Принцип действия ферментов

Механизм действия ферментов состоит в снижении энергии активации, необходимой молекуле субстрата, чтобы вступить в реакцию. Согласно существующим теориям (промежуточных соединений, адсорбционной, цепных реакций) снижение энергии активации происходит в результате адсорбции реагирующих веществ на поверхности фермента с образованием промежуточного нестойкого соединения – фермент-субстратного комплекса, что приводит реагирующие вещества в напряженное состояние и способствует быстрому протеканию реакции. Фермент является начальным, или «запальным» фактором, в дальнейшем катализируемая им реакция протекает самостоятельно. Поэтому основная роль биокатализатора состоит в преодолении молекулами субстратов активационного барьера на более низком энергетическом уровне (рис. 9).

Рис. 9. Характеристика энергетического состояния катализируемой (1) и некатализируемой (2) реакции

Кроме того, в активном цен­тре сосредоточено много неполярных групп, и эта область действует как органический растворитель. Здесь же находится небольшое число заряженных полярных боко­вых групп аминокислот, реакционная способность которых выше в органическом растворителе, чем в водной среде. Имея большую гибкую молекулу, ферменты способны сосредоточить на небольшом участке необ­ходимые группы для осуществления конкретной реакции с суб­стратом.

У сложных ферментов, имеющих кофакторы, возможности взаимодействия с субстратом значительно увеличи­ваются. Соединение фермента с субстратом в каталитическом центре может происходить с помощью ковалентных связей, при участии электронов, с помощью водородных связей или более слабых взаимодействий, например сил Ван-дер-Ваальса. Причем фермент и субстрат в районе активного каталитического центра должны сблизиться до расстояния 1,5-2 нм. В этих условиях внутренние связи в молекуле субстрата ослабляются, и создается возможность для реакции с ферментом.

В водном растворе вещества реагируют только при столкнове­нии. Если бы не было ферментов, эти столкновения были бы край­не редки. Как известно, ферменты обладают очень высокой ката­литической активностью. Одна молекула фермента за 1 мин мо­жет прореагировать с тысячами и даже миллионами молекул специфического субстрата. Так, алкогольдегидрогеназа, катали­зирующая превращение ацетальдегида в этиловый спирт, превра­щает в 1 мин 4700 молекул субстрата, а фосфотриозоизомераза -500 тыс. молекул.

Для действия каждого фермента характерна оптимальная температура, при которой скорость реакции макси­мальна. Так, α-амилаза культуры Aspergillus oryzae имеет оптимум температуры 50-55°С. Оптимум температуры большин­ства используемых в биотехнологии ферментов микроорганизмов 30-40 °С. Оптимум действия одних ферментов, например пеп­сина, наблюдается в кислой среде (рН 2,0), других - в щелоч­ной, а у большинства ферментов - в нейтральной.

Активаторами многих ферментов являются цистеин и глутатион. Эти вещества восстанавливают дисульфидную связь, обра­зуя SH-группы, которые входят в состав каталитических цен­тров и часто определяют ферментативную активность. Ингиби­торы ферментов могут быть неспецифическими (например, соли тяжелых металлов, которые при связывании с белками осаждают их из растворов) или специфическими (например, синильная кислота, которая реагирует с определенными химическими группами ферментов и ингибирует железосодержащих дыхательных ферментов).