Неорганічні каталізатори та ферменти (біокаталізатори), не витрачаючись самі, прискорюють перебіг хімічних реакцій та їх енергетичні можливості. У присутності будь-яких каталізаторів енергія в хімічної системизберігає сталість. У процесі каталізу напрямок хімічної реакціїзалишається незмінним.

Що таке ферменти та неорганічні каталізатори

Ферментиє біологічними каталізаторами. Їхня основа – білок. Активна частина ферментів містить неорганічну речовину, наприклад, атоми металів. При цьому каталітична ефективність металів, включених до молекули ферменту, збільшується в мільйони разів. Примітно те, що органічний та неорганічний фрагменти ферменту не здатні окремо виявляти властивості каталізатора, тоді як у тандемі є потужними каталізаторами.
Неорганічні каталізаториприскорюють різноманітні хімічні реакції.

Порівняння ферментів та неорганічних каталізаторів

У чому різниця між ферментами та неорганічними каталізаторами? Неорганічні каталізатори за своєю природою не органічні речовини, А ферменти - білки. В складі неорганічних каталізаторівнемає білка.
Ферменти в порівнянні з неорганічними каталізаторами мають специфічність дії до субстрату і найбільш високою ефективністю. Завдяки ферментам реакція протікає швидше у мільйони разів.
Наприклад, перекис водню без присутності каталізаторів розкладається досить повільно. За наявності неорганічного каталізатора (зазвичай солей заліза) реакція дещо прискорюється. А при додаванні ферменту каталази пероксид розкладається з неймовірною швидкістю.
Ферменти здатні працювати в обмеженому діапазоні температур (зазвичай 370 С). Швидкість дії неорганічних каталізаторів із кожним збільшенням температури на 10 градусів підвищується у 2-4 рази. Ферменти піддаються регуляції (існують інгібітори та активатори ферментів). Неорганічним каталізаторам властива нерегульована робота.
Для ферментів характерна конформаційна лабільність (їх структура піддається незначним змінам, що утворюються в процесі розриву старих зв'язків та утворення нових зв'язків, міцність яких слабша). Реакції з участю ферментів протікають лише фізіологічних умовах. Ферменти здатні працювати всередині організму, його тканин та клітин, де створюються необхідний температурний режим, тиск та рН.

TheDifference.ru визначив, що відмінність ферментів та неорганічних каталізаторів полягає в наступному:

Ферменти – високомолекулярні білкові тіла, вони досить специфічні. Ферменти здатні каталізувати лише один-єдиний тип реакції. Вони є каталізаторами біохімічних реакцій. Неорганічні каталізатори пришвидшують різні реакції.
Ферменти можуть діяти у конкретному вузькому температурному інтервалі, певному тиску та кислотності середовища.
Ферментативні реакції мають високу швидкість.

Питання 18. Подібність та відмінність ферментів та неорганічних каталізаторів. Залежність швидкості ферментативних реакцій від температури рН. Види специфічності.

Будова простих та складних ферментів (на прикладі гідролаз, дегідрогеназ).

За складом ферменти поділяються на прості та складні.

Прості ферменти складаються з амінокислот. До них відносяться ферменти шлунково-кишкового тракту – α-амілаза, пепсин, трипсин, ліпаза та ін. Усі ці ферменти відносяться до 3 класу – гідролаз.

Складні ферменти складаються з білкової частини – апоферменту та небілкової – кофактора. Каталітично активний комплекс "фермент - кофактор" називається холоферментом. Як кофактори можуть виступати як іони металів, так і органічні сполукибагато з яких є похідними вітамінів.

Наприклад, оксидоредуктази використовують як кофактори Fe²+, Сu²+, Mn²+, кінази Mg²+; для глутатіонпероксидази - ферменту, що знешкоджує перекис водню, потрібно селен.

Коферменти – це органічні речовини, які неміцно пов'язані з білковою частиною. Наприклад, НАД-залежні дегідрогенази складаються з білка та коферментів НАД, НАДФ, похідних вітаміну РР.

Простетична група – це коферменти, які міцно (часто ковалентно) пов'язані з апоферментом. Наприклад, флавінові дегідрогенази складаються з білка та простетичних груп ФАД, ФМН, похідних вітаміну В 2 . Апофермент визначає спрямованість чи специфічність дії ферменту.

. Загальні властивостіферментів: специфічність, вплив температури, рН середовища на активність ферментів.

