Энергия активации

Представим себе смесь бензина и кислорода. Реакция между этими двумя веществами с тер­модинамической точки зрения возможна, но она не пойдет без затраты некоторого количества энергии, поступившей, например, в фор­ме простой искры. Так же обстоит дело и со спичкой. Содержащиеся в спичечной головке вещества могут вступить в реакцию, суммар­ным итогом которой будет выделение энергии, но чтобы запустить реакцию, придется сначала затратить небольшое количество энергии (до­статочно тепловой энергии, выделяющейся, когда мы чиркаем спичкой о коробок). Энер­гия, необходимая для того, чтобы заставить ве­щества вступить в реакцию, называется энер­гией активации. Ферменты, действуя как ката­лизаторы, снижают энергию активации (рис.). Они повышают общую скорость ре­акции, не изменяя в сколько-нибудь значи­тельной степени температуру, при которой эта реакция протекает.

Механизм действия ферментов

Ферменты обладают очень высокой специ­фичностью. Фишер (Fischer) в 1890 г. выска­зал предположение, что эта специфичность обусловливается особой формой молекулы фермента, точно соответствующей форме мо­лекулы субстрата (или субстратов). Эту гипо­тезу часто называют гипотезой «ключа и зам­ка»: субстрат сравнивается в ней с «ключом», который точно подходит по форме к «замку», т. е. к ферменту. В схематическом виде это представлено на рис. Часть молекулы фермента, вступающую в контакт с субстра­том, называют активным центром фермента, и именно активный центр фермента имеет осо­бую форму.

Образовавшиеся продукты по форме уже не соответствуют активному центру фермента. Они отделяются от него (поступают в окружающую среду), после чего освободившийся активный центрможет принимать новые молекулы суб­страта.

В 1959 г. Кошланд (Koshland) предложил новую интерпретацию гипотезы «ключа и зам­ка», получившую название гипотезы «индуци­рованного соответствия». На основе данных, позволяющих считать ферменты и их актив­ные центры физически более гибкими, чем это казалось вначале, он заключил, что субстрат, соединяясь с ферментом, вызывает какие-то изменения в структуре его активного центра. Аминокислотные остатки, составляющие ак­тивный центр фермента, принимают опреде­ленную форму, которая дает возможность фер­менту наиболее эффективным образом выполнять свою функцию. Подходящей аналогией в этом случае может служить пер­чатка, которая при надевании на руку соответ­ствующим образом изменяет свою форму.

Скорость ферментативных реакций

Мерой скорости ферментативных реакций слу­жит количество субстрата, подвергшегося пре­вращению в единицу времени, или количество образовавшегося продукта.

Скорость определяют по углу наклона каса­тельной к кривой на начальной стадии (а на рис.) реакции. Чем круче наклон, тем больше скорость. Со временем скорость реакции обыч­но снижается, по большей части в результате снижения концентрации субстрата (см. след. разд.).

Концентрация фермента

При высокой концентрации субстрата и при по­стоянстве других факторов, таких, например, как температура и рН, скорость ферментативной реакции пропорциональна концентрации фер­мента Катализ осуществляется всегда в условиях, когда концентрация фермента гораздо ниже концентрации субстрата. Поэтому с возра­станием концентрации фермента растет и ско­рость ферментативной реакции.

Температура

С повышением температуры ускоряется движе­ние молекул, вследствие чего у молекул субстра­та и фермента оказывается больше шансов стол­кнуться друг с другом. В результате увеличивает­ся и вероятность того, что реакция произойдет. Температура, обеспечивающая максимальную активность, называется оптимальной температу­рой. Если температура поднимается выше этого уровня, скорость ферментативной реакции сни­жается, несмотря на увеличение частоты столк­новений. Происходит это вследствие разруше­ния вторичной и третичной структур фермента, иными словами, вследствие того, что фермент претерпевает денатурацию (рис.). Молекула фермента развертывается и его активный центр постепенно утрачивает присущую ему форму. Наиболее чувствительны к воздействию высо­кой температуры водородные связи и гидрофоб­ные взаимодействия.

Температурный оптимум для большинства ферментов млекопитающих лежит в пределах 37—40 °С. Существуют, однако, ферменты с бо­лее высоким температурным оптимумом; у бак­терий, живущих в горячих источниках, он может, например, превышать 70^оС. Именно такие ферменты используются в качестве добавок к сти­ральным порошкам для стирки в горячей воде. Когда температура приближается к точке замер­зания или оказывается ниже ее, ферменты инактивируются, но денатурации при этом не проис­ходит. С повышением температуры их каталити­ческая активность вновь восстанавливается.

рН

При постоянной температуре любой фермент, как правило, работает наиболее эффективно в узких пределах рН. Оптимальным считается то значение рН, при котором реакция протекает с максимальной скоростью. При более высоких и более низких рН актив­ность фермента снижается. Сдвиг рН меняет заряд ионизированных кислот­ных и основных групп, что ведет к разрушению ионных связей, участвующих в поддержании специфичной формы молекул фермента. В результате изменяется форма молекул фермента - и в первую очередь форма его активного центра. При слишком резких сдвигах рН фер­мент денатурирует.