Министерство образования РФ
Муниципальная средняя школа № 33
Экзаменационный реферат
по биологии на тему
«Ферменты»
Выполнил:
ученик 10 Г класса
Елизаров Александр
Научный руководитель
Захаров С. П.
Смоленск 2000
Содержание:
1. Введение. Стр. 3
2. Ферменты.
История открытия. Стр. 4
Природа ферментов. Стр. 5
а) Структуры.
б) Специфичность.
3. Состав. Стр. 9
4. Классификация. Стр. 11
5. Номенклатура. Стр.13
6. Активность ферментов. Стр.16
7. Механизм действия. Стр. 20
8. Значение. Стр. 23
· В организме.
· В науке.
9. Заключение. Стр. 30
ВВЕДЕНИЕ.
«Ферменты ( от латинского слова fermentum – закваска) – белки, которые обладают каталитической активностью и характеризуются очень высокой специфичностью и эффективностью действия. Все процессы в живом организме- дыхание, пищеварение, мышечное сокращение, фотосинтез и другие – осуществляются с помощью ферментов. Ферменты находятся во всех живых клетках и составляют большую часть всех их белков. Они во много миллионов раз ускоряют самые разнообразные химические превращения, из которых складывается обмен веществ. Под действием различных ферментов составные компоненты пищи: белки, жиры и углеводы – расщепляются до более простых соединений, из которых затем в организме синтезируются новые макромолекулы, свойственные данному типу. » Вот, всё что я знал о ферментах. Я решил пополнить свои знания и поэтому взял реферат по ферментам.
История открытияИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ.
.
Науку составляет не только достигнутый результат, но и путь ведущий к результату,-результату путь от незнания к знанию, медленный, извилистый, скачкообразный, в каждой области зависящий от достяженийдостижений смежных наук и общего развития мировоззрения. Ещё в незапамятные времена, на заре возникновения цивилизации, люди в своей практической деятельности сталкивались с различными ферментативными процессами и использовали их для своих целей. Это
спиртовое и молочнокислое брожение, применение сычуга для приготовления сыров, солода и плесневых грибов- для осахаривания продуктов. Вероятно, первым, кто попытался
создать общее представление о химических процесахпроцессах в живом организме, был врач и ученый Парацельс, родившийся в Швейцарии в конце XV века. Несмотря на наивность
(с совершенной точки зрения), взгляды Парацельса во многом были прогресивнымипрогрессивными, так как для понимания жизненных явлений он пытался привлечь реальные силы природы. Именно с этих позиций Парацельс и его последователи подошли к рассмотрению сущности ферментацийферментации, давно известного понятия обозначавшего разного рода броженнияброжения, главным
образом спиртовое и молочнокислое. В XVI и начале XVII века уже делались попытки рассматривать ферментации как химические процессы. И ВВасилий Валентин ( первая
половина XVI века), и Андрей Либавий (1550-1616 годы) считали ферменты ( или дрожжи) особым веществом, хотя и подчиняли его действия неким не материалинымматериальным силам. Другим последователеипоследователем ПарацелсаПарацельса был знаменитый голандскийголландский химик Иоганн Баптиста Ван Гельмонт (577-1644 годы). Именно он охарактеризовал фермент как агент, вызывающий химические процессы в организме и управляющий ими. Качественный скачёк в развитии учения о ферментацияхферментациях произошёл в связи с исследованиями велекоговеликого францусскогофранцузского химика Антуана Лавуазье, совершившего переворот в химии и впервые внедрившего в химические исследования строгие количественные методы. К концу XVIIIXVIII века уже было известно, что встречаются химические процессы, протекающие с участием какого-то агента, без которого процесс практически не идёт.
