1. повышают скорость химической реакции;
2. действуют в мизерных концентрациях;
3. не расходуются в ходе реакции;
4. не смещают химическое равновесие реакций.
Но, поскольку все ферменты являются белками, существует ряд их отличий от неорганических катализаторов:
1. ферменты более активны;
2. они регулируемы;
3. работают только в узких рамках физиологических параметров (температура, рН и др., см. ниже);
4. ферменты специфичны.
Рассмотрим подробнее типы специфичности ферментов:
а) абсолютная: один фермент реагирует только с одним видом субстрата3 (обозначается S) в реакции только одного типа. Это самый распространенный тип специфичности, поэтому он не нуждается в примерах;
б) относительная: 1 фермент несколько субстратов 1 реакция (пример: пищеварительные ферменты);
в) стереоспецифичность: фермент работает только с одним из изомеров субстрата (пример: малатдегидрогеназа).
2. Строение сложных ферментов
Замечу, что энзимы (как и все белки) делят на простые и сложные. Простые их молекула построена только из аминокислот. Сложные в их состав входит также небольшая небелковая часть.
Рассмотрим подробнее строение сложных ферментов. Белковая часть их молекулы (бо̀льшая по размеру) апофермент; небелковая кофактор.
Кофакторы делят на:
а) кофермент связан с апоферментом легко, нековалентно и поэтому может на время отходить от белковой части;
б) простетическая группа связана с апоферментом ковалентно, жестко.
3. Строение активного центра
Активный центр это рабочий орган фермента, с его помощью энзим и проводит реакцию катализа. В его состав входят аминокислотные последовательности и кофактор (у сложных энзимов). Активный центр построен из двух частей:
а) контактная площадка особая «выемка» в теле фермента, она выполняет две функции: во-первых, контакт с субстратом (S) и его удержание; во-вторых, она по форме и положению функциональных групп идеально сочетается с субстратом (и только с ним), следовательно, обеспечиваетспецифичность.
б) каталитический участок «сердце» энзима, именно он обеспечивает катализ, т. е. ускорение реакции. Если фермент сложный, то его кофактор является тем самым каталитическим участком.
4. Аллостерический центр
Если активный центр есть у каждого фермента, то аллостерический лишь у избранных (о них я расскажу позднее), эту группу так и называют аллостерические ферменты.
Аллостерический центр не похож на активный и выполняет иную функцию регуляторную. К нему могут специфически присоединяться только особые вещества эффекторы (модификаторы), которые делятся на: активаторы (ускоряют работу энзима) и ингибиторы (замедляют).
Таким образом, аллостерический центр можно сравнить с «выключателем», с помощью которого можно управлять ферментом (а, следовательно и химической реакцией), т. е. подстегивать его работу или, наоборот, притормаживать. Повторю4, функция аллостерического центра регуляция скорости химического процесса.
5. Изоферменты разные формы одного фермента, немного различающиеся по строению, свойствам, но катализирующие одну и ту же реакцию.
Единственный пример изоферментов, который вы должны знать ЛДГ (лактатдегидрогеназа). Молекула этого белка построена из 4 субъединиц, каждая из которых может быть Н- или М-типа.
Таким образом, мы видим, что получается всего 5 комбинаций, которые приведены ниже:
ЛДГ-1 построена из 4-х Н-протомеров (НННН). Содержится, в основном, в сердце;
ЛДГ-2 НННМ (в сердце);
ЛДГ-3 ННММ (в почках и легких);
ЛДГ-4 НМММ (в печени);
ЛДГ-5 ММММ (в печени и скелетных мышцах).
Эти изоформы имеют большое значение в медицине, как маркеры разрушения (деструкции) клеток. В норме, уровень ЛДГ в крови очень низок, но при массивной гибели клеток (некроз, инфаркт, агрессивное вирусное воспаление) повышаются отдельные изоформы. Например, при вирусном гепатите (болезнь печени) подскакивает уровень ЛДГ 4-й и 5-й изоформ. При инфаркте миокарда резко увеличивается концентрация ЛДГ 1-й и 2-й изоформ, которые находятся в сердце. Замечу, что при ишемической болезни сердца (ИБС, стенокардия) ЛДГ будет в норме; этот тест прекрасно помогает отличить ИБС от инфаркта (это важно, поскольку лечение при этих заболеваниях отличается).
