БІОХІМІЯ - Підручник - Остапченко Л. І. - 2012
Розділ 7. ЕНЗИМОЛОГІЯ
7.4.Механізм дії ферментів
7.4.1.Енергетичні зміни під час хімічних реакцій
Механізм дії ферментів може розглядатися з двох позицій: як зміни енергетики хімічних реакцій і як події в активному центрі. Будь-які хімічні реакції відбуваються, підпорядковуючись двом основним законам термодинаміки: закону збереження енергії та закону ентропії. Згідно з ними загальна енергія хімічної системи та її оточення залишається постійною, при цьому хімічна система прагне до зменшення впорядкованості (збільшення ентропії). Для розуміння енергетики хімічної реакції недостатньо знати енергетичний баланс початкових і кінцевих реагентів, необхідно враховувати зміни енергії в процесі даної хімічної реакції та роль ферментів у динаміці цього процесу. Розглянемо реакцію розкладу вугільної кислоти:
Вугільна кислота є слабкою; реакція її розкладу відбувається за звичайних умов, якщо її молекули мають енергію, що перевищує певний рівень, який називається енергією активації - Еа (рис. 7.10).
Рис. 7.10. Зміни вільної енергії під час розкладу вугільної кислоти
Енергією активації називають додаткову кількість кінетичної енергії, необхідну молекулам речовини для того, щоб вони вступили в реакцію. Після досягнення цього енергетичного бар'єра в молекулі відбуваються зміни, які викликають перерозподіл хімічних зв'язків і утворення нових сполук. Говорять, що молекули з Еа перебувають у перехідному стані. Різницю енергій між вихідним реагентом Н2СО3 і кінцевими сполуками Н2О і СО2 називають зміною вільної енергії реакції ΔG. Молекули Н2О і СО2 - стабільніші, ніж Н2СО3, тобто їхня енергія менша й за звичайних умов вони практично не реагують. Виділена в результаті цієї реакції енергія розсіюється у вигляді тепла в навколишньому середовищі.
Чим більше молекул мають енергію, що перевищує рівень Еа, тим швидше відбувається перебіг хімічної реакції. Підвищити її швидкість можна нагріванням. При цьому збільшується енергія реагуючих молекул. Але для живих організмів високі температури є згубними, тому в клітині для прискорення хімічних реакцій використовуються ферменти. Вони забезпечують високу швидкість реакцій за оптимальних умов, що існують у клітині, шляхом зниження рівня Еа. Отже, ферменти знижують висоту енергетичного бар'єра, у результаті зростає кількість реакційноздатних молекул, а отже, збільшується швидкість реакції.
У механізмі ферментативного каталізу вирішальне значення має утворення нестійких проміжних сполук - ферментосубстратного комплексу ES, що піддається перетворенню в нестабільний перехідний комплекс ЕР, який практично миттєво розпадається на вільний фермент і продукт реакції.
Біологічні каталізатори (ферменти) не змінюють вільну енергію субстратів і продуктів, а отже, не змінюють рівновагу реакції (рис. 7.11). Фермент, виконуючи функції каталізатора хімічної реакції, підпорядковується загальним законам каталізу й має всі властивості, характерні для небіологічних каталізаторів, однак існують і відмінні властивості, пов'язані з особливостями будови ферментів.
Рис. 7.11. Зміна вільної енергії під час хімічної реакції, що каталізується й не каталізується ферментами:
Еа - енергія активації некаталізованої реакції; Е'а - енергія активації каталізованої ферментом реакції.
Фермент знижує енергію активації Еа, тобто знижує висоту енергетичного бар'єру, в результаті зростає частка реакційноздатних молекул, отже, збільшується швидкість реакції
Схожість ферментів з небіологічними каталізаторами:
✵ ферменти каталізують енергетично можливі реакції;
✵ енергія хімічної системи залишається постійною;
✵ під час каталізу напрямок реакції не змінюється;
✵ ферменти не витрачаються в процесі реакції.
Відмінності ферментів від небіологічних каталізаторів:
✵ швидкість ферментативних реакцій вища, ніж реакцій, що каталізуються небілковими каталізаторами;
✵ ферменти володіють високою специфічністю;
✵ ферментативна реакція відбувається в клітині, тобто за температури 37 °С, постійного атмосферного тиску й фізіологічного значення рН;
✵ швидкість ферментативної реакції може регулюватися.