Первые успехи были достигнуты при узученииизучении превращения крахмала в сахар. Решающая роль в этих исследованиях принадлежит работам петербурскогопетербургского акедемикаакадемика К. С. Кирхгофа, которые открыли новую страницу в истории и химия ферментов. В начале XIX века было открыто немало химических реяакций, среди них были и некоторые ферментативные реакции. Юстус Либих был одним из наиболее крупных авторитетов среди химиков XIX века. В это время было открыто ещё несколько ферментов. В 1836 году Т.Шванн впервые обнаружил в желудочном соке фермент животного происхождения, названный им пепсином. Несколько позже, в 1857 году, А.Корвизар описал другой фермент, переваривающий белки,-белки - трипсин. В XIX веке (1897 год) Эдуард БухнерБухнер убедительно доказал химическую природу ферментов. В 1907 году - Эдуард БухнерБухнер был удостоен Нобелевской премии по ххимии. (В.И.Розенгарт "Ферменты- двигатели жизни).
ПРИРОДА ФЕРМЕНТОВ.
а) После того как стало возможным исследование ферментов в бесклеточнойбес клеточной среде, была окончательно установлена их химическая природа. Было выявлено, что все они представляют собой вещества белковой природы и, как все белки могут быть простыми и сложными в зависиммостизависимости от сопутствующего компонента небелкового характера ( простетической группы).
Так мы подчёркивали, что свойство каждого белка определяется последовательностью расположения остатков аминокислот в их молекуле. Эта последовательность называется первичной структурой белка. В последние годы разработаны очень надёжные , и даже автоматизированные методы изучения первичной структуры, что дало возможность опредилитьопределить
полную аминокислотную последовательность для многих белков , в том числе и для ферментов. Помимо первичной структуры, определяемой последовательностью расположения аминокислот, для проявления специфических свойств белка (в ном числе ферментативной активности) важную роль играют более высокие уровни - вторичная и третичная структуры, сущность которых заключается в определённом расположение полипептидных цепей в пространстве.
Вторичная и третичная структуры белков поддерживаются сравнительно слабыми внутримолекулярными связями, и поэтому легко могут быть разрушены разными физическими и химическими воздействиями. Такое нарушение высших структур белка без повреждения его первичной структуры составляет сущность денатурации. При денатурации белок нередко утрачивает свои биологические свойства, в случае ферментов исчезает ферментативная активность. Современные методы исследования позволяют получить представление не только о первичной структуре белков. Есть ферменты, для которых полностью выяснено простанственноепространственное расположение атомов, составляющее их молекулу, то- есть расшифрованы вторичная и третичная структуры. Это достигнуто благодоряблагодаря применению исключительно тонкого и сложного метода, так называемого рентгеноструктурного анализа. Некоторым белкам свойственен ещё более восокийвысокий уровень структуры - четвертичная структура. Это уже надмолекулярный уровень: функционирование такого белка нуждается не в одной, а в нескольких молекулах ( чаще всего в двух или четырёх), которые вместе образуют комплекс, обладающий всеми специфическими свойствами. Каждая отдельная молекула такого белка, составляющая четвертичный комплекс, называется субъединицей. Многие ферменты построены из субъединиц. В одних случаях субъединицысубъединиц сами обладают активностью, в других их субъединицысубъединиц по отдельности неактивны. с убъединицыСубъединицы, сопоставляющие молекулу фермента, могут быть одинаковыми, но могут и отличатся друг от друга. Представление о молекуле фермента как структуре, состоящей из субъединиц , позволяет нам объяснить одно очень интересное и практически важное явление. Существуют фетментыферменты, различающиеся по строению, но катализирующиккатализирующие одну и ту же реакцию, они называются изоферментами. Такие ферменты довольно широко распространены в организме, и их выявление имеет большое значение в медицине.
б) Одно из наиболее поразительных свойств ферментов их специфичность. Специфичность ферментов проявляется по- разному и может быть выражена в разной степени. Прежде всего следует различать специфичность по отношению к субстрату и к типу химической реакции, катализирумойкатализируемой ферментом.
Специфичность по отношению креакциик реакции.
Каждый фермент катализирует одну химическую реакцию или группу реакций одного типа. Наиболее ярким проявлением этого вида специфичности могут служить довольно частые случаи, когда одно и то же химическое соединение выступает как субстрат действия нескольких ферментов, причём каждый из них, катализирует специфическую для него реакцию, приводит к образованию совершенно различных продуктов (смотри приложение № 1).
