Материал: Биология фермантов

При высокой концентрации субстрата и при постоянстве других факторов, таких, как температура и рН, скорость ферментативной реакции пропорциональна концентрации фермента (рис. 9). Катализ осуществляется всегда в условиях, когда концентрация фермента гораздо ниже концентрации субстрата. Поэтому с возрастанием концентрации фермента растет и скорость ферментативной реакции.

Рис. 9. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента

При данной концентрации фермента скорость ферментативной реакции возрастает с увеличением концентрации субстрата (рис. 10). Теоретическая максимальная скорость реакции Vmax никогда не достигается, но наступает момент, когда дальнейшее увеличение концентрации субстрата уже не влечет за собой сколько-нибудь заметного изменения скорости реакции. Это следует объяснить тем, что при высоких концентрациях субстрата активные центры молекул фермента в любой данный момент оказываются практически насыщенными. Таким образом, сколько бы ни было в наличии избыточного субстрата, он может соединиться с ферментом лишь после того, как образовавшийся ранее фермент-субстратный комплекс диссоциирует на продукт и свободный фермент. Поэтому при высоких концентрациях субстрата скорость ферментативной реакции лимитируется и концентрацией субстрата, и временем, которое требуется для диссоциации фермент-субстратного комплекса.

Рис. 10. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата

Влияние температуры на скорость ферментативной реакции может быть выражено через температурный коэффициент Q10:

В пределах 0-40°С Q10 ферментативной реакции равен 2. Иными словами, при каждом повышении температуры на 10°С скорость ферментативной реакции удваивается. С повышением температуры движение молекул ускоряется, и у молекул реагирующих веществ оказывается больше шансов столкнуться друг с другом. Увеличивается, следовательно, и вероятность того, что реакция между ними произойдет. Температура, обеспечивающая наибольшую активность, называется оптимальной температурой. За пределами этого уровня скорость ферментативной реакции снижается, несмотря на увеличение частоты столкновений. Происходит это вследствие разрушения вторичной и третичной структур фермента, иными словами, вследствие того, что фермент претерпевает денатурацию (рис. 11).

Когда температура приближается к точке замерзания или оказывается ниже ее, ферменты инактивируются, но денатурации при этом не происходит. С повышением температуры их каталитическая активность вновь восстанавливается.

Рис. 11. Влияние температуры на активность такого фермента, как амилаза слюны

В наше время для длительного хранения пищевых продуктов широко используют такой способ, как быстрое их замораживание. Оно предотвращает рост и размножение микроорганизмов, а также инактивирует их пищеварительные ферменты, так что они оказываются уже не в состоянии вызвать разложение пищевых продуктов. Инактивируются также и ферменты, находящиеся в самих пищевых продуктах. Замороженные продукты не должны размораживаться до того момента, как они понадобятся.

При постоянной температуре любой фермент работает наиболее эффективно в узких пределах рН. Оптимальным считается то значение рН, при котором реакция протекает с максимальной скоростью (рис. 12 и табл. 1). При более высоких и более низких рН активность фермента снижается. Сдвиг рН меняет заряд ионизированных кислотных и основных групп, от которого зависит специфичная форма молекул фермента. В результате изменяется форма молекул фермента, и в первую очередь форма его активного центра. При слишком резких сдвигах рН фермент денатурирует. Свойственный данному ферменту оптимум рН не всегда совпадает с рН его непосредственного внутриклеточного окружения. Это позволяет предположить, что среда, в которой находится фермент, в какой-то мере регулирует его активность.

Рис. 12. Зависимость активности фермента от рН

Оптимумы рН для некоторых ферментов

4. Ингибирование ферментов

Известны различные низкомолекулярные соединения, которые могут тормозить ферментативные реакции. Такие соединения называются ингибиторами ферментов. Ингибирование бывает обратимым и необратимым.

При определенных условиях ингибитор может быть легко отделен от фермента.

В этом случае вещество, по своей структуре близкое к обычному субстрату фермента, соединяется с активным центром фермента, но не может прореагировать с ним. Находясь здесь, оно преграждает доступ к активному центру любой молекуле настоящего субстрата. Поскольку в этом случае ингибитор и субстрат конкурируют за место на активном центре фермента, эту форму ингибирования называют конкурентным ингибированием. Оно обратимо, так как при увеличении концентрации субстрата скорость реакции возрастает.

Рис. 12 иллюстрирует один из примеров конкурентного ингибирования.

