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 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).

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.