В первой реакции под действием фермента оксидазы происходит окисление аминокислот. При этом аминогруппа (NH2) отделяется в форме амиакааммиака (NH3) и образуется соединение, содержащие кетоннуюкретонную группу (С=О) и называемое кетокислотой.
Вторую реакцию катализирует декарбоксилаза. Под влиянием этого фермента из карбоксильной группы (- СООН) отщепляется углекислота (СО2) и остаётся амин.
Третья реакция более сложна. Она катализируется ферментом трансиминазой и состоит в переносе аминогруппы с аминокислоты на кетонокислоту. Мы видим. что исходная аминокислота имеет радикал R, а образовавшаяся в результате реакции новая аминокислота- радикал R'.
Итак, один и тотжетот же субстрат подвергается разным превращениям под влиянием различных ферментов.
Специфичность по отношению к субстрату.
Наряду с только, что описанной формой специфичности фермента по отношению к катализируемой им реакции существует и другая, тесно связанная с первой форма специфичности, выражающаяся в способности фермента атаковотьатаковать субстрат только определённого химического строения. Иногда фермент способен действовать только на один единственный субстрат, тогда говорят, что он обладает абсолютной специфичностью. Значительно чаще фермент влияет на группу субстратов, имеющих сходное строение. Такую специфичность называют груповойгрупповой. ОСобыйОсобый интерес представляет так называемая стереохимическая специфичность, состоящая в том, что фермент действует на субстрат или группу субстратов, отличающихся особым расположением атомов в пространстве.
Абсолютная специфичность встречается редко.
Хорошим примером фермента , обладающего очень высокой, прктическипрактически абсолютной специфичностью может служить уреаза, катализирующая гидролиз мочевины.
H2N
C=O + H2O = CO2 + 2NH3
H2N/ вода углекислота амиакаммиак
мочевина
Долгое время считалось, что мочевина является единственным субстратом уреазы. Но не так давно было показано, что кристалическаякристаллическая уреаза может действовать и на близкого родственника мочивины-мочевины - оксимочевину, отличающуюся наличием в молекуле одного атома кислорода.
HOHN
C=O
H2N/
оксимочевина
«Правда, реакция гидролиза мочевины под влиянием уреазы протекает в 120 раз медленнее, чем гидролиз мочевины» (В. И. Розенгарт Ферменты- двигатели жизниДЖ)
Таким образом, понятие "абсолютная специфичность" является в известной мере относительным.
·ГруповаяГрупповая специфичность. Она характеризует подовляющееподавляющее большинство ферментов и состоит в том, что фермент, проявляя свойственную ему специфичность по отношению креакциик реакции, способен действовать не на один, а на несколько, иногда на большое число субстратов со сходным химическим строением. Например (смотри пиложениеприложение № 1), три разных фермента, действующие на аминокислоты. все они обладают групповой специфичностью, так как действуют не на какую- нибудь одну аминокислоту, а на многие, иногда на все аминокислоты.
Относительно групповая специфичность проявляется тогда, когда фермент безразличен к структуре соединения и имеет значение лишь тип связи. Примером служит химотрипсин, расщепляющий только пептидную связь.
·Стереохимическая и оптическая специфичность имеет особое значение. Проявляется только в случае оптически активных веществ, и фермент активен только по отношению к одной стереоизомерной форме соединения. Например, L- аргимназа разлагает L-аргитнин на L- орнитин и мочевину, но не действует на Аa- аргининт. Известным примером служит d и L- специфичность оксидаз аминокислот. Стереохимическая и оптическая активность так- же может быть абсолютной и относительной; например, карбоксипептидаза, расщепляющая карбобензокси -глицил-L- фенилаланин совсем не действует на субстрат с Аd- фенилаланином: с другой стороны, эстераза свиной печени разлогаетразлагает метиловый эфир L- миндальной кислоты лишь вдвое быстрее, чемегочем его Аd- изомер.
СОСТАВ.
После того как стало возможным исследование ферментов в бесклеточнойбес клеточной среде, была окончательно установлена их химическая природа. Было выявлено, что все они представляют собой вещества белковой природы и как все белки, могут быть простыми и сложными в зависимости от сопутствующего компонента небелкового характера (простетической группы).
