Головною ознакою живих систем є їх обмін речовин, тобто постійні, надзвичайно різноманітні хімічні перетворення, які відбуваються з величезною швидкістю. Обмін речовин в живому організмі називається метаболізм. Розрізняють анаболическую і катаболическую частини метаболізму. Анаболізму - це реакції синтезу, утворення нових молекул, реакції відновлення. Вони протікають з витратою енергії у вигляді АТФ (аденозинтрифосфату). Енергія, необхідна для синтезу, а також пластичний матеріал. з якого утворюються нові речовини, поставляються в результаті катаболізму. Катаболізм - це процеси розпаду біологічних складних речовин на більш прості складові частини, це гідроліз, окислення продуктів. В результаті звільняється енергія і пластичний матеріал.
Не можна не дивуватися тій швидкості іточності. з якими жива клітина здійснює безліч хімічних реакцій. Для такої високої швидкості і точності необхідні каталізатори. А оскільки мова йде про біологічні реакціях, то це особливі каталізатори - біологічні. Їх називають ферментами або ензимами.
В даний час відкрито більше 3000 ферментів, що представляють собою за хімічною природою глобулярні білки. Правда, недавно були відкриті ще близько 10 ферментів, які опинилися рибонуклеїнової кислоти.
Ферменти прискорять хімічні реакції в організмі в десятки тисяч разів. Тобто якби реакція протікала в отчутствіе ферментів, то вона не мала б ніякого сенсу. Для того, щоб ферменти могли прискорювати хімічні реакції в організмі, треба, щоб вони, по-перше, змінювали просторове розташування і орієнтацію речовин таким чином, щоб вони могли реагувати між собою найоптимальнішим чином, з максимальною ефективністю. По-друге, ферменти прискорюють хімічну реакцію за рахунок зниження енергії активації. Справа в тому, що реагують речовини (субстрати) повинні володіти достатньою енергією, щоб досягти спочатку так званого перехідного стану. а вже потім щоб стало можливим одночасне утворення нових хімічних зв'язків і разривстарих хімічних зв'язків.
Уявімо собі хімічну реакцію:
насправді ця реакція повинна виглядати так:
де S '- субстрати, що знаходяться в перехідному стані і P' - намічені продукти, також в перехідному стані. Тільки після
цього утворюються нові речовини, з новими властивостями P, тобто продукти реакції. На досягнення перехідного стану витрачається енергія.
Різниця загальної енергії вихідних реагуючих частинок іенергі і порушеної перехідного стану називається енергіейактіваціі (Еакт).
Чим легше досягається перехідний стан, тим вище швидкість хімічної реакції. Суть дії каталізатора полягає в тому, що він підвищує швидкість хімічної реакції за рахунок зниження енергії активації.
Таким чином, функції ферментів зводяться до прискорення хімічних реакцій.
Що ж таке ферменти і як вони влаштовані?
Всі ферменти відносяться до глобулярним білків. Давайте швиденько згадаємо, як влаштована білкова молекула. Перш за все треба пам'ятати, що білок складається з безлічі амінокислот (від декількох десятків до декількох сотень амінокислот). Амінокислоти з'єднані в білкової молекулі ковалентними зв'язками в певній послідовності і складають пептидную ланцюжок, це і буде первинна структура білка. Але амінокислоти мають різні функціональні групи, за рахунок цього виникають інші хімічні зв'язки - водневі, гідрфобние і інші. Тому пептидная ланцюжок утворює вигини - спіраль. Це буде вторинна структура білка. Нарешті, різні ділянки спіралі притягуються один до одного також за рахунок зв'язків між ралічной амінокислотами, пептидная ланцюг скручується в глобулу - це третинна структура білка. Якщо білкова молекула складається не з однієї поліпептидного ланцюга, а з двох, трьох або більше, то вони всі разом утворюють четвертинних структуру білка. Оскільки фермент - це білок, то він влаштований так само, тобто має первинну, вторинну, третинну і четвертинних структуру.
Для виконання своєї специфічної функції для кожного ферменту важливо збереження його амінокислотної послідовності, тобто первинної структури, а також і просторової орієнтації всіх амінокислот, тобто збереження його вторинної та третинної структури. Будь-який вплив, яке порушить одну з цих структур (рентген. Опроміненню, УФО, ультразвуковому впливу, осадження мінеральними кислотами або солями важких металів), веде до втрати каталітичних властивостей ферменту.
