ВЛИЯНИЕ ДРУГИХ ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ.

Присутствие в  реакционной среде некоторых  ионов может активировать образование  активного субстрат ферментного  комплекса, и в этом случае скорость ферментативной реакции будет увеличивается. Такие вещества получили название активаторов. При этом вещества, катализирующие ферментативные реакции, непосредственного участия в них не принимают. На активность одних ферментов существенно влияет концентрация солей в системе, другие ферменты не чувствительны к присутствию ионов. Однако некоторые ионы абсолютно необходимы для нормального функционирования некоторых ферментов. Известны ионы, которые тормозят активность одних ферментов и являются активаторами для других. К числу специфических активаторов относятся катионы металлов: Na+, K+,Rb+,Cs+,Mg2+, Ca2+,Zn2+,Cd2+,Cr2+,Cu2+,

Mn2+,Co2+,Ni2+,Al3+. Известно также, что катионы

Fe2+,Rb+,Cs+ только в присутствии Mg действуют как активаторы, в других случаях эти катионы не являются активаторами. В большинстве случаев один или два иона могут активировать тот или иной фермент. « Например, Mg2+- обычный активатор для многих ферментов, действующий на фосфоримированные субстраты, почти во всех случаях может быть заменён Mn2+, хотя другие металлы его заменить не могут. Следует заметить, что щелочноземельные металлы вообще конкурируют друг с другом, в частности, Са2+ подавляет активность многих ферментов, активируемых Mg2+ и Zn2+. Причина этого до настоящего времени не ясна» (Г. А. Смирнова Основы биологии). Механизм влияния ионов металлов- активаторов может быть различным. Прежде всего, металл может быть компонентом активного центра фермента. Но может действовать как связующий мостик между ферментом и субстратом удерживая субстрат у активного центра фермента. Имеются данные о том, что ионы металлов способны связывать органическое соединение с белками и, наконец, один из возможных механизмов действия металлов как активаторов- это изменение константы равновесия ферментативной реакции. Доказано, что анионы также влияют на активность ряда ферментов. Например, очень велико влияние СI- на активность А - амилазы животного происхождения. Наряду с

существованием  активаторов ферментов известен ряд веществ, присутствие которых тормозит каталитическое действие ферментов или полностью инактивирует его. Такие вещества принято называть ингибиторами. Ингибиторы – это вещества, действующие определённым химическим путём на ферменты и по характеру своего действия, могут быть подразделены на обратимые и необратимые ингибиторы. Для обратимого торможения Характерно равновесие между ферментом и ингибитором с определённой константой равновесия. Система такого типа характеризуется определённой степенью торможения, зависящей от концентрации ингибитора, при этом торможение достигается быстро и после этого не зависит от времени. При удалении ингибитора с помощью диализа активность фермента восстанавливается. Необратимое торможение, прежде всего, выражается в том, что диализ не способствует восстановлению активности фермента. И в отличии от обратимого торможения усиливается со временем, так что может наступить полное торможение каталитической активности фермента при очень низкой концентрации ингибитора. В этом случае эффективность действия ингибитора зависит не от константы равновесия, а от константы скорости, определяющей долю фермента, подвергшегося торможению в данном случае.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ.                                                  Температура – один из важнейших факторов внешней среды, который независимо от состояния равновесия реакции меняет её скорость. Поэтому при ферментативных реакциях при повышении температуры на 10 С процесс ускоряется в 1,5 – 2 раза. При дальнейшем повышении температуры присоединяются денатурационные процессы, характерные для всех белков и в то м числе для ферментов, поэтому наблюдается затухание скорости реакции (Смотри приложение 3). Температурным оптимумом реакции называют температуру, при которой одно её действие вызывает ускорение реакции, катализируемой данным ферментом. Для большинства ферментов животного происхождения он равен 40 – 50 С, для растительного происхождения он равен 50 – 60 С. Почти все ферменты разрушаются при температуре 80 С. Но для некоторых ферментов в настоящее время доказана возможность восстановления их каталитической активности в случае обратимого процесса денатурации белка. Известны и такие ферменты, максимальная активность которых проявляется при более низких температурах. «Например, каталаза, температурный оптимум которой лежит в пределах между 0-10С» (Г. А. Смирнова Основы биохимии). Понижение температуры снижает скорость ферментативных реакций. Большинство ферментов при 0 С ещё не утрачивают своих каталитических свойств, но при замораживании химические реакции прекращаются. При последующем оттаивании, если соблюдается определённые условия, ферментативная активность клеток может быть восстановлена.

ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ.                                                                    При изучении действия давления на скорость ферментативных реакций необходимо, прежде всего, учитывать, как и при изучении других факторов, возможность денатурации ферментов при высоком давлении. Если константа скорости ферментативной реакции растёт с повышением давления, то образование активного комплекса происходит с уменьшением объёма и наоборот, если при увеличении давления образование активного комплекса сопровождается увеличением объёма, то константа скорости реакции снижается. 

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ФЕРМЕНТА И ЕГО СУБСТРАТА.

Скорость любого ферментативного процесса в значительной степени зависит от концентрации, как субстрата, так и  фермента. Обычно скорость реакции прямо пропорциональна количеству фермента, при условии если содержание субстрата в в пределах оптимума или немного выше. При постоянном количестве фермента скорость возрастает с увеличением концентрации субстрата. Эта реакция подчинена закону действующих масс и рассматривается в свете теории Михаэлиса – Ментона, то есть

                          V=K(F)      V- скорость реакции

                                             K- константа скорости

                                             F- концентрация фермента

(Смотри приложение 4).

На графике  показано соотношение скорости реакции  и концентрации субстрата. В восходящей части гиперболы при низких концентрациях субстрата скорость реакции пропорциональна концентрации субстрата. В верхней части, когда концентрация субстрата высока, скорость реакции приближается к максимальному значению и почти не зависит от концентрации. Первое объяснение этой кривой было дано Генри (1901 год). Он высказал предположение, что а основе этой реакции лежит образование субстрат - ферментного комплекса. В дальнейшем  эта теория была экспериментально обоснована Михаэлисом – Ментеном и не утратила своего значения до настоящего времени. 

                         МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ. 

Предполагалось, что ферменты адсорбируют на своей  поверхности реагирующие молекулы, в результате чего на участках сорбции  концентрация молекул субстрата  увеличивается, и это повышает вероятность протекания реакции между ними. Постепенно сложилось мнение, что фермент не сорбирует субстрат на своей поверхности, а вступает с ним во взаимодействие, причём это взаимодействие на первом этапе состоит в образовании непрочного соединения- комплекса между ферментом и субстратом. С каждой молекулой фермента ( а точнее, с каждым его каталитическим центром) реагирует одна молекула субстрата, причём реакция носит необратимый характер. Если фермент обозначить буквой Е, а субстрат буквой S, то реакцию можно написать в виде уравнения:

                                E+S          ES

Совершенно  очевидно, что ферментативный процесс  в целом не может закончиться  образованием фермент- субстратного комплекса. Этот комплекс представляет собой лишь промежуточное соединение, которое подвергается дальнейшим преобразованиям. В простейшем случае- это химическое превращение комплекса, в результате которого субстрат (S) распадается на продукты ( обозначим их буквой Р), а фермент выходит из реакции в неизменном виде. В целом уравнение будет выглядеть так::

                           E+S           ES        E+P

Именно таким  образом представляли себе протекание ферментативной реакции немецкие учёные Л. Михаэлис и его сотрудница М. Ментен, которые ещё в 1913 году развили общую теорию ферментативного действия, основанную на идее образования промежуточного фермент- субстратного комплекса как первой стадии реакций. Чаще всего распаду комплекса предшествует его химическое преобразование( активирование), которое составляет ещё одну промежуточную стадию и снова усложняет уравнение реакции:

E+S            ES           ES*        E+P

Здесь активный комплекс обозначен ES* (Смотри приложение 5)