Ферменты- простые белки- построены только из аминокислот, и их каталитические свойства обусловлены свойством самой белковой молекулы. К этоцэтой группе ферментов относится большинство гидролитических ферментов. Ферменты- сложные белки- содержат в своём составе, помимо белкового компонента, ещё и небелковый- например, нуклеотиды, геминовую группу, витамины, атомы ( катионы ) металла. К таким фермантамферментам обычно относятся ферменты окислительно- восстановительногоокислительно-восстановительного действия. Прочность связи между белковым компонентом и простетической группой в сложных ферментах может быть различной. В некоторых случаях связь прочная, в других - простетическая группа довольно легко отделяется, например при диализе. Легко диссоциирующие простетические группы ферментов получилиназваниеполучили название коферментов. При отделении простетической группы от белковой части фермента - последний теряет свою активность. В простых ферментах активный центр образуется непосредственно группировкой аминокислотных остатков в спиральной цепи белковой молекулы. В сложных ферментах он образуется простетической группой и некоторыми прилегающими к ней остатками. Размер активных центров значительно меньше самой молекулы фермента. На один активный центр приходится масса молекулы с молекулярным весом 30000. В простых ферментах пространственная группировка этих аминокислотных остатков сама по себе определяет структуру активного уентрацентра и каталитическую активность фермента. В сложных ферментах структура активного центра определяется простетической группой и боковыми группами некоторых аминокислотных остатков, пространственная структура которых оказывает существенное влияние на специфичность и каталитическую активность небелкового компонента. Среди таких аминокислотных остатков наибольшее значение имеют SH- группы цистеина, OH- группы серина, несколько меньшее значение имеет индольная группа триптофана, карбонильные группы дикарбоновых аминокислот. Компоненты активного центра нельзя представлять последовательно расположенными на, каком - либо участке цепи. По- видимому , активный центр формируется из компонентов, удалённых в первичной структуре полепиптиднойполипептидной цепи, но пространственно сближенных благодоряблагодаря специфической укладке полипептидной цепи.
КЛАСИФИКАЦИЯКЛАССИФИКАЦИЯ.
Сейчас известно около 2 тысяч ферментов, но список этот не закончен. В зависимости от типа катализируемой реакции все ферменты подразделяются на 6 классов:
Ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции,-реакции оксидоредуктазы;
Ферменты переноса различных групировокгруппировок ( метильных, амино- и фосфогрупп и другие)- трансферазы.
Ферменты, осущевствляющие гидролиз химических связей,-связей - гидролазы
Ферменты негидролитическогоне гидролитического отщепления от субстрата различных группировок (NH3, CO2,H2O и другие)- лиазы.
Ферменты, ускоряющие синтез связей в биологических молекулах при участии доноторов энергии, например АТФ,- лигазы.
Ферменты, катализирующие превращение изомеров друг в друга,- изомеразы.
ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ – ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные процессы в организме. Они осущевствляют перенос водорода и электронов и по своим привиальным названием известны как дегидрогеназы, оксидазы и пероксидазы. Эти ферменты отличаются тем, что имеют специфические коферменты и простетические группы. Их подразделяют на функциональные группы доноров, от которых они принимают водород или электроны, и акцепторов, на которые они их передают (на СН-ОН группу, СН- NH группу, C-NH группу и другие).
ТРАНСФЕРАЗЫ – ферменты, переносящие атомные группы ( в зависимости от отготого, перенос какой группы они осущевствляютосуществляют, их соответственно называют). Среди них известны ферменты осущевствляющиеосуществляющие транспорт больших остатков, например гликозилтрансферазы и другие. ТрансферазыТрансферазы благодоряблагодаря разнообразию переносимых ими остатков принимают участие в промежуточном обмене веществ.
ГИДРОЛАЗЫ – ферменты, катализирующие гидролитическое расщепление различных субстратов (при участии молекул воды). В зависимости от этого среди них различают эстеразы, расщипляющие сложноэфирную связь между карбоновыми кислотами (липаза) тиоловыхтиоловых эфиров, фосфоэфирную связь и так далиедалее; гликозидазы, расщепляющие гликозидные связи, пептид - гидролазы, действует на пептидную связь и другие.