6. Мультиферментные системы
Надо помнить, что в нашем организме нет отдельных химических реакций, есть процессы несколько последовательных реакций, выполняющих какую-то функцию. Если, к примеру, в процессе 6 реакций, значит его обеспечивают 6 видов ферментов. Все просто. Обычно эта группа энзимов беспорядочно взвешена (растворена) в цитоплазме, или иной жидкости, в такой системе нет выраженной последовательности. Но бывают и другие типы расположения ферментов: мультиферментная система группа ферментов, катализирующих реакции одного процесса и жестко фиксированных (на мембране или органелле) в порядке следования реакций. Такой подход выгоден, т. к. сокращает время процесса (увеличивает скорость). Представьте, стоит субстрату связаться с активным центром первого фермента и он «попал», S уже не вырвется, он обречен перескакивать с одного активного центра на другой, пока не пройдет все превращения до последнего.
Примеры: мультиферментных систем: дыхательная цепь; пируватдегидрогеназный комплекс; альфа-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс.
II. Кинетика и механизм ферментативных реакций
1. Кинетика ферментативных реакций
Как правило, к этой теме студенты подходят с опаской. Их пугает раздутая математическая часть. А зря. Ведь 90% этого «ужаса» можно спокойно пропустить. Из письменного материала вам необходимо запомнить лишь три легчайших графика и одно уравнение. Если разобраться, это довольно простая, логически стройная, интересная тема. Итак, приступим.
Кинетика раздел физикохимии, изучающий скорость химических реакций и факторы, влияющие на нее.
Разберемся с терминами.
Энергия активации минимальная энергия, необходимая для запуска реакции. Она количественно равна барьеру отталкивания между молекулами. Понятно: чем больше барьер (чем выше энергия активации), тем ниже скорость реакции. Значит, чтобы ускорить реакцию, надо понизить энергию активации (что и делают ферменты).
Молекулярность число, равное количеству молекул, участвующих в акте реакции. Пример: если в одном акте реакции участвуют две молекулы (скажем: щелочь и кислота), молекулярность равна двум. Молекулярность может иметь только следующие значения: 1, 2 и 3.
Порядок реакций. В учебниках определение порядка дано настолько отвратительно, что 99% студентов не понимают его суть. Даю свое определение. Порядок числовая величина, показывающая, от концентрации скольких веществ зависит скорость химической реакции. Как видите, все просто. Если скорость реакции зависит от концентрации двух веществ, порядок равен 2, если от одного единице. Если порядок равен нулю, это говорит о том, что скорость вообще не зависит от концентрации.
Факторы, от которых зависит скорость реакции:
1. Концентрация реагирующих веществ;
2. Температура среды;
3. Давление (на ферментативные реакции не влияет);
4. рН;
5. Катализ.
В изучении ферментов два из пяти факторов отбрасываем сразу: катализ (ферменты и есть катализаторы, что уж тут говорить?) и давление. Почему убираем давление? Из школьного курса вы помните, что давление влияет только на реакции в газовых средах, а энзимы, как вы уже поняли, живут и работают в водной среде (все биохимические процессы протекают только в водной фазе). Значит, давление не влияет на ферментативные процессы.
Теперь разберемся по порядку с ключевыми факторами:
1. Концентрация реагирующих веществ
В ферментативных реакциях реагирующее вещество, как правило, одно субстрат (фермент не считается реагентом, т. к. он катализатор).
В простых реакциях эта зависимость описывается законом действующих масс (вспомните школу) чем больше концентрация, тем выше скорость.
С ферментами сложнее. Посмотрите на график: «Зависимость между скоростью ферментативной реакции и концентрацией субстрата» в вашем учебнике. Мы видим, что при повышении концентрации S, вначале скорость растет почти линейно (реакция 1-го порядка), но, если мы будем добавлять все больше S, темпы роста скорости падают и, в конце концов, ее рост останавливается, выходит на плато, т. е. скорость больше не зависит от концентрации субстрата (реакция 0-го порядка). Почему так? Ответ прост: наступил момент, когда все молекулы фермента насыщены субстратом (который в избытке), а вступает в реакцию только тот S, который связан с энзимом, остальные молекулы S пассивно висят в растворе и ждут своей очереди. Достигнута максимальная скорость. Бросьте в колбу хоть килограмм субстрата, скорость не изменится (повысить ее можно только одним способом добавить еще фермента).