На активність ферментів впливають температура, рН середовища, іонна силарозчинів.

Оскільки ферменти по хімічної природиє білками, підвищення температури понад 45-50С призводить до теплової денатурації і ферменти інактивуються (виняток - міокіназа м'язів, папаїн).

Низькі температурине руйнують ферменти, лише припиняють їх дію. Оптимальна температура для прояву активності ферменту дорівнює 37-40?

На активність ферментів впливає реакція середовища. Значення рН середовища, у якому фермент виявляє максимальну активність, називають оптимумом рН середовища дії даного ферменту. РН-оптимум дії ферментів лежить у межах фізіологічних значень 6,0-8,0. Винятки: пепсин, рН-оптимум якого дорівнює 2,0; Аргіназа - рН-оптимум дорівнює 10,0.

Ферменти мають специфічність. Розрізняють кілька видів специфічності:

1. Абсолютна специфічність – фермент взаємодіє лише з одним субстратом. Наприклад, уреаза прискорює гідроліз сечовини, але не розщеплює тіомочевину.

2. Стереоспецифічність – фермент взаємодіє з певним оптичним та геометричним ізомером.

3. Абсолютна групова специфічність – ферменти специфічні щодо характеру зв'язку, і навіть тих сполук, які утворюють цей зв'язок. Наприклад, α-амілаза розщеплює α-глікозидний зв'язок у молекулі мальтози, що складається з двох молекул глюкози, але не розщеплює молекулу сахарози, що складається з молекули глюкози та молекули фруктози.

4. Відносна групова специфічність. У цьому випадку ферменти специфічні лише щодо зв'язку, але байдужі до тих сполук, які утворюють цей зв'язок. Наприклад, протеази прискорюють гідроліз пептидних зв'язків у різних білках, ліпази прискорюють розщеплення складноефірних зв'язків у жирах.

Питання 19. Активатори та інгібітори ферментів. Механізм їхньої дії. Оборотне і необоротне, конкурентне та неконкурентне інгібування. Використання принципу конкурентного інгібування у медицині.

.Активатори та інгібітори ферментів, механізми їх впливу та значення.

На швидкість хімічних реакцій впливають різні речовини. За характером впливу речовини поділяються на активатори, що збільшують активність ферментів, та інгібітори (паралізатори), що пригнічують активність ферментів.

Активування ферментів можуть викликати:

1. Присутність кофакторів – іони металів Fe²+, Mg²+, Mn²+, Cu²+, Zn²+, АТФ, ліпоєва кислота.

2. Частковий їх протеоліз.

Ферменти шлунково-кишкового тракту виробляються як неактивних форм – зимогенов. Під впливом різних факторіввідбувається відщеплення пептиду з формуванням активного центру і зимоген перетворюється на активну формуферменту.

Пепсиноген НСl пепсин + пептид

Трипсиноген ентерокіназа трипсин + пептид

Цей вид активування оберігає клітини шлунково-кишкового тракту від самоперетравлення.

3. Фосфорилювання та дефосфорилювання. Наприклад:

неакту. ліпаза + АТФ → ліпаза-фосфат (акт. ліпаза);

ліпаза-фосфат+Н3РО4 → ліпаза (неакт. ліпаза)

Інгібітори за характером своєї дії поділяються на оборотні та необоротні. В основі такого поділу лежить міцність сполуки інгібітора з ферментом.

Зворотні інгібітори – це сполуки, які нековалентно взаємодіють із ферментом і можуть відщеплюватися від ферменту.

Необоротні інгібітори – це сполуки, що утворюють ковалентні, міцні зв'язки з ферментом.

Необоротне інгібування може бути специфічним та неспецифічним.

При специфічному інгібуванні інгібітори гальмують дію певних ферментів, пов'язуючи окремі функціональні групиактивний центр. Наприклад, тіолові отрути інгібують ферменти, активний центр яких входять SН-групи; чадний газ (СО) пригнічує ферменти, що мають в активному центрі Fe²+.

Неспецифічні інгібітори гальмують дію всіх ферментів. До них відносяться всі фактори, що денатурують ( висока температура, органічні та мінеральні кислоти, солі важких металівта ін.).

Оборотне інгібування може бути конкурентним. При цьому інгібітор є структурним аналогом субстрату та конкурує з ним за зв'язування в субстратзв'язувальній ділянці активного центру.

