Свойства ферментов.

Ферменты помимо общих с неорганическими катализаторами свойств имеют определенные отличия от неорганических катализаторов, к ним относится:

1. более высокая активность

2. более высокая специфичность

3. более мягкие условия для катализа

4. способность к регуляции активность

1. Высокая каталитическая активность. Примером является одна молекула карбоангидразы, которая за одну минуту катализирует (расщепляет) 36 миллионов молекул Н₂СО₃. Это высокая активность объясняется механизмами их действия так как они уменьшают энергию активации и увеличивает пространственный период (стерический коэффициент). Высокая активность ферментов имеет важное значение, состоящее в том что они обеспечивают высокую скорость химических реакций в нашем организме.

2. Высокая специфичность. Все ферменты обладают специфичностью, однако степень специфичности в разных ферментах различны, могут быть следующие виды:

Абсолютная – фермент действует только на одно определенное вещество например уреаза расщепляет только мочевину.

Абсолютная групповая – фермент вызывает один и тот же каталитический эффект у группы соединений. При групповой специфичности ферменты действуют на группу близких субстратов например алкогольдегидрогеназа окисляет не только С₂Н₅ОН, но и его гомологи (этиловый, бутиловый и другие спирты).

Относительная групповая –идет катализ разных классов органических веществ (трипсин проявляет пептидазную активность белка и эстеразную в сложных эфирах).

Стереохимическая – (оптическая специфичность) расщепляется только определенная форма изомеров (D, L формы, α, β, цис-, тарнс-). Наприер: ЛДГ действует только на L-лактат, L-амино-кислот-оксидазы действуют на L-изомеры.

Высокая специфичность объясняется уникальной структурой активного центра.

Термолябильность.

Это зависимость активности ферментов от температуры. При высокой температуре от 0 до 40 активность ферментов растет согласно правилу Вант-Гоффа: при возрастании температуры на 10 градусов скорость реакции возрастает в 2 – 4 раза. При дальгнейшем повышении температуры активность ферментов начинает снижаться, что объясняется тепловой денатурацией беловой молекулой фермента. Графически:

И

нактивация фермента при 0 градусов обратима, а при высокой температуре инактивация необратима. Это свойство определяет максимальную скорость реакции, что в условиях температуры тела человека. Это свойство находит практическое применение например: при проведении ферментативной реакции в пробирке, необходимо создать максимальную температуру. Это может быть применено в криохирургии, когда сложная операция проводится при снижении температуры тела и это замедляет скорость реакции. Хранить ферментативные препараты надо при пониженной температуре. Для обезвреживания, обеззараживания микроорганизмов используют высокие температуры.

Фотолябильностью.

Зависимость активности от УФЛ. УФЛ вызывает фотоденатурацию белковых олекул и уменьшает активность ферментов и это используют для бактерицидного эффета.

Зависимость активности от рН.

У всех ферментов есть определенный интервал рН в котором активность фермента максимальна - оптимум рН. Для многих ферментов оптимум около 7 у пепсина 1-2, для фермента щелочная фосфатаза около 9. При отклонении рН от оптимума активность фермента снижается это свойство объясняется изменением ионизации ионогенных групп в молекулах фермента, что ведет к изменению ионной связи в молекуле белка. Это ведет к изменению конформаци молекулы фермента, а это ведет к изменению активности. рН зависимость определяет максимальную активность ферментов в условиях организма. Это всойство находит и практическое применение. При сиженной кислотоности желудка назначают раствор НСl.

Кинетика ферментных реакций.

Скорость ферментативной реакции подчиняется закону действующих масс: F+S ₂¹FS→³F + P. 1- образование фермент-субстратного комплекса, 2- распад фермент – субстратного комплекса, 3 – распад фермент-субстратного комплекса с образованием продуктов реакции.

V₁ = К₁ [F]* [S]

V₂=K₂ * [FS]

V₃ = K₃ *[FS]

В момент равновесия скорость реакции образование FS равна сумме скорости его распада. V₁=V₂+V₃. Из этих этапов наиболее важным и медленным является V₃ так как она связана с образованием продуктов. По этой форму найти третью скорость невозможно так как фермент субстратный комплекс очень неустойчив в образовании. В связи с этим Михаэлис-Ментон преобразовал уравнение в котором присутствуют реально измеримые величины:

Кm – констатнта Михаэлиса. F₀ – исходная концентрация фермента.

Физический смысл Кm: Кm = (К₂+К₃)/К₁.

