ПЛАН ЛЕКЦИИ
1. Общие свойства ферментов.
2. Условия протекания биохимических взаимодействий (реакций).
3. Понятие катализаторов и ингибиторов реакций.
4. Общие свойства катализаторов.
5. Особенности ферментов как биологических катализаторов.
6. Структурно функциональная организация ферментов.
7. Специфичность ферментов.
8. Механизм действия ферментов.
ОБЩИЕ СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ.
Ферменты являются самыми замечательными и наиболее специализированными белками которые обладают каталитической активностью. Ферменты являются необычно мощными катализаторами, они высокоспецифичные по отношению к субстрату и ускоряют строго определенные химические реакции без образования побочных продуктов. Они функционируют при низких концентрациях жидкостей организма (~ 0,1 н), а также при физиологических значениях температуры и рН.
Ферменты являются функциональными единицами метаболизма. Действуя в строго координированной и определенной последовательности они катализируют все многообразие реакций, в ходе которых расщепляются молекулы питательных веществ, осуществляются процессы трансформации, генерации и запасания энергии, синтезируются макромолекулы и др.
Особую группу составляют так называемые регуляторные ферменты, которые способны воспринимать (различать) различные метаболические сигналы и в соответствии с этим изменять функциональное состояние (см. активность ферментов) и соответственно течение обменных процессов. В конечном итоге достигается баланс в процессах анаболизма и катаболизма, необходимый для обеспечения жизнедеятельности клеток и организма в целом.
Активное изучение ферментов привело к становлению в начале XIX века науки энзимологии. Для обозначения биологических катализаторов применяют термины "ферменты" и "энзимы", но предпочтение отдают термину "фермент", хотя наука о ферментах называется энзимология. Слово "фермент" происходит от лат. fermentium - закваска, а "энзим" - от греч. еп - в, внутри и zуте - дрожжи. Данная терминология возникла исторически при изучении ферментативных процессов спиртового брожения.
Активное развитие энзимологии продолжается и в настоящее время. В задачи этой науки входят определение роли отдельных ферментов в ускорении химических реакций, протекающих в организме, выделение и очистка ферментов, установление их структуры, исследование механизма действия, изучение кинетических характеристик и особенностей регуляции активности in vivo (трактуется как в условиях организма).
УСЛОВИЯ ПРОТЕКАНИЯ БИОХИМИЧЕСКИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ (РЕАКЦИЙ).
ФЕРМЕНТЫ (энзимы) - это высокоспецифичные белки, выполняющие функции биологических катализаторов. Катализатор - это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само в ходе этой реакции не расходуется.
Какие условия необходимы для химического взаимодействия молекул, чтобы произошла химическая реакция?
1) Молекулы должны сблизиться (столкнуться). Но не всякое столкновение приводит к взаимодействию.
2) Необходимо, чтобы это столкновение стало эффективным - завершилось бы химическим превращением. Обязательное условие для эффективности столкновения - чтобы запас энергии молекул в момент столкновения был не ниже энергетического уровня реакции.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ РЕАКЦИИ - это запас энергии, которым должны обладать молекулы, чтобы их столкновение стало эффективным (чтобы произошла химическая реакция). Этот запас энергии является постоянной характеристикой (константой) для каждой данной реакции.
СРЕДНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ МОЛЕКУЛ – это энергия, которой обладает большинство молекул системы в данный момент времени. Этасредняя величина энергетического запаса, которая характеризует совокупность данных молекул в данных конкретных условиях (температура, давление и другие). Энергетический запас молекул - это понятие статистическое (вероятностное). Молекулы постоянно находятся в тепловом движении. Поэтому энергетический запас каждой из них все время изменяется, колеблется около величины, которая и представляет собой СРЕДНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ МОЛЕКУЛ.
|
В каждый момент времени наибольшая доля молекул данной совокупности обладает именно таким СРЕДНИМ запасом энергии. И чем больше отличается энергия определенной группы молекул от среднего энергетического уровня (в любую сторону), тем малочисленнее эта группа. В любой совокупности молекул ее определенная доля обладает такой энергией, которая выше среднего энергетического уровня и достаточна для протекания химической реакции.
