14.1: Ферменти

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22996

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Результати навчання

Поясніть роль ферменту в організмі.
Визначте активний сайт, субстрат та аллостеричний сайт.
Розрізняють конкурентні і неконкурентні інгібітори.
Опишіть модель блокування та ключа проти індукційної посадки ферментів.
Забезпечують характеристики кофактора і коферменту.
Опишіть, як концентрація субстрату, рН та температура впливають на активність ферментів.
Інтерпретувати графіки швидкості реакції проти умов реакції.

Перший фермент, який потрібно виділити, був відкритий в 1926 році американським хіміком Джеймсом Самнером, який кристалізував білок. Ферментом була уреаза, яка каталізує гідролітичний розпад сечовини, компонента сечі, на аміак і вуглекислий газ.

\[\ce{H_2NCON_2} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right) \overset{\text{urease}}{\rightarrow} 2 \ce{NH_3} \left( g \right) + \ce{CO_2} \left( g \right)\]

Його відкриття спочатку було висміяно, тому що ніхто не вірив, що ферменти будуть вести себе так само, як і інші хімічні речовини. Самнер врешті-решт виявився правильним і отримав Нобелівську премію з хімії в 1946 році.

Ферменти і біохімічні реакції

Більшість хімічних реакцій всередині організмів були б неможливі в умовах клітин. Наприклад, температура тіла більшості організмів занадто низька, щоб реакції відбувалися досить швидко, щоб здійснювати життєві процеси. Реагенти також можуть бути присутніми в таких низьких концентраціях, що навряд чи вони зустрінуться і зіткнуться. Тому швидкість більшості біохімічних реакцій повинна бути збільшена каталізатором. Каталізатор - це хімічна речовина, що прискорює хімічні реакції. В організмах каталізатори називаються ферментами. По суті, ферменти є біологічними каталізаторами.

Як і інші каталізатори, ферменти не є реагентами в реакціях, які вони контролюють. Вони допомагають реагентам взаємодіяти, але не витрачаються в реакціях. Натомість вони можуть використовуватися знову і знову. На відміну від інших каталізаторів, ферменти, як правило, дуже специфічні для конкретних хімічних реакцій. Вони, як правило, каталізують лише один або кілька типів реакцій.

Ферменти надзвичайно ефективні в прискоренні реакцій. Вони можуть каталізувати до декількох мільйонів реакцій в секунду. В результаті різниця в швидкостях біохімічних реакцій з ферментами і без них може бути величезною. Типова біохімічна реакція може зайняти години або навіть дні, щоб відбутися в нормальних клітинних умовах без ферменту, але менше секунди з ферментом.

На малюнку\(\PageIndex{1}\) діаграми типова ферментативна реакція. Субстрат - це молекула або молекули, на які діє фермент. У реакції, що каталізується уреазою, сечовина є субстратом.

Першим кроком реакції є те, що субстрат зв'язується з певною частиною молекули ферменту, відомої як активний сайт. Зв'язування субстрату продиктовано формою кожної молекули. Бічні ланцюги на ферменті взаємодіють з субстратом певним чином, в результаті чого утворюються і розриваються зв'язки. Активна ділянка - це місце на ферменті, де субстрат зв'язується. Фермент складається таким чином, що він зазвичай має одну активну ділянку, зазвичай кишеню або щілину, утворену складним малюнком білка. Оскільки активна ділянка ферменту має таку унікальну форму, тільки один конкретний субстрат здатний зв'язуватися з цим ферментом. Іншими словами, кожен фермент каталізує тільки одну хімічну реакцію тільки з одним субстратом. Як тільки ферментно-субстратний комплекс утворюється, відбувається реакція і субстрат перетворюється в продукти. Нарешті, молекула продукту або молекули звільняються з активної ділянки. Зверніть увагу, що фермент не зазнає впливу реакції і тепер здатний каталізувати реакцію іншої молекули субстрату.

Для багатьох ферментів активний сайт слідує за замком і ключем (A на малюнку нижче) моделі, де субстрат точно вписується в активну ділянку. Фермент і субстрат повинні ідеально поєднуватися, тому фермент функціонує лише як каталізатор для однієї реакції. Інші ферменти мають індуковану модель прилягання (B на малюнку нижче). У моделі індукованої посадки активний сайт може вносити незначні корективи для розміщення підкладки. Це призводить до утворення ферменту, який здатний взаємодіяти з невеликою групою подібних субстратів. Подивіться на форму активної ділянки в порівнянні з формою субстрату в B на малюнку нижче. Активна ділянка підлаштовується під розміщення субстрату.

Інгібітори

Інгібітор - це молекула, яка перешкоджає функції ферменту, або уповільнюючи, або зупиняючи хімічну реакцію. Інгібітори можуть працювати різними способами, але один з найпоширеніших проілюстрований на малюнку нижче.