Уравнение М-М является универсальным оно показывает:

1. Зависимость скорости реакции от S. Эта зависимость выявляется при малых концентрациях зубстрата [S]<Km. Тогда в уравнении ею можно пренебречь: V₃=(K₃*[F₀]*[S])/Km. При уменьшении концентрации субстрата скорость реакции прямомпрпорциональна этой концентрации, это соответствует первому участку графика.

2. Зависимость скорости от концентрации фермента, проявляется при высокой концентрации субстрата. S≥Km. V₃=K₃*(([F₀]*[S])/[S])=K₃[F₀]=V_max. При высокой концентрации субстрата скорость реакции определяется концентрацией фермента и достигает максимального значения (третий участок графика).

3. V₃ = V_max/2; V_max/2=((V_max*[S])/(Km+[S]))

Km=[S]

Кm численно равна концентрации субстрата при скорости реакции равной половине максимального Кm очень важная характеристика фермента она измеряется в молях 10^-2 – 10^-6 моль и характеризуют специфичность фермента чем ниже Km тем выше специфичность фермента.

Графическое определение константы Михаэлиса.

Удобнее график представляющий прямую линию. Такоей график предложил Лайнуивер – Бекк (график двойных обратных связей):

4. Зависимость активности от присутствия активаторов и ингибиторов.

Активаторы – вещества повышающие активность ферментов. Различают специфические активаторы – одно вещество для одного фермента (НСl активатор пепсиногенов) и неспецифические активаторы – увеличивают активность целого ряда ферментов (ионы Mg – гексагенызу, К, Na – атефазу). Активаторами могут быть ионы металлов, метаболиты, нуклеатиды.

Механизм действия активаторов.

1. Достраивание активного центра фермента, в результате чего облегчается взаимодействие фермента с субстратом. Таким механизмом обладают ионы металлов.

2. Аллостерический активатор взаимодействует с аллостерическим участком - субъединицей фермента и через него меняет структуру активного центра и увеличивает активность фермента. Аллостерическим эффектом обладают метаболиты АТФ. Аллостерический механизм может сочетаться с изменением олигомерности фермента. Под действием активатором происходит объединение нескольких субъединиц в олигомерные формы, и это резко увеличивает активность фермента. Например изоцитрат является активотором фермента ацетил-КоА карбоксилазы.

3. Фосфолирирование, дефосфолирирование ферментов. Обратимая модификация ферментов. Чаще присоединение Н₃РО₄ резко увеличивает активность фермента. Наприме два димера фермента фосфорилазы соединются с четырьмя молекулами АТФ-неактивной и образуют активную тетрамерную фосфолирированную форму. Фосфолирирование ферментов может сочетаться с изменением его олигомерности.

4. Частичный протеолиз (необратимая модификация) при этом механизме от неактивной формы фермента (профермента) отрывается фрагмент молекулы блокирующий активный центр фермента. Пример пепсиноген неактивный под действием HCL переходит в пепсин активный.

Ингибиторы – вещества понижающие активность фермента. По специфичности делится на специфичные и неспецифичные, по обратимости обратимые и необратимые. По месту действия: на активный центр и вне активного центра. По механизму действия на конкурентные и неконкурентные.

Конкурентное ингибирование.

Ингибиторы этого типа имеют структуру близкую к структуре субстрата поэтому ингибиторы и субстрат конкурируют за связывание активного центра. Конкурентное ингибироние это обратимое ингибирование:

Неконкурентное ингибирование.

Структурно непохожи на субстраты реакций и поэтому не могут вытеснятся при высокой концентрации субстрата. Существует несколько вариантов действия неконкурентного ингибирования:

1. Блокирование функциональной группы активного центра фермента и вследствии этого уменьшение активности. Наприемр активность SН групп – могут связывать тиоловые яды обратимо (соли металлов, ртути, свинца) и необратимо (монойодацетат). Эффект ингибирования может быть уменьшен введением добавочных веществ богатых SH группами. Встречаются и используются сериновые ингибиторы, таким эффектом обладает органическое фосфо-фтор содержащее вещество. Эти вещества могут ингибировать ОН группы в ацетилхолинэстеразе.

2. Могут блокировать ионы металлов входящих в состав активного центра ферментов например цианиды, которые блоркируют атомы железа, ЭДТА (этилен-ди-амин-тетраацетат) блокирует ионы Са, Mg.

3. Аллостерический ингибитор взаимодействует с аллостерическим участком апосредованно через него по принципу кооперативности, меняется структура и активность каталитического участка. Графически:

Мах скорость реакции не может быть достигнута путем повышенной концентрации субстрата.