ЛИАЗЫ. К этой группе относятся ферменты, способные отщеплять различные группы от субстрата негидролитическимне гидролитическим путём с образованием двойных связей или, напротив, присоединять группы к двойной связи. При расщеплении образуется Н2О или СО2 или большие остатки- например ацетил- СоА. Лиазы играют весьма важную роль в процессе обмена веществ.
ИЗОМЕРАЗЫ – ферменты, катализирующие превращение изомерных форм друг в друга, то - есть осущевствляющиеосуществляющие внутримолекулярное превращение различных групп. К ним относятся не только ферменты, стимулирующие реакции взаимных переходов оптических и геометрических изомеров, но и такие, которые могут способствовать превращению альдоз в кетозы или перемещению эфирной связи и другие.
ЛИГАЗЫ. Раньше эти ферменты не отделяли от лиаз, так как реакция последних часто идёт в двух направлениях, однако недавно было выяснено, что синтез и распад в большинстве случаев происходит под влиянием различных ферментов, и на этом основании ввыделенвыделен отдельный класс лигаз (синтетаз). Ферменты, обладающие двойным действием, получили название бифункциональных. Лигазы принимают участие в реакции соединения двух молекул, то-естьто есть синтетических процессах, сопровождающихся расщеплением макроэнергитических связей АТФ или других макроэргов.
«Первое подразделение ферментов на самые крупные группы (6 классов) основано не на названии субстрата, а на природе химической реакции, которую фермент катализирует. Далее, внутри классов ферменты делят на подклассы, руководствуясь строением субстрата. В подклассы объединяют ферменты данного класса, действующие на сходно построенные субстраты. На этом деление не заканчивается. Ферменты Робота естьмама и прапажа каждого подкласса разбивают на подклассы, в которых ещё строже уточняют структуру химических групп, отличающих субстраты друг от друга. Подкласс это последняя низшая ступень классификации. Внутри подклассов перечисляют уже отдельные, индивидуальные ферменты. Таким образом, вся система проста и достаточно стройна:
КЛАСС- ПОДКЛАСС- ПОДПОДКЛАСС- ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ФЕРМЕНТ.
В соответствии с этим принципом классификации предложена очень удобная система нумерации (индексации) ферментов. Каждый индекс состоит из четырёх цифр, разделённых точками:
1. Номер класса.
2. Номер подкласса в данном классе
3. Номер подподкласса
4. Номер, присвоенный данному индивидуальному ферменту этого подподкласса» (В. И. Розенгарт Ферменты- двигатели жизни)
Например, амилаза-фермент, гидролизующий крахмал с которой мы уже встречались неоднократно, имеет индекс 3.2.1.1. Классификация ферментов построена так, что в ней оставлены свободные места для ещё не открытых ферментов.
НОМЕНКЛАТУРА.
Ферментология очень долго не располагала, строг научной номенклатурой ферментов. Наименования ферментам давали по случайным признакам (тривиальная номенклатура), по названию субстрата (рациональная), по химическому составу фермента, наконец, по типу катализируемой реакции и характеру субстрата. Примерами тривиальной номенклатуры могут служить названия таких ферментов, как пепсин (от греч. пепсин - пищеварение), трипсин (от греч. трипсис - разжижаю) и папаин (от названия дынного дерева Carica papaja, из сока которого он выделен). По действию все эти ферменты являются протеолитическими, т. е. ускоряют гидролиз протеинов (белков). Характерное название была дано группе окрашенных внутриклеточных ферментов, ускоряющих окислительно-восстановительные реакции в клетке, - цитохромы (от лат. citos - клетка и chroma - цвет).
