекул субстрату відбувається з розривом і утворенням ковалентних зв’язків. На цьому етапі фермент змінює молекулу субстрату так, що міцність окремих хімічних зв’язків зменшується, в результаті чого знижується енергія активації і реакція відбувається з великою швидкістю. Основна роль в механізмі ферментативного каталізу належить фермент-субстратному комплексі.

4. Активність ферментів.

Характерною особливістю дії ферментів є їх висока каталітична активність. Вона значно вища, ніж неорганічних каталізаторів.

Активність ферментів характеризується швидкістю хімічних реакцій, які вони каталізують і виражається в одиницях, які називаються каталами ( скорочено кат. ). Катал – це каталітична активність, яка здійснює хімічне перетворення 1 моль субстрату за 1 сек.

Вплив температури на активність ферментів.

Ферменти – термолабільні речовини. Зміна t зумовлює зміну їх активності. Так, підвищення t на 10⁰ С прискорює швидкість хімічних реакцій приблизно в 2 рази. Але ферменти є білками, і підвищення їх каталітичної активності відбувається до того часу, поки не почнеться денатурація білка. Денатурація ферменту викликає руйнування його нативної структури і зумовлює втрату ферментативної активності.

Стійкість ферментів до нагрівання часто залежить від того, в яких умовах воно проводиться, яка кислотність середовища, які солі і в якій кількості містяться в розчині, яка ступінь очистки ферменту. Багато також залежить і від хімічної природи самого ферменту. Проте є ряд ферментів, які визначаються високою термостійкістю. Вони мало ін активуються навіть при 60-80⁰С. Інші ферменти, навпаки, руйнуються при короткочасному нагріванні їх до 40-50⁰С.

Температура, при якій фермент має максимальну активність називається оптимальною температурою ферменту.

Вплив рН середовища на активність ферментів.

Активність ферментів досить чутлива до кислотності середовища. Для кожного ферменту характерний свій рН, при якому активність його максимальна. Зниження або підвищення рН відносно максимального зумовлює зниження активності ферменту.

Вважають, що вплив концентрації водневих іонів на активність ферментів пов’язаний, в першу чергу, з їх дією на активні центри ферментів. Залежно від рН середовища активний центр ферменту може бути в різній мірі іонізований, що впливає на формування активного фермент - субстратного комплексу. Разом з тим концентрація водневих іонів у середовищі впливає на іонізацію субстрату і кофакторів, що також має значення для каталітичної дії ферменту.

Специфічність дії ферментів.

На відміну від каталізаторів небіологічного походження, для ферментів характерна їх висока специфічність. Під специфічністю дії ферментів розуміють відповідну спрямованість їх впливу на певний субстрат, групу субстратів, близьких за своїми властивостями, або певний тип зв’язку. Залежно від цього розрізняють абсолютну, відносну і просторову специфічність ферментів.

Абсолютна специфічність. Ферменти, які каталізують лише одну реакцію і діють на один точно визначений субстрат, мають абсолютну специфічність. Прикладом абсолютної специфічності є дія ферменту уреази, яка каталізує гідролітичне розщеплення сечовини на СО₂ і NH₃

NH₂

C = O + H₂O → 2 NH₃ + CO₂

NH₂

Довгий час вважали, що сечовина є єдиним субстратом уреази. Однак, зовсім недавно було доказано, що кристалічна уреаза може діяти також на окремі сполуки – похідні сечовини, зокрема на оксисечовину

NH₂

С = О

NH – ОН

Отже, ферменти, навіть із чітко вираженою специфічністю, діють не на один субстрат, а на 2-3 субстрати, які дуже близькі за своєю будовою.

Групова специфічність характерна для ферментів, які діють на різні субстрати, що мають однаковий тип зв’язку. Групова специфічність – це специфічність ферменту по відношенню до певного типу реакцій. До ферментів з груповою специфічністю належать естерази, пепсин, трипсин і ряд інших.

Стереоізомерна специфічність ферментів виявляється тоді, коли вони діють на оптично активні сполуки, або сполуки, для яких характерна цис - і транс – ізомерія. Це такі ферменти, які каталізують окислення тільки L – амінокислот або Д - амінокислот. Їх так і називають: оксидази L – амінокислот і оксидази Д - амінокислот.

Активність ферментів часто змінюється під дією різних хімічних сполук, що знаходяться в середовищі. Речовини, які підвищують активність ферментів називаються активаторами, а ті, що знижують їх активність – інгібіторами.

Активаторами є різні сполуки – мінеральні солі і кислоти, органічні речовини, ферменти, іони металів. Наприклад, соляна кислота активує дію пепсину. Роль активаторів часто виконують катіони металів та деякі аніони, наприклад хлору. Вплив катіонів металів на активність ферментів зумовлений тим, що вони можуть виступати як складові компоненти активного центру ферментів, сприяти утворенню фермент - субстратних комплексів. Отже, цілий ряд катіонів металів є необхідною складовою частиною ферментів для нормального їх функціонування.

Інгібітори викликають гальмування ферментативних процесів. Гальмування може бути зворотним і не зворотним. При зворотному гальмуванні інгібітор утворює з ферментом слабкий комплекс, який має здатність розпадатися, в результаті чого фермент вивільняється і набуває знову каталітичної активності. Не зворотне гальмування характеризується тим, що інгібітор міцно зв’язується з ферментом, а комплекс, який утворюється за цих умов, не розкладається. Отже, відбувається поступове зв’язування ферменту і вилучення його з середовища.

Механізм дії інгібіторів досить різний, проте в більшості випадків він зводиться до двох типів гальмування – конкурентного і неконкурентного. При конкурентному гальмуванні інгібітор має структуру, подібну до субстрату. Тому між ними виникає конкуренція за взаємодію з ферментом. Оскільки інгібітор є структурним аналогом, то він зв’язується з активним центром ферменту і кількість утвореного фермент - субстратного комплексу зменшується, тобто знижується і ферментативна активність. Однак, дане гальмування є зворотним, так як при видаленні інгібітору здатність ферменту взаємодіяти з субстратом відновлюється.

Між субстратом і інгібітором існує певне кількісне співвідношення. Якщо концентрація інгібітору більша за концентрацію субстрату (І > S), то інгібітор, зв’язуючись з ферментом, виключає його з відповідної реакції, і субстрат не розщеплюється. Якщо має місце зворотне явище, тобто концентрація субстрату більша, ніж концентрація інгібітору (S>І), то з ферментом буде зв’язуватись субстрат, який буде розкладатися з утворенням продуктів реакції – Р₁ і Р₂. Отже, дія конкурентних інгібіторів може бути послаблена або зовсім усунута при підвищенні концентрації субстрату в середовищі.