Таким чином, цілісність внутрімолекулярної структуринеобходіма для каталітичного дії ферменту.
У чому ж тут справа? Виявляється, що в молекулі ферментного білка є кілька ділянок, які мають особливі властивості виконують особливі функції. Що ж це за ділянки?
1. Каталітіческоедействіе связанос певною ділянкою білкової молекули ферменту (активний центр).
Активний центр - це тривимірне утворення, тобто це не крапка, що не площину, а складна тривимірна структура, в формуванні якої беруть участь групи з амінокислот, розташованих в різних частинах лінійної послідовності амінокислотної ланцюга і об'єднуються в єдиний центр завдяки складній вторинної і третинної структурі білка-ферменту. Завдяки цьому активний центр має форму вузького поглиблення або щілини. Така форма важлива, тому що при цьому створюється спеціальне микроокружение, необхідне для здійснення реакції.
Все амінокислотні залишки, що входять до складу молекули ферменту, беруть участь у створенні первинної, вторинної, третинної і четвертинної структури, але лише деякі з них входять до складу активного центру, тобто тієї його частини, яка безпосередньо входить в зв'язок з субстратом. У складі активного центру є кілька амінокислот, які беруть участь у приєднанні і певної орієнтації субстратів, тобто виконують роль "якірного майданчика" - це контактна група. Інші амінокислоти активного центру безпосередньо беруть участь в каталізі - це каталітіческаягруппа. Іноді буває важко розмежувати каталітичні групи від контактних.
В експерименті досліджували швидкість ферментативного перетворення органічних молекул, які дуже близькі за своїми хімічними властивостями, але відрізняються за стереохимической конфігурації. При цьому швидкість реакції теж дуже різко відрізнялася. Еміль Фішер першим постулював, що субстрат повинен стереохимической комплементарно приєднуватися до ферменту ( "ключ до замка", "рука до рукавичці").
При цьому утворюється фермент-субстратної комплекс:
Ферментні білки можуть бути простими білками, що складаються тільки з амінокислот (протеїни) або складними (протеїди), в цьому випадку в їх склад входить який-небудь небілкова з'єднання - кофактор. Т акой молекулярний комплекс білка і кофактора називається холоферменту, а його білкова частина - апоферментом. Холоферменту має максимальну каталітичної активністю, апофермент - володіє дуже низькою активністю, а часто і взагалі не працює. Розрізняють неорганічні кофактор (наприклад, іони Zn, Mg, Mn, Fe, Cu, K, Na) і органічні кофактор, які зазвичай називають коферментами.
Коферменти - термостабільні органічні соедіненіянебелковойпріроди, які беруть участь у дії ферменту в якості обов'язкового кофактора.
Кофермент, як правило, входить до складу активного центру і виконує подвійну функцію: 1) безпосередньо бере участь в каталітичному действіі.2) В деяких випадках може сприяти кращому контакту субстрату з ферментом, тобто виконує роль і "якірної майданчика".
1) Найбільш часто в якості коферментів виступають вітаміни або їх похідні. Так, наприклад, одним з важливих коферментів є пірофосфорна (тобто містить два залишки фосфорної кислоти) ефір вітаміну В1 (тіаміну) - тіамінпірофосфат. Його основна функція - декарбоксилирование альфа-кетокислот.
Вітамін В2 (рибофлавін), і вітамін РР (Амід нікотинової кисло ти) входять до складу коферментів (або коензимів) цілого ряду окислювально-відновних ферментів.
Фосфорний ефір вітаміну В6 (піридоксин) - піридоксальфосфат - являє собою кофермент цілого ряду ферментів, які каталізують перетворення амінокислот.
Дуже багато інших вітаміни, як пантотенова кислота (віт. В15), похідні вітаміну В12 (ціанкобаламін), біотин і ін. Також входять до складу ферментів. Так, пантотенова кислота разом із залишком аденозиндифосфата і бета-меркаптоетанолом входить до складу найважливішого коферменту, так званого коензиму А, який відіграє винятково важливу роль в обміні речовин. Таким чином, вдалося встановити, що вітаміни необхідні для життєдіяльності організму саме тому, що без них не утворюються відповідні ферментні системи, внаслідок чого організм не може нормально функціонувати.