Конкурентний інгібітор конкурентно зв'язується на активному місці і блокує субстрат від зв'язування. Оскільки ніякої реакції з інгібітором не відбувається, фермент не дозволяє каталізувати реакцію.

Неконкурентний інгібітор не зв'язується на активній ділянці. Він прикріплюється в алостеричному місці, який є якимось іншим ділянкою на ферменті, і змінює форму білка. Аллостеричний сайт - це будь-яка ділянка на ферменті, яка не є активною ділянкою. Приєднання неконкурентного інгібітора до аллостеричного сайту призводить до зрушення тривимірної структури, що змінює форму активної ділянки, так що субстрат більше не буде належним чином вписуватися в активну ділянку (див. Малюнок нижче).

Кофактори та коферменти

Деякі ферменти вимагають наявності іншого субстрату в якості молекули «помічника», щоб нормально функціонувати. У цій ролі виступають кофактори і коферменти. Кофакторами є неорганічні види, а коферменти - невеликі органічні молекули. Багато вітамінів, таких як вітаміни групи В, є коферментами. Деякі іони металів, які функціонують як кофактори для різних ферментів, включають цинк, магній, калій та залізо.

Каталітична активність ферментів

Ферменти, як правило, знижують енергію активації, зменшуючи енергію, необхідну для того, щоб реагенти зібралися та реагували. Одним із способів дії ферментів є об'єднання реагентів (субстратів), щоб їм не довелося витрачати енергію, що рухається, поки вони не зіткнуться випадковим чином. Ферменти зв'язують обидві молекули реагентів (субстрати), щільно і конкретно, в місці на активній ділянці ферменту. Ферменти також можуть приносити молекули до активної ділянки, щоб розбити їх. Наприклад, сахароза є ферментом для розщеплення сахарози, яка потрапляє в активну ділянку ферменту і сприяє послабленню взаємодії між фруктозою і глюкозою, що входять до складу сахарози. Сахараза специфічна для розщеплення сахарози, як і більшість ферментів. Активна ділянка специфічна для реагентів біохімічної реакції, яку фермент каталізує. Подібно до частин головоломки, що підходять один до одного, активний сайт може зв'язувати лише певні субстрати. Діяльність ферментів також залежить від температури, концентрації та рН оточуючих.

Концентрація

Як і в більшості реакцій, концентрація реагенту (ів) впливає на швидкість реакції. Це справедливо і в концентрації ферментів. Коли концентрація субстрату або ферменту низька, швидкість реакції буде повільнішою, ніж там, де є більш високі концентрації. Два види повинні взаємодіяти для реакції, і більш високі концентрації одного або обох призведуть до більш ефективної взаємодії між ними.

Однак продовження збільшення концентрації субстрату не завжди збільшить швидкість реакції. Це пов'язано з тим, що в якийсь момент всі ферменти будуть зайняті і недоступні для зв'язування з іншою молекулою субстрату, поки субстрат не утворює молекулу продукту і не звільниться від ферменту.

рН

Деякі ферменти найкраще працюють при кислотних рН, тоді як інші найкраще працюють в нейтральних середовищах. Наприклад, травні ферменти, що виділяються в кислому середовищі (низький рН) шлунка, допомагають розщеплювати білки на більш дрібні молекули. Основним травним ферментом в шлунку є пепсин, який найкраще працює при рН близько 1,5. Ці ферменти не працювали б оптимально при інших рН. Трипсин - ще один фермент в травній системі, який розбиває білкові ланцюги в їжі на більш дрібні частинки. Трипсин працює в тонкому кишечнику, який не є кислим середовищем. Оптимальний рН трипсину становить близько 8.

Різні реакції і різні ферменти дозволять досягти своєї максимальної швидкості при певних значеннях рН. Як показано на малюнку нижче, фермент досягає максимальної швидкості реакції при рН 4. Зверніть увагу, що реакція триватиме при нижчих і вищих значеннях рН, оскільки фермент все ще буде функціонувати при інших значеннях рН, але не буде настільки ефективним. При дуже високих або дуже низьких значеннях рН відбудеться денатурація, оскільки фермент - це просто білок з певною функцією.

Температура

Як і у випадку з рН, реакції також мають ідеальну температуру, де фермент функціонує найбільш ефективно. Він все одно буде функціонувати при більш високих і нижчих температурах, але швидкість буде менше. Для багатьох біологічних реакцій ідеальною температурою є фізіологічні умови, навколо\(37^\text{o} \text{C}\) яких знаходиться нормальна температура тіла. Багато ферменти втрачають функцію при більш низьких і високих температурах. При більш високих температурах форма ферменту погіршується. Тільки коли температура приходить в норму, фермент повертає свою форму і нормальну активність, якщо температура не була настільки високою, що спричинила незворотні пошкодження.

Додаткові ресурси

Ферменти: https://youtu.be/E90D4BmaVJM