§18. Ферментативные реакции. Ферменты

Определения и обозначения

Фермент — биологический катализатор, преимущественно белковой природы. Он ускоряет химические реакции в клетках, помогая им протекать с необходимой скоростью. В отличие от исходного реагента фермент не становится частью продукта и обычно может участвовать в реакции снова.

Субстрат — вещество, с которым взаимодействует фермент. Фермент связывает подходящий субстрат и превращает его в один или несколько продуктов. Понимание того, что именно служит субстратом, помогает определить, на какое вещество направлено действие фермента.

Активный центр — участок молекулы фермента, где связывается субстрат и происходит реакция. Его форма и химические свойства соответствуют субстрату, поэтому связывание получается избирательным. Активный центр нужен для точного взаимодействия фермента с веществом.

Фермент-субстратный комплекс — временное соединение фермента с субстратом. Оно возникает перед превращением субстрата и существует лишь на промежуточном этапе реакции. По этому комплексу можно представить, как фермент удерживает субстрат и облегчает его превращение в продукты.

Как это устроено

Сначала субстрат подходит к активному центру и связывается с ним, поэтому возникает фермент-субстратный комплекс. Такое связывание удерживает нужные частицы рядом и создаёт условия для их превращения. После реакции продукты отделяются, а структура фермента обычно восстанавливается, поэтому он может начать следующий цикл.

Фермент действует избирательно из-за устройства своего активного центра. Его форма и распределение химических свойств подходят определённому субстрату или ограниченному кругу сходных веществ. Если субстрат не подходит, он связывается недостаточно эффективно, а нужное превращение не ускоряется; кроме того, фермент катализирует определённую реакцию, а не любую реакцию с этим веществом.

Для реакции нужно преодолеть энергетический барьер — энергию активации. Фермент снижает этот барьер, создавая более удобный путь превращения, поэтому за то же время образуется больше продуктов. При этом фермент не меняет соотношение исходных веществ и продуктов в химическом равновесии: он ускоряет достижение равновесия, но не смещает его.

Работа фермента зависит от температуры и pH — показателя кислотности среды. При определённых значениях этих условий активность максимальна, потому что белок сохраняет подходящую форму и свойства активного центра. Отклонение от оптимума мешает связыванию и реакции, а сильный нагрев или резкое изменение pH могут нарушить структуру белка и надолго лишить его активности.

Скорость реакции зависит и от концентрации субстрата, а иногда — от дополнительных компонентов, необходимых ферменту для работы. Когда субстрата становится больше, чаще заняты активные центры и обычно возрастает скорость реакции. Но число молекул фермента ограничено: после насыщения активных центров почти все они уже работают, и дальнейшее добавление субстрата не даёт прежнего прироста скорости.

Сравнение действия фермента и небиологического катализатора

Таблица помогает сравнить общую для катализаторов функцию с особенностями ферментов. Чтобы объяснить разницу, прежде всего сопоставьте специфичность и условия работы. Не считайте, что любой небиологический катализатор действует только в жёстких условиях: свойства зависят от конкретного вещества.

Разбор задач

Как установить субстрат и фермент

Условие: для реакции расщепления указаны фермент, субстрат и продукты, нужно определить, какой компонент является субстратом и какой фермент катализирует реакцию. Не следует выбирать субстрат только по названию фермента: сначала разберите, какие вещества исходные, а какие образуются. Затем установите соответствие между превращаемым веществом и специфичным для него ферментом.

1. Найдите в записи реакции исходное вещество, которое расщепляется. Именно оно является субстратом, а появившиеся после реакции вещества — продуктами. Проверьте, что выбранное вещество присутствует до реакции.
2. Среди указанных компонентов найдите фермент, который действует на этот субстрат. Ориентируйтесь на специфичность: фермент должен соответствовать веществу и типу его превращения. Не называйте ферментом ни субстрат, ни продукты.
3. Сопоставьте результат с записью реакции: субстрат должен быть превращён в указанные продукты. Такое сопоставление позволяет проверить, что фермент выбран для нужной реакции. Если соответствие не получается, пересмотрите, какое вещество было исходным.

