Властивості ферментів
1(195), 2(95,112) Біологічні каталізатори мають властивості:
1. Всі ферменти представляють собою глобулярні білки (єдиним виключенням з цього положення є виявлення у молекули пре-рРНК ферментативної активності, що отримала назву рибозима, яка каталізує самосплайсінг);
2. Збільшують швидкість реакції, але самі в ній не витрачаються (зараз доведено, що деякі ферменти в кінці хімічної реакції піддаються модифікації і навіть розпаду, а не вивільняються у незмінному вигляді, як постулював Міхаеліс); звільнюючись, ферменти можуть знову реагувати з новими молекулами субстрату;
3. Їх присутність не впливає ні на природу, ні на властивості кінцевого продукту реакції;
4. Дуже мала кількість ферменту викликає перетворення великої кількості субстрату. Наприклад, одна молекула ферменту реніну, що міститься в слизовій оболонці шлунку теляти, створожує близько 106 молекул казеїногену молока за 10 хвилин при 370С;
10(181), 4(21), 8(38) 5. Активність ферментів. Швидкість ферментативної реакції визначається кількістю речовин, які прореагували за одиницю часу при заданих умовах. Активність ферменту може бути виражена в різних одиницях. Часто активність визначають за кількістю субстрату, який прореагував за одиницю часу, або за кількістю продуктів, що утворились за цей час.
Активність виражають в каталах. Катал - це каталітична активність, яка здійснює хімічне перетворення 1 моля субстрату за 1 с. Частіше виражають активність в частках каталу (мілікаталах – мл-кат, мікрокаталах – мк-кат.).
Так, якщо активність ферменту становить 2 мк-кат, це значить, що у пробі міститься така кількість ферменту, яка може здійснити перетворення 2 мкмоль субстрату за 1 с.
Число одиниць ферменту, яка припадає на 1 мг білка ферментного препарату, називається питомою активністю.
Молекулярна активність - це кількість молекул субстрату, яка перетворюється за 1 хв однією молекулою ферменту.
Активність у каталах використовують для порівняння активності різних препаратів одного й того ж ферменту, а для порівняння активності різних ферментів використовують молекулярну активність.
8(51), 4(21) В харчовій промисловості використовують свої одиниці активності, активність називають здатністю: амілолітична здатність (така кількість ферменту, яка каталізує розщеплення 1 г розчинного крохмалю до декстринів, які не забарвлюються йодом за 1 год при 300С), протеолітична активність( кількість ферменту, необхідна дл я утворення 1 мг амінного азоту з білка за 1 годину) тощо.
1(114), 2(196), 8(40) 6. Специфічність. Ця властивість різко відрізняє їх від неорганічних каталізаторів. Так, платина та паладій можуть каталізувати відновлення десятків тисяч сполук. Ферменти ж мають дуже високу специфічність. В залежності від механізму дії розрізняють ферменти з абсолютною, груповою та стереохімічною специфічністю.
Абсолютна - характерна для ферментів, які каталізують лише одну реакцію і діють на один точно визначений субстрат. Наприклад, уреаза діє лише на сечовину; аргіназа, розщепляє аргінін.
Групова - характерна для ферментів, які діють на різні субстрати, що мають однаковий тип зв’язку, тобто це специфічність ферментів по відношенню до певного типу реакцій. Так, пепсин розщепляє білки по місцю пептидного зв’язку; ліпази каталізують гідроліз жирів по місцю складноефірного зв’язку; трипсин, хімотрипсин, пептидази тощо.
Стереохімічна - фермент діє лише на один з оптичних ізомерів. Так, - Д - глюкозооксидаза, діє лише на - Д - глюкозу.
7. Лабільність - залежність активності ферментів від температури, рН, концентрації субстрату і ферменту, вологості, окисно-відновного потенціалу, наявності активаторів та інгібіторів.
– вплив умов середовища на дію ферментів.
1(113), 2(201) 1. Вплив температури. Швидкість ферментативної реакції підвищується в два рази при підвищенні температури на кожні 100С в межах 0 – 40 0С. З підвищенням температури рух молекул прискорюється, і у молекул реагуючих речовин виявляється більше шансів зіштовхнутись один з одним. Збільшується, відповідно, і імовірність того, що реакція між ними відбудеться. Температура, що забезпечує найбільшу активність, називається оптимальною. За межами цього рівня швидкість ферментативної реакції знижується внаслідок руйнації вторинної та третинної структур ферменту, тобто внаслідок денатурації. При 800С майже всі ферменти втрачають свою активність (виключенням є фермент м’язової тканини - міокіназа, яка витримує нагрівання до 1000С).
Коли температура наближається до точки замерзання, ферменти інактивуються, але денатурація при цьому не відбувається. З підвищенням температури, їх каталітична активність знову відновлюється.
8(41) Оптимальною температурою для ферментів тваринного походження є 37 - 500С, рослинного - 40 - 600С.
