Фізико-хімічні властивості білків 4 страница

Загальний вигляд кривої, яка характеризує вплив температури па активність ферменту, показано на рис. 54. При порівняно низькій температурі нагрівання помітно прискорює активність ферменту, а при тривалому нагріванні вудбувається його денатурація, і швидкість реакції різко зменшується. При температурі 91 —100 °С ферменти майже повністю втрачають свою каталітичну активність.

Стійкість ферментів до нагрівання часто залежить від того, в яких умовах воно проводиться: яка кислотність середовища, які солі і в якій кількості містяться в розчині, яка ступінь очистки ферменту і т. д. Багато також залежить і від хімічної природи самого ферменту. ГІроте є ряд ферментів (рибонуклеаза, трипсин, міокіназа та деякі інші), які відзначаються високою термостійкістю. Вони мало інакти-вуються навіть при 60—80 °С. Інші ферменти, навпаки, руйнуються навіть при короткочасному нагріванні їх до 40—50

Температура, при якій фермент має максима льну активність, називається оптимальною температурою ферменіЩт^Хд я більшості ферментів, виділених з організму людини і тварин, оптимальна температура коливається від 37 до 45 °С.

При зниженні температури, порівняно з оптимальною, активність ферментів зменшується, а'при температурі нижче нуля вона повністю втрачається, проте (на відміну від високої температури) за цих умов їх структура не руйнується. Тому при підвищенні температури ферменти повністю відновлюють свою активність.

Таблиця 15. Оптимальні значення рН длч деяких ферментів (за Т. Т. Березовим і Б. Ф. Коровкіним)

 

Фермент

рН

Фермент

pll

Пепсин 1,5—2,5 Кагалаза 0,8—7,0

Катепснн В 4,5—5,0 Уреаза 7,0—7,2

Амілаза із солоду 4,9—5,2 Панкреатична ліпаза 7,0—8,5

Сахароза кишкова 5,8—0,2 Трипсин 7,5—8,5

Амілаза слини, 0,8—7,0 Лргіназа 9,5—10,0

Вплив рН середовища на активність ферментів. Активність ферментів досить чутлива до кислотності середовища. Більшість ферментів організму людини і тварин найбільш активна, тобто виявляє оптимальну активність у досить вузьких межах концентрації водневих іонів (рН). Для кожного ферменту характерний свій рН, при якому активність його максимальна (табл. 15).

Зниження або підвищення рН відносно оптимального зумовлює зниження активності ферменту (рис. 55).

Вважають, що вплив концентрації водневих іонів на активність ферментів пов'язаний насамперед з їх дією на активні центри ферментів. Залежно від рН середовища активний центр ферменту може бути в різній мірі іонізований, що впливає на формування активного фермент-субстратного комплексу. Разом з цим концентрація водневих іонів у середовищі впливає на іонізацію субстрату і кофакторів, що також має значення для каталітичної дії ферменту.

Специфічність дії ферментів. На відміну від каталізаторів небіо-логічного походження, для ф?рментів характерна їх висока специфічність. Вона зумовлена конформаційною та електростатичною ком-плементарністю між молекулами ферменту і субстрату та структурою активного центру ферменту, який забезпечує високу спорідненість ферменту до відповідного субстрату.

Під специфічністю дії ферментів розуміють відповідну спрямованість їх впливу на певний субстрат, групу субстратів, близьких за своїми властивостями, або певний тип зв'язку. Залежно від цього розрізняють абсолютну, відносну і просторову (стереоізомерну) специфічність ферментів.

Абсолютна специфічність. Ферменти, які каталізують лише одну реакцію і діють на один точно визначений субстрат, мають абсолютну специфічність. Прикладом абсолютної специфічності є дія ферменту уреази (карбамід-амідогідролази), яка каталізує гідролітичне розщеплення сечовини на С0₂ і NH₈:

_/NH₂ С=0 -!- Н₂0 -► 2NH₃ -f- C0₂. ⁴NH₂

Довгий час вважали, що сечовина є єдиним субстратом уреази. Однак зовсім недавно було доказано, що кристалічна уреаза може діяти також па окремі сполуки — похідні сечовини, зокрема на ок-сисечовнну:

Правда, реакція гідролізу оксисечовини уреазою, порівняно з сечовиною, відбувається більше ніж в 100 разів повільніше.

Другим прикладом ферменту з високою специфічністю є глюкозооксидаза. Вона окислює лише jJ-D-глкжозу. При цьому утворюється глюконова кислота. Дослідження великої кількості сполук, близьких за будовою до P-D-глюкози, свідчить про те, що глюкозооксидаза діяла лише на один із них з незначною швидкістю.

Отже, ферменти, навіть із чітко вираженою специфічністю, діють не на один субстрат, як вважали раніше, а на два-три субстрати, які дуже близькі за своєю будовою, тобто поняття «абсолютна специфічність» до певної міри є умовним.