Відмінна особливістьКонкурентне інгібування полягає в тому, що його можна послабити або повністю усунути, підвищивши концентрацію субстрату.

Сукцинатдегідрогеназа (СДГ) – фермент цитратного циклу, дегідрує сукцинат, перетворюючи його на фумарат. Малонат, що структурно схожий на сукцинат, зв'язується в активному центрі СДГ, але не може дегідруватися. Тому малонат – конкурентний інгібітор СДГ.

Багато лікарські засобиє конкурентними інгібіторами ферментів. Наприклад, сульфаніламідні препарати, будучи структурними аналогами параамінобензойної кислоти (ПАБК) – основного фактора росту хвороботворних мікроорганізмів, конкурують з нею за зв'язування у субстрат-зв'язувальній ділянці активного центру ферменту. На цьому ґрунтується протимікробна дія сульфаніламідних препаратів.

Основу всіх життєвих процесівстановлять тисячі хімічних реакцій, які каталізуються ферментами. Значення ферментів точно і образно визначив І.П.Павлов, назвавши їх "збудниками життя". Порушення у роботі ферментів ведуть до виникнення важких захворювань– фенілкетонурія, глікогенози, галактоземія, тирозинемія або суттєве зниження якості життя – дисліпопротеїнемія, гемофілія.

Відомо, що для здійснення хімічної реакції необхідно, щоб речовини, що реагували, мали сумарну енергію вище, ніж величина, звана енергетичним бар'єромреакції. Для характеристики величини енергетичного бар'єру Арреніус запровадив поняття енергії активації. Подолання енергії активації в хімічній реакції досягається або збільшенням енергії взаємодіючих молекул, наприклад нагріванням, опроміненням, підвищенням тиску, або зниженням необхідних реакції витрат енергії (тобто енергії активації) за допомогою каталізаторів.

Величина енергії активації з ферментом без нього

За своєю функцією ферменти є біологічними каталізаторами. Сутність дії ферментів, як і неорганічних каталізаторів, полягає:

• в активації молекул реагуючих речовин,
• у розбиття реакції на кілька стадій, енергетичний бар'єр кожної з яких нижче за таку загальну реакцію.

Однак енергетично неможливі реакції ферменти каталізувати не будуть, вони прискорюють ті реакції, які можуть йти в даних умовах.

Подібність та відмінності ферментів та неорганічних каталізаторів

Прискорення реакцій за допомогою ферментів дуже значне, наприклад:

А. Уреаза прискорює реакцію розкладання цілком стійкої сечовини до аміаку та води в 10 13 разів, тому при інфекції сечових шляхів (поява бактеріальної уреази) сеча набуває аміачного запаху.

Б. Розглянемо реакцію розкладання пероксиду водню:

2Н 2 О 2 → О 2 + 2Н 2 О

Якщо швидкість реакції без каталізатора прийняти за одиницю, то при присутності платинової черні швидкість реакції збільшується в 2×10 4 рази і енергія активації знижується з 18 до 12 ккал/моль, у присутності ферменту каталази швидкість реакції зростає в 2×10 11 рази з енергією активації 2 ккал/моль.

Подібність
1. Каталізують лише енергетично можливі реакції. 2. Не змінюють напрями реакції. 3. Прискорюють настання рівноваги реакції, але зрушують його. 4. Не витрачаються у процесі реакції.	1. Швидкість ферментативної реакції набагато вища. 2. Висока специфічність. 3. М'які умови роботи (внутрішньоклітинні). 4. Можливість регулювання швидкості реакції. 5. Швидкість ферментативної реакції пропорційна кількості ферменту.

Ферментативний каталіз має особливості

Етапи каталізу

У ферментативної реакції можна назвати такі етапи:

1. Приєднання субстрату (S) до ферменту (E) із заснуванням фермент-субстратного комплексу (E-S).

2. Перетворення фермент-субстратного комплексу на один або кілька перехідних комплексів (E-X) за одну або кілька стадій.

3. Перетворення перехідного комплексу на комплекс фермент-продукт (E-P).

4. Відділення кінцевих продуктів ферменту.

Механізми каталізу

Донори	Акцептори
СООН -NH 3 + -SH	СОО- -NH 2 -S-

1. Кислотно-основний каталіз- В активному центрі ферменту знаходяться групи специфічних амінокислотних залишків, які є добрими донорами або акцепторами протонів. Такі групи є потужними каталізаторами багатьох органічних реакцій.