РАЗНОСТЬ между СРЕДНИМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УРОВНЕМ МОЛЕКУЛ и ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УРОВНЕМ РЕАКЦИИ называется энергетическим барьером или ЭНЕРГИЕЙ АКТИВАЦИИ (Еакт.). Чем больше эта энергия активации, тем медленнее идет химическая реакция.
КАК УСКОРИТЬ ХИМИЧЕСКУЮ РЕАКЦИЮ? Повышение среднего энергетического уровня молекул (повышение температуры, давления и других параметров среды, которое используют на химических заводах и фабриках) НЕВОЗМОЖНО для живых организмов, которые нормально функционируют только при постоянных значениях температуры, давления и других параметров. Невозможен и другой путь - уменьшение энергии активации путем снижения энергетического уровня реакции, поскольку эта величина является постоянной характеристикой данной реакции.
Поэтому, только явление катализа (применение катализаторов) может обеспечить ускорение химических реакций в живых организмах. Рассмотрим две реакции (смотрите рисунок).
|
В общем случае энергии активации реакций 1, 2а и 2б не совпадают между собой, и все разнообразие возможных вариантов можно разделить на две группы:
1) Еакт2а и/или Еакт2б БОЛЬШЕ, чем Еакт1.
Во всех таких случаях реакция образования вещества "АВ" с участием вещества "К" пойдет медленнее. Значит, вещество "К" является ИНГИБИТОРОМ (замедлителем) этой реакции.
2) Еакт2а и/или Еакт2б МЕНЬШЕ, чем Еакт1.
В этих случаях реакция с участием вещества "К" пойдет быстрее, чем без него. Значит, вещество "К" является КАТАЛИЗАТОРОМ (ускорителем) данной химической реакции.
КАТАЛИЗАТОР - это вещество, которое направляет реакцию по такому обходному пути, на котором энергетические барьеры ниже. Это достигается в большинстве случаев разбиением реакции на несколько промежуточных стадий.
 |
Рассмотренные реакции можно представить в виде "вертикального среза" через вершину вулкана, кратер которого имеет неодинаковые по высоте края.
На этом рисунке видно, что энергия, которую надо затратить для "подъема" молекулы от среднего энергетического уровня реакции, полностью компенсируется при самостоятельном "скатывании" молекулы по склону "вулкана". При дальнейшем самопроизвольном "скатывании" до подошвы "вулкана" (то есть, до среднего энергетического уровня молекул, которые являются продуктами данной реакции). Энергия, которая при этом выделяется, называется "ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИТОГ РЕАКЦИИ".
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИТОГ РЕАКЦИИ - это разность между энергетическим уровнем исходных веществ (субстратов) и энергетическим уровнем продуктов реакции.
Энергетический итог реакции не зависит от пути, по которому идет реакция (он одинаков и для реакции с участием катализатора, и для реакции без его участия). Он не зависит и от величины энергии активации - от нее зависит только скорость протекания каждого из путей этой реакции.
Это видно из УРАВНЕНИЯ АРРЕНИУСА:
V = α*e-Eакт/RT;
где V-скорость химической реакции;
α-предэкспоненциальная величина, значение которой определяет множество факторов, например стерический (пространственный)Ю который показывает вероятность эффективного столкновения молекул, сопровождаемое реакцией между ними;
e-основание натуральных логарифмов;
R-универсальная газовая постоянная;
T-абсолютная температура;
Вывод из уравнения Аррениуса: так как энергия активации в этом уравнении входит в показатель степени, то даже небольшое изменение энергии активации приводит к большим изменениям скорости реакции.
ОБЩИЕ СВОЙСТВА КАТАЛИЗАТОРОВ
1. Катализаторы сами НЕ ВЫЗЫВАЮТ химическую реакцию, а только УСКОРЯЮТ реакцию, которая протекает и без них.
2. Не влияют на энергетический итог реакции.
3. В обратимых реакциях катализаторы ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, причем в ОДИНАКОВОЙ степени, из чего следует, что катализаторы:
а) НЕ ВЛИЯЮТ на НАПРАВЛЕННОСТЬ обратимой реакции, которая определяется только соотношением концентраций исходных веществ (субстратов) и конечных продуктов;
б) НЕ ВЛИЯЮТ на ПОЛОЖЕНИЕ РАВНОВЕСИЯ обратимой реакции, а только ускоряют его достижение.