Наибольшее распространение получила рациональная номенклатура, согласно которой название фермента составляется из названия субстрата характерного окончания -аза. Она была предложена более столетия тому назад, в 1883 г. Э. Дюкло - учеником Л. Пастера. Так, фермент, ускоряющий реакцию гидролиза крахмала, получил название амилаза (от греч. амилон - крахмал), гидролиза жиров - липаза (от греч. липос - жир), белков (протеинов) - протеаза, мочевины - уреаза (от греч. уреа - мочевина) и т. п. Когда методами аналитической химии были достигнуты известные успехи в расшифровке химической природы простетических групп, возникла новая номенклатура ферментов. Их стали именовать по названию простетической группы, например, геминфермент (простетическая группа - гем), пиридоксаль- фермент (простетическая группа - пиридоксаль) и т.п. Затем в названии фермента стали указывать как на характер субстрата, так и на тип катализируемой реакции. К примеру, фермент, отнимающий водород от молекулы янтарной кислоты, называют сукцинатдегидрогеназой, подчеркивая этим одновременно и химическую природу субстрата, и отнятие атомов водорода в процессе ферментативного действия:
- 2Н
НООС - СH2 - СН2 – CООН НООС - СН = СН – СООН
Янтарная кислота Дегидрирование Малеиновая кислота
В 1961 г. Международная комиссия по номенклатуре ферментов представила V Международному биологическому конгрессу проект номенклатуры, построенный на строго научных принципах. Проект был утвержден конгрессом, и новая номенклатура прочно вошла в ферментологию. Согласно этой (Московской) номенклатуре название ферментов составляют из химического названия субстрата и названия той реакции, которая осуществляется ферментом . Если химическая реакция, ускоряемая ферментом, сопровождается переносом группировки атомов от субстрата к акцептору, название фермента включает также химическое наименование акцептора. Например, пиридоксальфермент, катализирующий реакцию переаминирования между L-аланином и a-кетоглутаровой кислотой, называется L-аланин: 2-оксоглутарат аминотрансфераза. В этом названии отмечены сразу три особенности: 1) субстратом является L-аланин; 2)акцептором служит 2-окcоглутаровая кислота; З) от субстрата к акцептору передается аминогруппа.Названия ферментов по научной номенклатуре неизмеримо выигрывают в точности, но становятся в ряде случаев гораздо сложнее старых, тривиальных. Так, уреаза (тривиальное название), ускоряющая реакцию гидролиза - мочевины на оксид углерода (IV) и аммиак, по научной номенклатуре именуется карбамид - амидогидролазой:
Н2N - СО - NН2 + Н2О 2NН3 + СО2
В этом названии дано точное химическое наименование субстрата и указано, что фермент катализирует реакцию гидролиза аминогруппы. Трегалаза, ускоряющая реакцию гидролиза трегалозы, называется трегалоза-1-глюко-гидролазой.. В связи со значительным усложнением научных названий в новой номенклатуре допускается сохранение наряду с новыми старых тривиальных, рабочих названий ферментов. Международной комиссией был составлен детальный список всех известных в то время ферментов, существенно дополненный в 1972 г. при пересмотре, как классификации, так и номенклатуры некоторых ферментов, где рядом с новым научным названием каждого фермента приведено старое, а также указан химизм катализируемой ферментом реакции и в некоторых случаях природа фермента. Таким образом, исключается возможность путаницы в наименовании ферментов. В 1964 г. список включал 874 фермента; в последующее время он был существенно дополнен и возрос до 1770 ферментов в 1972 г. и до 2003 ферментов в 1979 г.
АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ.
Для исследования или практического работника, занимающегося ферментами, определение активности ферментов - это постоянная, повседневная работа, потому что любое изучение свойств ферментов, любое применение их в практической деятельности- в медицине и в народном хозяйстве- всегда связано с необходимостью знать, с какой скоростью протекает ферментативная реакция. Что бы понять и правильно оценить результаты определения ферментативной активности, нужно совершенно отчётливо представить себе, от каких факторов зависит скорость реакции, какие условия оказывают на неё влияние. Таких условий много. Прежде всего это соотношение концентрации самих реагирующих веществ: фермента и субстрата. Далее, это всевозможные особенности той среды, в которой протекает реакция: температура, кислотность, наличие солей или других примесей, способных как ускорять, так и замедлять ферментативный процесс, и так далее. Попытаемся рассмотреть поближе эти условия.
ВЛИЯНИЕ РЕАКЦИЙ СРЕДЫ.
Для большинства известных в настоящее время ферментов определён оптимум РН, при котором они обладают максимальной активностью. Эта величина- важный 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 п