Загальна характеристика ферментів
I. Ферменти біологічні каталізатори білкової природи, здатні в багато разів прискорювати хімічні реакції, що протікають в організмі, але самі не входять до складу кінцевих продуктів реакції.
Речовини, на яке діє фермент, називають субстратами.
Все різноманіття біохімічних реакцій, що протікають в мікроорганізмах, рослинах і тваринах каталізується відповідними ферментами. Велика роль ферментів в технології харчових продуктів. В основі виробництва будь-якого харчового продукту лежать або біохімічні (ферментативні), або фізико-хімічні процеси, які ці процеси взаємопов'язані.
На відміну від неорганічних каталізаторів ферменти мають свої особливості:
Ø Швидкість ферментативного каталізу на кілька порядків вище (від 10 3 до 10 9), чому не біологічного каталізатора;
Ø дію кожного ферменту високоспецифічно, тобто кожен фермент діє тільки на свій субстрат або групу споріднених субстратів;
Ø ферменти каталізують хімічні реакції в м'яких умовах, тобто при нормальному тиску, високій температурі (20-50 ° С) і при значеннях рН середовища, в більшості випадків близьких до нейтральної.
З точки зору локалізації ферментів в клітці їх підрозділяють на позаклітинні і внутрішньоклітинні.
Позаклітинні ферменти виділяються живою клітиною в зовнішнє середовище, внутрішньоклітинні - знаходяться або в клітинних органелах, або в комплексі з надмолекулярними структурами.
Особливу групу ферментів складають поліферментні комплекси, до складу яких входить ряд ферментів, які каталізують послідовні реакції перетворення будь-якого субстрату. Ці комплекси локалізовані у внутрішньо молекулярних структурах таким чином, що кожен фермент розташовується в безпосередній близькості від ферменту, що каталізує реакцію в ланцюзі даної послідовності реакцій. Завдяки такому розташуванню ферментів процес дифузії субстрату та продуктів реакції зводиться до мінімуму.
II. Ферменти - високомолекулярні білкові сполуки.
Як і інші білки, ферменти мають 4 рівня структури, їм притаманні всі фізико-хімічні властивості білків, і лише одна відмінна риса - здатність прискорювати хімічні реакції. Ферменти можуть бути простими - однокомпонентними і складними двокомпонентними.
Однокомпонентні ферменти - побудовані з поліпептидних ланцюгів і при гідролізі розпадаються тільки до амінокислот.
Двокомпонентні ферменти - складаються з білкової частини - апоформента і небілкової частини - кофактора. Обидва компоненти окремо позбавлені ферментативної активності. Тільки об'єднавшись разом (холоферменту) вони набувають властивостей, характерні для биокатализаторов. Роль кофактора може виконувати будь-якої іон (Zn 2+. Mg 2+. Fe 2+. Cu 2+. Рідше K + і Na +) або органічна сполука (вітаміни, нуклеотиди). Кофактори органічної природи називаються коферментами.
Тип зв'язку між кофактором і апоферментом може бути різним. У деяких випадках вони існують окремо і зв'язуються тільки під час протікання реакції; в інших випадках кофактор і апофермент пов'язані постійно, іноді міцними, ковалентними зв'язками.
Активний центр ферментів це локальний ділянку молекули ферменту, який бере участь в акті каталізу. В однокомпонентних ферментахактівний центр утворюється в результаті певної орієнтації амінокислотних залишків поліпептидного ланцюга. Зазвичай в його формуванні бере участь невелика кількість амінокислот, в межах 12-16. Функціональні групи цих амінокислот можуть належати ланкам поліпептидного ланцюга, віддаленим один від одного. Їх зближення пов'язано з формуванням третинної структури ферменти.
У двокомпонентних ферментах активний центр являє собою комплекс кофактора і деяких прилеглих до нього амінокислотних залишків.
В активному центрі розрізняють контактний (якірний) ділянку, функція якого - пов'язувати субстрат, і каталітичний - де відбувається перетворення субстрату в продукти реакції після його зв'язування контактним ділянкою. У формуванні цих ділянок приймають участь наступні функціональні групи: СООН-групи дикарбонових амінокислот або кінцеві групи поліпептидного ланцюга; імідазольна група гістидину; ОН-група серину; NH2 - група лізин і кінцеві групи поліпептидного ланцюга; фенольна група тирозину і гідрофобні залишки аліфатичних амінокислот.
