Изменение действия ферментов в зависимости от условий среды

Влияние температуры. скорость всех химиче­ских реакций при повышении температуры возрастает. усиливаются и процессы жизнедеятельности растений.

Температурный оптимум большинства раститель­ных ферментов 40—60 °С, а животных — 40—50 °С. При более высоких температурах активность ферментов резко понижается, и почти все они необратимо разрушаются при 70—80 °С. Тепло­вая инактивация ферментов происходит вследствие денатурации белка при высокой температуре.

Влияние реакции среды. Второй важнейший фактор, от ко­торого зависит активность ферментов, - рН среды. Исследования показали, что такое влияние рН объясняется прежде всего непосредственным действием концентрации водо­родных ионов на свойства каталитического центра, определяю­щие образование фермент-субстратного комплекса. Кроме это­го, концентрация водородных ионов оказывает влияние на сте­пень ионизации субстрата и молекулы ферментного белка.

Концентрации субстрата и фермента. Константа Мйхаэлиса. Скорость ферментативной реакции в сильной степени зависит от концентрации субстрата в среде. При низкой концентрации субстрата скорость реакции возрастает пропорционально ее рос­ту. Однако по мере увеличения количества субстрата в среде эта пропорциональность нарушается, наступает насыщение фермента субстратом. Скорость реакции достигает постоянного уровня и в дальнейшем уже не зависит от концентрации субстрата; с этого момента фактором, лимитирующим скорость Ферментативной реакции, уже является концентрация фермента. Изучение влияния концентрации субстрата на скорость фер­ментативных реакций позволило Л. Михаэлису сформулировать теорию ферментативной кинетики. Одним из основных выво­дов этой теории является установление так называемой констан­ты Михаэлиса, характеризующей сродство фермента к субстра­ту. Зависимость скорости реакции (υ), катализируемой фермен­том, от концентрации субстрата [S]выражается уравнением

где V — максимальная скорость реакции при высоких концентрациях субстрата, К — константа Мйхаэлиса.

Из приведенного уравнения следует, что если υ= V/2 то

K_m=S, т. е. константа Мйхаэлиса равна концентрации субстра­та, при которой скорость ферментативной реакции составляет половину от максимальной.

Константа Мйхаэлиса обычно выражается в молях на литр (М/л) и может быть представлена графически. Более низкие значения К_т означают, что фер­ментативный катализ происходит более интенсивно.

Скорость ферментативных реакций зависит от количества фермента в среде, когда субстрата в среде достаточно. В этом случае скорость ферментативной реакции возрастает пропор­ционально увеличению количества фермента. Однако при низкой концентрации субстрата увеличение количества фермента не приводит к повышению скорости реакции.

Активаторы ферментов.Активность ферментов в сильной сте­пени зависит от содержания в реакционной среде различных дополнительных ионов или соединений. Вещества, увеличивающие каталитическую активность ферментов, получили название активаторов.

Роль активаторов ферментов часто выполняют ионы различных металлов: К+ Са²+, Mg²+ Z(n²+ Fe²+ Cu²+, Mn²+, Co²+ „ др. Активация фермента может осуществляться одним или не­сколькими видами ионов. ²⁺. Для проявления максимальной активности ферментов тре­буется определенная концентрация ионов-активаторов в среде.

Усиление активности ферментов под действием ионов ме­таллов объясняется прежде всего тем, что многие ферменты содержат тот или иной металл в своей молекуле и представля­ют собой так называемые металлоферменты. Если путем диали­за или какими-либо другими способами удалить металл из молекулы фермента и реакционной среды, действие фермента полностью прекращается.

Активаторами ферментов могут быть и другие вещества. Так, активность амилазы повышается в присутствии ионов йода, брома и хлора; протеолитические ферменты, катализирую­щие расщепление белков, становятся более активными при на­личии в среде HCN, H₂S и веществ, содержащих сульфгидриль-ные SH-группы. Таким образом, для проявления максимальной активности каждого фермента в среде должны находиться определенные ионы или вещества в необходимой концентра­ции.

Как видно из приведенных примеров, роль многих макро- и особенно микроэлементов в жизнедеятельности растений сво­дится к тому, что они являются активаторами ферментативных процессов. При недостаточном снабжении растений отдельными элементами питания снижается активность или полностью прекращается действие ферментов, и в результате нарушаются процессы обмена веществ. Поскольку элементы питания расте­ний регулируют ферментативные процессы, их изучение как активаторов ферментов выходит за рамки ферментологии и имеет уже общебиологическое значение.

Ингибиторы ферментов. Существуют вещества, подавляю­щие действие ферментов. Они получили название ингибиторов ферментов.

Если подавить деятельность какого-либо одного фермента или группы ферментов, то ослабляется или прекращается тече­ние одного или нескольких биохимических процессов, происхо­дят серьезные нарушения в обмене веществ и даже гибель организма.

Ферментативные ингибиторы можно разделить на два клас­са: ингибиторы общие и специфические. К общим относят соли тяжелых металлов — свинца, серебра, ртути, вольфрама, трихлоруксусную кислоту или танин, которые денатурируют бел­ки и, следовательно, подавляют действие всех ферментов.

