Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Ферменты - биологические катализаторы
Факторы, влияющие на действие ферментов

Скорость биохимических реакций, которая определяется по изменению концентрации реагирующих или образовавшихся веществ в единицу вре­мени, зависит от активности ферментов и условий протекания реакции. Каждый фермент имеет свои оптимальные условия проявления активнос­ти. Оптимальными считаются условия, при которых ферментативная ре­акция протекает с максимальной скоростью. На скорость ферментатив­ных реакций влияют: количество фермента; Концентрация субстрата; ак­тивная реакция среды (pH); Температура; присутствие активаторов и ин­гибиторов.

Концентрация фермента и субстрата. Скорость ферментативной реакции увеличивается с увеличением количества фермента при высокой концентрации субстрата (рис. 38, а). В организме в состоянии относи­тельного покоя многие Ферменты не проявляют максимальную актив­ность из-за низкой концентрации их субстратов. При мышечной деятельности усиливается METABOLISM/26.html">Энергетический обмен и накапливаются субстраты многих реакций, что способствует повышению активности многих фер­ментов.

При постоянной концентрации фермента скорость ферментативной реакции повышается с увеличением концентрации субстрата до насыще­ния фермента субстратом, достигает максимальной величины (V_max) и да­лее не увеличивается (рис. 38, б). Каждая ферментативная реакция харак­теризуется константой Михаэлиса (К_m), определяемой как концентрация субстрата, при которой скорость ферментативной реакции составляет по­ловину максимальной. Величины V_max и К_m используют для характеристики каталитической способности ферментов.

Активная реакция среды. Каждый фермент имеет узкий диапазон значений pH, при котором активность его максимальна. Большинство ферментов проявляют максимальную активность в организме при значениях pH, близких к 7,0, т. е. в нейтральной среде (рис. 39). Однако отдельные ферменты проявляют высокую активность в сильно кислой среде, напри­мер Пепсин (pH 2,0), сахараза (pH 4,5), или щелочной среде, например Трипсин (pH 8,0), липаза (pH 9,0), аргиназа (pH 9,7).

Class="center">

Рис. 38 ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СУБСТРАТА на активность ферментов

Рис. 39 Влияние pH на активность ферментов (а); оптимум pH (б) для ферментов пепси­на (1), трипсина (2) и щелочной Фосфатазы (3)

Влияние pH среды на активность ферментов связано с изменением степени ионизации их белковой молекулы под воздействием протонов Н⁺ или гидроксилов (ОН^-), что в первую очередь влияет на структуру актив­ного центра фермента.

В организме человека в состоянии относительного покоя диапазон ко­лебаний pH незначителен и ферменты «работают» в своих оптимальных режимах. При интенсивных физических нагрузках в мышцах накапливается молочная кислота, способная закислять среду и снижать активность многих ферментов.

Температура. При повышении температуры от 0 до 40 °С активность ферментов, как правило, повышается (рис. 40). Температурный коэффи­циент Q₁₀ = 2, что указывает на повышение скорости ферментативной ре­акции в два раза при изменении температуры на 10 °С. Дальнейшее повы­шение температуры до 45—55 °С приводит к резкому снижению активнос­ти ферментов вследствие тепловой денатурации белка. Все ферменты имеют свою оптимальную температуру, при которой активность их макси­мальная (для многих ферментов оптимальной является температура 37—40 °С). Однако имеются и термостабильные ферменты, например миокиназа, активность которой сохраняется при нагревании до 100 °С. При по­нижении температуры активность ферментов снижается. Тем не менее не­обратимая Денатурация их не происходит, так как в условиях оптимальных температур их активность восстанавливается (примером может служить зимняя спячка животных). Это свойство ферментов используется при за­мораживании продуктов, а также органов и генетического материала, ис­пользуемых для трансплантации.

Активаторы и ингибиторы. Для ферментов характерна регуляция их активности специфическими низкомолекулярными веществами и ионами металлов, которые называют эффекторами, модуляторами или регулято­рами ферментов. Одни из них способны снижать активность фермента (ингибиторы), другие — повышать ее (активаторы). Такой механизм кон­троля активности ферментов широко изучается, поскольку имеет большое практическое значение.

В качестве активаторов могут выступать самые разнообразные вещес­тва. Это прежде всего ионы двухвалентных металлов, таких как Mg²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Со²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Са²⁺. Они вызывают обратимое изменение структу­ры активного центра. Так, Карбоангидраза активируется ионами Zn²⁺, креатинкиназа — ионами Мg²⁺; АТФ-аза миозина мышц активируется ионами Са²⁺, для каталитической активности ферментов дыхательной це­пи необходимы ионы Сu²⁺ и Fe²⁺.

Рис. 40 Влияние температуры на активность ферментов

Рис. 41 Схема действия конкурентного ингибитора

Активация некоторых ферментов может осуществляться путем моди­фикации их молекулы и не затрагивать Активный центр фермента. Так, HCl активирует пепсиноген желудочного сока, переводя его из неактивной формы в активную (пепсин). Панкреатическая липаза активируется желч­ными кислотами.

В качестве ингибиторов часто выступают вещества, близкие по стро­ению к субстратам, которые связываются с активным центром фермента. Ингибирование бывает обратимое и необратимое. При обратимом инги­бировании ингибитор легко отделяется от фермента и активность фер­мента восстанавливается. При необратимом ингибировании ингибитор прочно связывается с ферментом и закрывает доступ субстрата к актив­ному центру.

Процесс ингибирования широко используется для коррекции обмен­ных процессов в медицине и других областях деятельности человека. Ле­чебный эффект ряда лекарственных препаратов обусловлен их ингиби­торным действием на отдельные ферменты. Среди ингибиторов, которые обратимо ингибируют ферменты, выделяют конкурентные и неконкурент­ные ингибиторы.

Конкурентные ингибиторы имеют структуру, подобную субстрату, и конкурируют с ним за место связывания в активном центре фермента. Как видно из рис. 41, в случае конкурентного торможения ингибитор (И) присоединяется к ферменту в том же участке, что и субстрат, в резуль­тате чего субстрат уже не может соединиться с ферментом. Конкурент­ное ингибирование обратимо и зависит от концентрации ингибитора и субстрата. При высокой концентрации субстрата такие ингибиторы не­эффективны.

Неконкурентные ингибиторы реагируют не с активным центром фер­мента, а с другой частью его молекулы. Это вызывает изменение структу­ры активного центра, что нарушает процесс катализа. Действие таких ин­гибиторов можно устранить только химическим изменением структуры их молекулы. К неконкурентным ингибиторам относятся ионы тяжелых метал­лов и их органические соединения (ртуть, свинец, мышьяк и многие яды), способные блокировать SH-группы в ферменте и нарушать или полностью подавлять обменные процессы в организме.