Скорости протекания отдельных стадий ферментативного  процесса неодинаковы. Одни идут быстрее, другие медленнее. Скорость всей реакции будет определяться скоростью самой медленной реакции. В ферментативном процессе скорости разных стадий тоже неодинаковы. Первый этап этого процесса - образование фермент- субстратного комплекса ES представляет собой, как мы уже говорили, обратимую реакцию и в обычных условиях протекает чрезвычайно быстро, по- видимому, значительно быстрее, чем последующие стадии. Поэтому общая суммарная скорость всего процесса определяется не этой реакцией. Но эта стадия наиболее ответственна, так как сама важность каталитического действия фермента зависит от того, образуется фермент- субстратный комплекс или нет. Все последующие этапы - это только преобразование возникшего комплекса. Как же представить себе образование такого комплекса? Какие условия должны быть соблюдены для того, чтобы он возник? Если снова обратиться к схеме (Смотри приложение 5) и присмотреться к причудливой форме молекулы фермента и субстрата, то заметили, что участок молекулы фермента, на который «садится» субстрат,. Своими очертаниями как бы повторяют форму субстрата. Это символизирует строгое пространственное и химическое соответствие, существующее между активным центром фермента и субстратом. Такое соответствие совершенно необходимо для того, чтобы комплекс мог образоваться. Ещё в конце прошлого века известный немецкий химик Эмиль Фишер высказал предположение, что фермент должен подходить к субстрату как ключ к замку. Это выражение стало крылатым и дожило до наших дней. Однако образ «ключ-замок» перестал удовлетворять учёных. Этот образ предполагает жёсткость, неизменность структуры, железную прочность фермента и субстрата. Такие свойства не типичны для гибких, подвижных молекул биологических веществ. Поэтому, главным образом благодаря работам американского биохимика Д. Кашленда, возникла другая теория, дополняющая и расширяющая представления Фишера. Согласно этой гипотезе, полное соответствие между молекулой субстрата и каталитическим центром фермента возникает лишь тогда, когда они встречаются с друг другом. Субстрат вызывает в молекуле фермента такое изменение расположения химических групп в пространстве, что ранее отсутствовавшее соответствие появляется и вместе с этим появляется возможность  образовать фермент- субстратный комплекс. Его возникновение связано с гибкостью белковой молекулы, с подвижностью её структуры, но оно возможно, разумеется, только в том случае когда молекула субстрата имеет пригодные для этого свойства и форму. В приложении 5 изображена схема, поясняющая возникновение наведённого соответствия между ферментом и субстратом.

Только после  контакта фермента с субстратом химические группировки активного центра (А, В, С) в результате изменения их пространственного  расположения приходят в состояние  строгого соответствия молекуле субстрата.

     Нужно  иметь также в виду, что молекула  субстрата, хотя она, как правило,  и значительно меньше молекулы  фермента, тоже обладает некоторой  подвижностью и при взаимодействии  с ферментом эта подвижность  может способствовать более полному соответствию.

    Особенность  ферментов состоит в том, что  об их наличии мы можем судить  только по их действию. Мы умеем  измерять скорость ферментативных  реакций, то есть количество  субстрата, подвергшегося превращению  в единицу времени, например  в одну минуту или в один час. Разным ферментам свойственна далеко не одинаковая молекулярная активность. Некоторое представление о реальных величинах этой активности даёт таблица (Смотри приложение 7). Из таблицы видно, насколько различна молекулярная активность различных ферментов и каких огромных величин она может достигать в отдельных случаях. «Карбоангидраза, занимающая первое место в таблице и обладающая чудовищной молекулярной активностью (36 миллионов), является самым активным из всех известных ферментов. «(В. И. Розенгарт Ферменты – двигатели

жизни). 

ЗНАЧЕНИЕ. 

Постоянный  обмен нуклеиновыми кислотами, составляет основную часть генетического  материала клетки. В ходе обмена нуклеиновых кислот наряду с синтезом происходит и распад. Этот процесс катализирует большая группа ферментов, объединенных названием нуклеаз. Цепочка нуклеиновых кислот образованна фосфорной кислотой и углеводородом; азотистые основания служат боковыми группами. Поэтому разрушение нуклеиновых кислот – это разрыв связей между остатками фосфорной кислоты и углевода. Все нуклеазы могут быть разделены на две группы: экзонуклеазы и эндонуклеазы. Экзонуклеазы действуют с одного из концов полинуклеотидной цепи и на каждом этапе отсекает по одному нуклеотиду, постепенно укорачивая цепочку. В отличие от этого эндонуклеазы сразу во многих местах разрывают связи внутри молекулы нуклеиновых кислот и поэтому приводят к быстрой деградации молекулы. Весь комплекс ферментов обмена нуклеиновых кислот выполняет важную биологическую задачу: сохранение в целостности генетического материала клетки и репарации (исправления) тех повреждений структуры ДНК, которые могут возникнуть а результате радиоактивного или ультрафиолетового облучения и других вредных воздействий.