Наибольшее значение имеют специфические ингибиторы, ко­торые находят широкое практическое применение. Они дейст­вуют только на одну ферментативную реакцию или группу близких реакций. Специфические ингибиторы разделяют на конкурентные и неконкурентные.

Конкурентное ингибирование происходит тогда, когда ингибитор близок по своей конфигура­ции к специфическому субстрату данного фермента. Присоединяясь к активному центру фермента, он препятствует образова­нию комплекса фермент — субстрат, вследствие чего часть молекул фермента переходит в неактивное состояние, и скорость ферментативной реакции замедляется. При высокой концентра­ции ингибитора связывается весь фермент, и реакция прекращается.

Неконкурентное ингибирование, как правило, необратимо. Примером его может служить действие синильной кислоты на Ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, активные лишь в присутствии ионов Fe ²⁺ или Fe³⁺. Такие ферменты ингибируются синильной кислотой вследствие образования комплексов CN^- с железом. Синильная кислота ингибирует также ферменты, содержащие медь, например полифенолоксидазу. При этом она образует прочное соединение с металлом, входящим в состав фермента, вследствие этого ингибируются окислительно-восстановительные процессы, подавляется дыхание и наступает гибель клетки.

Происходит присоединение субстрата к активной части молекулы фермента, образуется комплекс фер­мент—субстрат, который при распаде дает два продукта ре­акции, а фермент освобождается в неизмененном состоянии. Если же вместо субстрата с активной частью фермента реаги­рует ингибитор, близкий по своей структуре к субстрату, он блокирует часть активного центра фермента, образуется неак­тивный комплекс фермент —ингибитор, и фермент теряет свою каталитическую активность. Присутствие в среде одновремен­но ингибитора и субстрата приводит к тому, что между ними происходит конкуренция за активный центр фермента, в этом случае скорость ферментативной реакции будет зависеть не только от концентрации ингибитора, но и субстрата.

Специфичность ферментов. Ферменты отличаются от неорга­нических катализаторов высокой специфичностью, т. е. дейст­вие каждого из них строго ограничено одним или группой близ­ких веществ. Решающее влияние на специфичность действия ферментов оказывает определенная конфигурация активной части молекулы фермента.

Под действием кислот (ионов Н+) происходит гидролиз многих органических веществ, например жиров, белков, крах­мала, дисахаридов; при помощи губчатой платины катализиру­ются разнообразные окислительные процессы; другие неорга­нические катализаторы также ускоряют разнообразные химиче­ские реакции. В отличие от них действие ферментов более спе­цифично. Если бы ферменты не обладали специфичностью, это привело бы к распаду веществ в клетках и гибели организма.

Различают абсолютную специфичность, когда каждый фер­мент действует на определенное химическое вещество (уреаза катализирует гидролитическое расщепление толь­ко мочевины, но практически не участвует в реакциях разложе­ния ее производных; фермент каталаза катализирует распад только перекиси водорода и не ускоряет подобные реакции других перекисей).

Групповая специфичность ферментов заключается в том, что фермент катализирует расщепление определенных химических сязей в близких по строению группах веществ (липазы катализируют гидролитический распад различных сложных эфиров глицерина, пепсин расщепляет белки). Характерное свойство ферментов — их стереохимическая спе­цифичность. Это означает, что ферменты, как правило, дейст­вуют только на определенные стереоизомеры органических соединений.

Единицы активности ферментов. Действие ферментов зави­сит от их каталитической активности, которую обычно опреде­ляют по количеству прореагировавшего субстрата или накопле­нию продуктов данной реакции. За единицу каталитической активности любого фермента принимается катал (кат), т. е. каталитическая активность — способность катализировать пре­вращение одного моля субстрата за одну секунду при опти­мальных условиях в заданной системе измерения активности. Необходимо отметить, что каталитическая активность, равная 1 кат, — довольно большая величина, поэтому для практиче­ского применения используют более мелкие единицы — микро-катал (мк-кат), нанокатал (н-кат) или пикокатал (п-кат), им соответствуют скорости реакций, выраженные в микромолях, наномолях и пикомолях в секунду.

Активности ферментов рекомендуют определять по началь­ной скорости реакции, а не по количеству превращенного к концу определенного периода времени субстрата, так как при большой продолжительности реакции скорость ее может посте­пенно снижаться вследствие накопления определенного коли­чества конечных продуктов, тормозящих реакцию, и одновременно значительного снижения концентрации прореагировавшего субстрата.

Для оценки активности определенных ферментных препараов пользуются понятиями удельной и молярной активности. Удельная каталитическая активность фермента выражается в каталах на 1 кг (кат·кг-¹) и используется в качестве критерия чистоты ферментативного препарата. Молярная или молекулярная каталитическая активность, выражаемая в каталах на 1 моль фермента (кат-моль-¹), представляет собой число мо­лекул субстрата, превращаемых за 1 с одной молекулой фер­мента.