2. Ковалентний каталіз- Ферменти реагують зі своїми субстратами, утворюючи за допомогою ковалентних зв'язків дуже нестабільні фермент-субстратні комплекси, з яких в ході внутрішньомолекулярних перебудов утворюються продукти реакції.

Типи ферментативних реакцій

1. Тип "пінг-понг"- фермент спочатку взаємодіє з субстратом А, відбираючи у нього якісь або хімічні групиі перетворюючи на відповідний продукт. Потім до ферменту приєднується субстрат, одержує ці хімічні групи. Прикладом є реакції перенесення аміногруп від амінокислот на кетокислоти - трансамінування.

Ферментативна реакція на кшталт "пінг-понг"

2. Тип послідовних реакцій- До ферменту послідовно приєднуються субстрати А і В, утворюючи "потрійний комплекс", після чого здійснюється каталіз. Продукти реакції також послідовно відщеплюються від ферменту.

Ферментативна реакція на кшталт "послідовних реакцій"

3. Тип випадкових взаємодій- субстрати А і В приєднуються до ферменту в будь-якому порядку, неупорядковано, і після каталізу також відщеплюються.

Ферментативна реакція на кшталт "випадкових взаємодій"

Ферменти мають білкову природу

Давно з'ясовано, що це ферменти є білками і мають всі властивості білків. Тому подібно до білків ферменти діляться на прості і складні.

Прості ферментискладаються тільки з амінокислот – наприклад, пепсин , трипсин , лізоцим.

Складні ферменти(холоферменти) мають у своєму складі білкову частину, що складається з амінокислот. апофермент, і небілкову частину – кофактор. Кофактор, у свою чергу, може називатися коферментомабо простетичноїгрупою. Прикладом може бути сукцинатдегідрогеназу (містить ФАД) (у циклі трикарбонових кислот), амінотрансферази (містять піридоксальфосфат) (функція), пероксидаза(містить гем). Для здійснення каталізу необхідний повноцінний комплекс апобелка та кофактора, окремо каталіз вони здійснити не можуть.

Як багато білків, ферменти можуть бути мономерами, тобто. складаються з однієї субодиниці, та полімерами, що складаються з кількох субодиниць.

Порівняння неорганічних каталізаторів ферментів Ознаки порівняння Неорганічні каталізатори Ферменти 1.Хімічна природа 2.Селективність 3. Оптимум pH 4. Інтервали температури 5.Зміна структури kat під час реакції 6. Збільшення швидкості реакції.

Порівняння неорганічних каталізаторів ферментів Ознаки порівняння Неорганічні каталізатори Ферменти 1.Хімічна природа Низькомолекулярні речовини, утворені 1 або декількома елементами. Білки – високомолекулярні полімери 2.Селективність Низька, універсальний kat – Pt прискорює множину. реакцій. Висока. На кожну р-цію потрібний свій фермент. 3. Оптимум pH Сильнокисла або лужна Невеликий інтервал у кожн. органу – свій. 4. Інтервали температури Дуже широкі. 35 – 42 градуси, потім денатурують. 5. Зміна структури kat під час реакції Змінюється незначно, чи змінюється зовсім. Сильно змінюються та відновлюються у вихідну структуру після закінчення реакції. 6. Збільшення швидкості реакції. У 100 – раз Від 10 до 8 ступеня до 10 у 12 ступеня разів.

Загальні: здатні до розчинення у воді та утворення колоїдних розчинів; збільшують швидкість реакції; не витрачаються у реакції; амфотерни; їхня присутність не впливає на властивості продуктів реакції; характерне перебіг кольорових реакцій; змінюють енергію активації, коли може відбутися реакція; не змінюють скільки-небудь значно температуру, за якої відбувається реакція; здатні до денатурації та гідролізу.

Специфічні: Поєднання найвищої активностіз дотриманням суворого ряду умов; Специфіка дії за принципом «ключ – замок» або «рука – рукавичка»; Стабільність; Оборотність дії: Е + S ES E + P, де Е - ензим; S – субстрат, P – продукт реакції, ES – фермент-субстратний комплекс.

Роль ферментів у життєдіяльності організмів: Вроджені порушення обміну; Взаємоперетворення речовин; біохімічна революція; Перетворення енергії; Біосинтез; Фармакологія; ультраструктура мембран; Генетичний апарат; Живлення; Клітинний метаболізм; Каталіз; Фізіологічне регулювання; Бактеріальне бродіння.