Групова специфічність характерна для ферментів, які діють на різні субстрати, що мають однаковий тип зв'язку. Іншими словами, групова специфічність — це специфічність ферменту по відношенню до певного типу реакцій. До ферментів з груповою специфічністю належать естерази, які каталізують гідролітичне розщеплення зв'язку складиоефірного типу:

Таблиця 16. Катіони металів, які активують деякі ферменти (за Т. Т. Березовим і Б. Ф. Коровкіпим)

 

Фермент	Катіпн металу	Фермент	Катіон металу
Цнтохроми	Fe2+	Амілаза	Са
Каталаза	Fe2+	Ліпаза	Са2-
Пероксидаза	Fe2+	Карбоангідраза	*п2+
Триптофаноксидача	Fe2-	Лактатдегідрогеназа	Zn2+
Аскорбатоксидаза	Ы+	Уриказа	Zn2+
Тирозиназа	Cu2+	Карбоксипептидаза	Zn2+
Фенолоксидаза	Cu2+	Пептидази	Mg2+
Ксантиноксидаза	Mo2+	Фосфатази	Mg2+
Нітратредуктаза	Mb2"4-	Фосфоглюкокіназа	м?+
Альдегідроксидаза	Mo2+	Фосфоглюкомутаза	Міг"
Псптидази	Co2+	Холінестераза	Мп2+

До другої групи ферментів з даним видом специфічності належать ферменти травного каналу — пепсин, трипсин, хімотрипснн і ряд інших, які розщеплюють пеитидні зв'язки у білках і пептидах різного складу і будови.

Стереоізомер н а (просторова) специфічність ферментів виявляється тоді, коли вони діють на оптично активні сполуки, або сполуки, для яких характерна цис- і яцш/іс-Ізомерія. Це такі ферменти, які каталізують окислення тільки /.-амінокислот або тільки D-амінокислот. їх так і називають: оксидази /.-амінокислот і оксидази D-'амінокислот. Просторова специфічність характерна і для ферменту p-D-глюкозоокепдази. £она каталізує окислення лише р-Л-глюкози і не діє на її стереоізомер.

Ферменти виявляють специфічність не тільки до D- і L-, а й до цис- і транс -ізомерів. Наприклад, фумаратгідратаза діє тільки на m/мшс-ізомерфумарову кислоту:

і зовсім не діє на цис- ізомер-малеїнову кислоту, для якої характерне зовсім інше просторове розміщення замісників.

Активатори і інгібітори ферментів. Активність ферментів часто змінюється під дією різних хімічних сполук, що знаходяться в середовищі. Речовини, які підвищують активність ферментів, називаються активаторами, а ті, що знижують їх активність,— інгібіторами.

Активаторами є різні сполуки — мінеральні солі і кислоти, органічні речовини, ферменти, іони металів і т. д. Наприклад, соляна кислота активує дію пепсину, жовчні кислоти — панкреатичну ліпазу, а сполуки, які містять вільні сульфгідрильні групи (цистеїн, глутатіон), активують аргіиазу та окремі оксидоредуктази. За участю ферменту кишкової ентерокінази відбувається перетворення трипсииогену на активний трипсин. Останній, в свою чергу, каталізує перетворення хімотрипсиногену на хімотрипснн, для якого характерна уже каталітична активність.

Роль активаторів часто виконують катіони металів (табл. 16) та деякі аніони, наприклад хлору. Вплив катіонів металів на активність ферментів зумовлений тим, що вони можуть виступати як складові компоненти активного центру ферментів, сприяти утворенню фермент-субстратних комплексів і т. д. Отже, цілий ряд катіонів металів є необхідною складовою частиною ферментів для нормального їх функціонування.

І н г і б і т о р и викликають гальмування ферментативних процесів. Гальмування може бути оборотним і необоротним. При оборотному гальмуванні інгібітор утворює з ферментом слабкий комплекс, який має здатність розпадатися, в результаті чого фермент вивільняється і набуває знову каталітичну активність. Такий інгібітор можна виділити із середовища за допомогою діалізу або інтим способом. Необоротне гальмування характеризується тим, що інгібітор міцно зв'язується з ферментом, а комплекс, який утворився за цих умов, не розкладається. Отже, відбувається поступове зв'язування ферменту і вилучення його (як біологічного каталізатора} із середовища.

Механізм дії інгібіторів досить різний, проте в більшості випадків він зводиться до двох типів гальмування — конкурентного і неконкурентного. При конкурентному гальмуванні інгібітор має структуру, подібну до субстрату. Тому між ними виникає конкуренція за взаємодію з ферментом (рис. 56). Оскільки інгібітор є структурним аналогам, то він зв'язується з активним центром ферменту і кількість утворюваного фермент-субстратного комплексу зменшується, тобто знижується і ферментативна активність. Однак дане гальмування є оборотним, оскільки при видаленні і н г і б і то р а здатність ферменту взаємодіяти з субстратом відновлюється.

Між субстратом і інгібітором є певне кількісне співвідношення. Якщо концентрація інгібітора більша за концентрацію субсі (І > S), то інгібітор, зв'язуючись з ферментом, виключає його з відповідної реакції, і субстрат не розщеплюється (рис. 56, а). Якщо має місце зворотне явище, тобто концентрація субстрату більша, ніж концентрація інгібітора (S > І), то з ферментом зв'язуватиметься субстрат, який буде розкладатися з утворенням продуктів реакції — Р, і Р₂ (рис. 56, б). Отже, дія конкурентних інгібіторів може бути послаблена або зовсім усунута при підвищенні концентрації субстрату

в середовищі. Прикладом такого гальмування може бути дія діізо-иропілфторфосфату на холінестеразу, який за своєю структурою подібний до ацетилхоліну:

Тому він легко приєднується до ферменту і блокує активний центр. При неконкурентному гальмуванні інгібітор взаємодіє з важливими функціональними групами ферменту, які розміщені в більшості випадків на ділянці алостеричного центру ферменту; Це призводить до зміни структури активного центру і субстрат не може з ним з'єднуватися, тобто фермент інактивується (рис. 57). Такий тип гальмування каталітичної активності ферментів називається ще алосте-ричним.