2) Крім вітамінів, коферментами також можуть бути нуклеотиди і їх похідні. У складі деяких ферментів коферменти можуть складатися з комплексу нуклеотиду і вітаміну: наприклад, такий широко поширений кофермент окисно-відновних ферментів як нікотінамідаденіннуклеотід (НАД) складається з вітаміну РР (аміду нікотинової кислоти) і аденіннуклеотидів. Інший приклад: вітамін рибофлавін (віт.В2), з'єднуючись з аденінуклеотідом, утворює кофермент флавінаденіннуклеотід (ФАД) (також каталізує окислювально-відновні реакції).
3) Третій тип часто зустрічаються коферментів - гемоподобние структури. Прикладом можуть служити ферменти цитохроми, що містять в якості коферменту железопорфіріновие комплекси.
4) Четвертий тип коферментів - з'єднання аліфатичного ряду. Типовий приклад - повсюдно поширений в клітинах трипептид
- глутатіон. що складається з глутамінової к-ти, цистеїну і гліцину.
Глутатіон у відновленому вигляді є коензимом ферментів, які каталізують реакції ізомеризації. Наприклад, перетворення кетоформи
фенилпировиноградной кислоти в енольну.
Існують і інші сполуки, що входять до складу коферментів або коензимів.
Від чого ж залежить швидкість протікання ферментативних реакцій? Факторів, що впливають на цей процес досить багато. Назвемо найважливіші:
3) концентрація субстрату;
4) наявність активаторів і інгібіторів ферментативної реакції, тобто речовин, що прискорюють або уповільнюють її перебіг.
Розглянемо ці чинники докладніше.
1) Залежність від значення рН. Згадаймо, що рН - -lg [H]. Чим нижче значення рН, значить тим більше [H], тим більше кисла реакція середовища і навпаки. Існує поняття оптимум рН. тобто таке значення рН, при якому активність ферменту буде максимальною. Це пояснюється тим, що ферменти, як білкові молекули є поліелектролітами, і їх заряд залежить від рН. Так, пепсин - фермент, який розщеплює білки в шлунку, має оптимум рН близько 1,5. Навпаки, ферменти, що розщеплюють вуглеводи в кишечнику, мають оптимум рН, в лужному середовищі (рис.)
2) Вплив температури. Швидкість ферментативної реакції збільшується в 1,5-2 рази при підвищенні температури на 10оС. Однак, цей процес не безмежний, тому що при t вище 40оС приєднуються явища теплової денатурації, і активність ферменту стрімко падає. Макимальний швидкість ферментативні реакції мають при температурі тіла, тобто при 37-38о С.
3) Третій фактор, що впливає на швидкість ферментативної реакції
- залежність від концентрації субстрату. Намалюємо графік. По осі ординат відкладемо швидкість хімічної реакції, по осі абсцис - концентрацію субстрату. Зрозуміло, що спочатку швидкість реакції буде збільшуватися в міру збільшення концентрації субстрату, але потім відбувається насичення ферменту, і прискорення сповільниться, а потім швидкість реакції доходить до максимальної, встановлюється рівновага між концентрацією субстрату і продукту. Далі швидкість буде постійно, тобто виходить на плато. З цього графіка найбільш важливими для нас є два поняття: Vmax - максимальна швидкість реакції і Km - константа Міхаеліса або константа дисоціації фермент-субстратного комплексу. Фактично вона дорівнює тій концентрації субстрату, при якій виміряна швидкість Vo дорівнює половині Vmax.
При дослідженні активності ферменту зручніше визначатимуть не Vmax, а швидкість Vo. рівну половині Vmax. При цьому Km - це кількість
(Концентрація) субстрату, необхідне для зв'язування половини наявного ферменту і досягнення половини максимальної швидкості. Звідси зрозуміло, що чим більше величина Кm, тим менше специфічність дії ферменту по відношенню до даного субстрату, тобто тим менше його спорідненість. І навпаки.
4) Четвертий фактор, що змінює швидкість реакції - це зміна самого ферменту, його структури або його кількості. Це пов'язано з найважливішим властивістю ферментів, його здатністю до регульованості.