Явление конкурентного ингибирования используется в химиотерапии. Цель химиотерапии - уничтожить при помощи тех или иных химических препаратов возбудителя болезни, не повреждая при этом ткани организма-хозяина. Во время второй мировой войны для борьбы с инфекционными заболеваниями широко применялись сульфаниламидные препараты, или сульфаниламиды, производные сульфаниловой кислоты. Сульфаниламиды по своей химической структуре близки к парааминобензойной кислоте (ПАБК) - необходимому фактору роста многих патогенных бактерий. ПАБК требуется бактериям для синтеза фолиевой кислоты, которая служит у них кофактором фермента. Действие сульфаниламидов связано с нарушением синтеза фолиевой кислоты из ПАБК.

Животные клетки не чувствительны к сульфанил-амидам, хотя им для некоторых реакций и требуется фолиевая кислота. Объясняется это тем, что они используют предобразованную фолиевую кислоту; метаболический путь, который обеспечивал бы ее синтез, у животных отсутствует.

Рис. 13. Пример конкурентного ингибирования. А. Фермент сукцинатдегидрогеназа катализирует превращение янтарной кислоты в фумаровую. Б. Конкурентное ингибирование фермента малоновой кислотой

Ингибиторы этого рода не родственны по своей структуре субстрату данного фермента; в образовании комплекса с ингибитором участвует в этом случае не активный центр фермента, а какая-нибудь другая часть его молекулы (рис. 14). Образование комплекса влечет за собой изменение глобулярной структуры фермента, и, хотя настоящий субстрат при этом к ферменту все же присоединяется, катализ тем не менее оказывается невозможным. В качестве примера можно привести цианид. Он связывается с ионами металлов, выполняющими у некоторых ферментов роль простетической группы (в частности, с ионами меди цитохромоксидазы), и подавляет активность этих ферментов. С повышением концентрации ингибитора скорость ферментативной реакции все более снижается. К моменту насыщения ингибитором она оказывается практически равной нулю.

Рис. 14. Проявление неконкурентного ингибирования. А. Нормальная реакция. Б. Неконкурентное ингибирование

Некоторые ферменты полностью ингибируются очень малыми концентрациями ионов тяжелых металлов, например ионов ртути (Hg₂+), серебра (Ag+) и мышьяка (As+), или иодуксусной кислотой. Эти вещества необратимо соединяются с сульф-гидрильными группами (-SH) и вызывают осаждение ферментного белка.

Диизопропилфторфосфат (ДФФ) - соединение из группы нервнопаралитических отравляющих веществ - образует фермент-ингибиторный комплекс, связываясь с остатком аминокислоты серина, находящимся в активном центре фермента ацетил-холинэстеразы. Этот фермент инактивирует ацетил - холин, играющий роль нейромедиатора. Одна из функций ацетилхолина заключается в обеспечении передачи нервного импульса от одного нейрона к другому через синаптическую щель. Почти сразу после передачи очередного импульса ацетилхолинэстераза инактивирует ацетилхолин, расщепляя его на холин и уксусную кислоту. Освободившийся нейрон готов к передаче следующего импульса. Если ацетилхолинэстераза ингибирована, то ацетилхолин накапливается, нервные импульсы следуют один за другим и мышца длительное время не расслабляется. В конце концов, наступает паралич или смерть. Некоторые из применяемых в настоящее время инсектицидов (например, паратион) оказывают такое же действие на насекомых.

Заключение

Начало эволюционной химии связывают с 1950-1960 гг. Под эволюционными проблемами следует понимать проблемы синтеза новых, сложных, высокоорганизованных соединений без участия человека.

Изучение строения и функционирования ферментов в живой природе - это такая ступень химического познания, которая откроет в дальнейшем создание принципиально новых химических технологий. Подражание живой природе - есть химия будущего. И в тот день, когда в лаборатории будет синтезирован первый фермент, т.е. биокатализатор, можно сказать, что найден ключ к химии живой природы.

Химики пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организма, в будущем можно построить новую химию, новое управление химическими процессами, где будут созданы катализаторы такой степени специфичности, что далеко превзойдут существующие в нашей промышленности. Это позволит выработать глобальную стратегию преодоления экологического кризиса.

В этом плане перспективными являются автокаталитические химические процессы, при которых катализатор не вводится в систему извне, а образуется в результате реакции. Сначала такие реакции протекают медленно, а затем постепенно ускоряются.

Список литературы

1. Бочкарев А.И. Концепция современного естествознания. - Тольятти: Современник, 1998. - С. 91-94.

2.      Варфоломеев С. Ферменты - самые понятные катализаторы // Химия и жизнь. - 2000. - №10. - С. 8-13.

.        Грин Н. Биология. Т.1. - М: Мир, 1993. - С. 195-210

.        Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - М: Маркетинг, 2001. - С. 266-270.

.        Кнорре Д.Г. Биологическая химия. - М: Высш. шк., 2000. - С. 279-305.