III. Швидкість будь-якої ферментативної реакції визначається енергетичним бар'єром. який необхідно подолати реагує молекулам. За Арреніус, хімічна реакція з точки зору енергетики процесу описується рівнянням
де N - число активних молекул; N0 - загальне число реагуючих молекул; е - основа натурального логарифма; R - газова постійна; T - абсолютна температура; Еакт - енергія активації.
Найважливіша функція ферменту - зниження енергії активації катализируемого про-цес-са. На рис. 1 представлений графік зміни енергії не-ферментативної (1) і ферментативної (2) реакцій. Фермент знижує висоту енер-ти-чеського бар'єру (Еакт <Е¢акт ).
Механізм фермен-татів-ного каталізу багато в чому залишається поки ще не з'ясованим. Однак більшу роль в створенні ферментативної кінетики зіграли роботи М. Міхаеліса і М. Ментен, в яких було розвинене уявлення про фермент-субстратном комплексі. Утворення цього комплексу і веде до зниження енергії активації реакції.
Процес ферментативного каталізу можна умовно поділити на три стадії:
1. стерическое зв'язування субстрату S з активним центром фер-мента Е (освіта фермент-субстратного комплексу ЕS).
2. Перетворення первинного комплексу ЕS в активоване
перехідний комплекс ЕS ≠.
3. Відділення кінцевого продукту Р реакції від ферменту.
Перша стадія нетривала за часом і залежить від концентрації субстрату і ферменту в середовищі, від швидкості дифузії субстрату до активного центру ферменту. В освіті комплексу ЕS можуть навчаючи-відати в різних поєднаннях як ковалентні, координаційні, іонні зв'язку, так і менш міцні форми зв'язків - електростатичне тяжіння полярних груп, ван-дер-ваальсові сили зчеплення між неполярними ділянками молекул, водневі зв'язку. Характер цих зв'язків обумовлений хімічними особливостями і субстрату, і функціональних груп, що входять в активний центр.
Друга стадія є, власне, актом каталізу, тобто актом розриву або утворення в субстраті нових зв'язків; вона найбільш повільна і лімітує швидкість протікання хімічної реакції. На цій стадії і відбувається зниження енергії активації ферментативної реакції, за рахунок утворення активного перехідного комплексу ЕS ≠.
На молекулярному рівні більш чітке уявлення про механізм дії ферментів дає теорія кислотно-основного каталізу. Будь-яка реакція, що йде з розривом ковалентних зв'язків, передбачає участь двох протилежних за характером електронних компонен-тів. Електрони розривається зв'язку повинні відтягатися до електро-профільними компоненту і йти від нуклеофильного. Реагенти, кото-які могли б зумовити таку електронну перебудову - це кислота і підставу. Однак в одному і тому ж розчині створити одночасним-аме високі концентрації обох компонентів неможливо, посколь-ку вони нейтралізують один одного. У білковій молекулі ферменту бла-цію закріпленню на каталітичної майданчику електрофільних і нуклеофільних груп не відбувається прямий реакції нейтралізації. Це, власне, і визначає акт каталізу. Перебуваючи на певній відстані один від одного, електрофільні та нуклеофільниє групи каталітичного ділянки ферменту не тільки зв'язуються з реаг-рующими групами субстрату, але і роблять сильний поляризующее дію на групи субстрату. До цього слід додати можливість флуктуації зарядів в комплексі ЕS, яка створює високий ступінь ефективності даної поляризації. Це і є причиною зниження величини енергії активації при ферментативному каталізі.
Відповідно до теорії ковалентного каталізу деякі фер-менти взаємодіють зі своїми субстратами, утворюючи нестабільні, ковалентно пов'язані фермент-субстратні комплекси. З цих комп-лексов в ході подальшої реакції утворюються продукти реакції, при-чим значно швидше, ніж у випадку некаталізіруемих реакцій.
Таким чином, третя стадія, що завершується утворенням продуктів реакції, забезпечується процесами, що протікають на пре-дидущей стадіях.