1(113), 2(202) – вплив кислотності середовища. Оптимальне значення рН - при якому швидкість ферментативної реакції максимальна. Для різних ферментів ця величина дуже відрізняється, але, в основному, лежить в нейтральних межах. Виключенням є пепсин (рН-оптимум 2), тому що він входить до складу шлункового соку, що містить вільну соляну кислоту, яка створює оптимальне кисле середовище для дії цього ферменту; аргіназа (рН-оптимум 10).
Зсув рН змінює заряд іонізованих кислотних та основних груп, від якого залежить специфічна форма молекул ферменту. В результаті змінюється форма молекул ферменту, і, в першу чергу, його активного центру, що впливає на формування фермент-субстратного комплексу. При дуже різких зсувах рН фермент денатурує.
2(200), 1(116) – вплив концентрації ферменту. При високій концентрації субстрату і при незмінності інших факторів (температура, рН), швидкість ферментативної реакції пропорційна концентрації фермента.
– вплив концентрації субстрату. При даній концентрації ферменту швидкість ферментативної реакції збільшується із підвищенням концентрації субстрату, але наступає момент, коли наступне збільшення концентрації субстрату не впливає на зростання швидкості, оскільки при високих концентраціях субстрату активні центри молекул ферменту в будь-який даний момент виявляються практично насиченими. Таким чином, скільки б не було надлишкового субстрату, він з’єднається з ферментом лише тоді, коли утворений раніше фермент-субстратний комплекс дисоціює на продукт та вільний фермент.
1(117), 10(186) – вплив активаторів (речовин, що збільшують швидкість реакції) та інгібіторів (пригнічують реакцію).
Активаторами можуть бути кислоти, мінеральні солі, органічні речовини (глутатіон), іони металів. Так, соляна кислота активізує дію пепсину, жовчні кислоти - панкреатичної ліпази. Дуже часто як активатори виступають іони металів (магній, марганець, калій тощо). В ряді випадків іони металів можуть виступати як складові компоненти активного центру ферментів, сприяти утворенню фермент-субстратного комплексу.
1(118), 2(204), 10(187) Інгібітори викликають гальмування ферментативних процесів. Гальмування ферментів буває необоротним (коли молекули інгібітору викликають стійкі зміни функціональних груп ферменту) та оборотним, при якому в певних умовах інгібітор може бути легко відділений від ферменту.
Необоротне інгібування. Деякі ферменти повністю інгібуються дуже малими концентраціями іонів важких металів (ртуть, срібло, миш’як, іодоцтова кислота). Вони необоротно з’єднуються з сульфгідрильними групами і викликають осадження білку.
Оборотне інгібування буває конкурентним та неконкурентним. Конкурентне інгібування спостерігається тоді, коли речовина, близька по структурі до звичайного субстрату ферменту, з’єднується з активним центром, але не може прореагувати з ним. Знаходячись тут, воно перешкоджує доступ до активного центру молекулі справжнього субстрату. Оскільки при цьому субстрат та інгібітор конкурують за місце в активному центрі, цю форму інгібування назвали конкурентною. Цей метод широко використовується в медицині. Так, для лікування інфекційних захворювань. що викликаються бактеріями, використовують сульфаніламідні препарати. Вони мають структурну схожість з параамінобензойною кислотою, яку бактерія використовує для синтезу фолієвої кислоти, що є складовою частиною ферментів бактерій. Завдяки структурній схожості сульфаніламід блокує дію ферменту шляхом витіснення параамінобензойної кислоти із комплексу з ферментом, що синтезує фолієву кислоту, що гальмує ріст бактерій. Це ж явище використовується в хіміотерапії, при якій знищуються хімічними препаратами збудники хвороби, і не пошкоджуються тканини організму-господаря.
Неконкурентне ігібування - не схожі по структурі на субстрат і в утворенні комплексу з інгібітором бере участь не активний центр, а інша частина його молекули. Утворення такого комплексу приводить до зміни глобулярної структури ферменту і, хоч справжній субстрат при цьому до ферменту приєднується, каталіз виявляється неможливим. Наприклад, цианід зв’язується з іонами металів, що виконують у ферментів роль простетичної групи, і пригнічує активність цих ферментів.
10(188) Такий тип гальмування каталітичної активності називається ще алостеричним.
2(206), 1(101) Алостеричні ферменти - їх активність регулюється не їх субстратами, а іншими речовинами, що приєднуються до ферментів на особливих ділянках, віддалених від активного центру. Вони впливають на активність ферменту, викликаючи оборотні зміни в структурі його активно центру. Вони називаються алостеричними ефекторами. В залежності від характеру впливу, який вони спричиняють, збільшуючи чи зменшуючи спорідненість ферменту до субстрату, вони поділяються на алостеричні активатори та інгібітори.
Ділянка молекули ферменту, з якою зв’язуються ефектори, називається алостеричинм центром.
Прикладом алостеричного ферменту може бути фосфофруктокіназа, яка може бути алостерично інгібована АТФ при високій його концентрації.
13(62) Інгібітором ферментів є фосфорорганічні речовини, серед яких зустрічаються дуже токсичні для деяких видів комах. Тому їх використовують для боротьби з шкідниками. Це хлорофос, дихлофос.