Ответ: субстрат — исходное вещество, подвергающееся расщеплению; катализатор — указанный фермент, специфичный для этого субстрата. Без названий веществ в условии нельзя выбрать конкретные наименования, но порядок определения остаётся тем же. Продукты не являются субстратом данной реакции, потому что они образуются в её ходе.

Как определить оптимум pH

Условие: активность фермента при пяти значениях pH составила 12, 38, 75, 41 и 9 условных единиц. Нужно определить область оптимума и предсказать, что произойдёт при дальнейшем удалении pH от оптимального. Числа следует сравнить между собой, не принимая их за значения самого pH.

1. Найдите наибольшее измеренное значение активности. Среди данных чисел максимум равен 75 условным единицам. Значит, оптимальная область находится около того значения pH, при котором получен этот результат.
2. Сопоставьте соседние значения с максимумом: 12, 38, 41 и 9 меньше 75. Это показывает, что при удалении от наиболее подходящих условий активность снижается. Поскольку сами значения pH не приведены, точное положение оптимума в шкале pH определить нельзя.
3. Предскажите дальнейшее изменение по той же зависимости: при отклонении pH от оптимума активность, скорее всего, продолжит падать. Причина в том, что меняются свойства белка и взаимодействие активного центра с субстратом. При сильном воздействии может нарушиться структура фермента.

Ответ: измеренный максимум — 75 условных единиц, а оптимум находится около соответствующего ему значения pH. При дальнейшем отклонении от этого значения активность ожидаемо уменьшится. Точный pH оптимума можно назвать только при наличии самих значений pH.

Почему скорость перестаёт расти

Условие: в двух пробирках одинаковы температура, pH и количество фермента, но в одной постепенно увеличивают концентрацию субстрата. Скорость сначала растёт, а затем почти перестаёт меняться. Нужно объяснить этот предел и указать, почему фермент не считается израсходованным.

1. При небольшом количестве субстрата его молекулы не всегда встречают свободный активный центр. Когда концентрация растёт, связываний за единицу времени становится больше, поэтому скорость реакции увеличивается. Количество фермента при этом остаётся прежним.
2. Затем активные центры оказываются заняты почти всё время, то есть фермент достигает насыщения субстратом. Новым молекулам приходится ждать, пока завершится текущий цикл и продукты отделятся. Поэтому добавление субстрата уже почти не повышает скорость.
3. Проверьте, что происходит после реакции: продукты отделяются от фермента, и его активный центр может принять новую молекулу субстрата. Значит, фермент участвует в повторных циклах, а не исчезает вместе с субстратом. Ограничение скорости связано с числом ферментов и занятостью их активных центров.

Ответ: скорость почти перестала расти, потому что активные центры фермента насыщены. Фермент не считается израсходованным, так как после образования продуктов он освобождается и может катализировать новые превращения. Увеличение количества самого фермента могло бы повысить предельную скорость при достаточном количестве субстрата.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что фермент расходуется вместе с субстратом. Так можно подумать, если представить комплекс как постоянное соединение, а не промежуточный этап реакции. Проверка: проследите за продуктами — они отделяются от фермента, который затем может связать новые молекулы.

Ошибка — утверждать, что фермент ускоряет любую реакцию. Катализатор действительно влияет на скорость, но активный центр подходит не каждому веществу, поэтому действие фермента специфично. Проверка: назовите субстрат и уточните, соответствует ли ему данный фермент и тип реакции.

Ошибка — ожидать, что повышение температуры всегда усиливает действие фермента. При нагревании реакции сначала могут идти быстрее, но за температурным оптимумом структура белка нарушается, а активность падает. Проверка: учитывайте оптимум конкретного фермента, а не только общее влияние нагрева на скорость частиц.

Ошибка — объяснять снижение активности при неподходящем pH сдвигом равновесия реакции. Изменение pH прежде всего влияет на состояние белка и работу активного центра, а само по себе не означает смещение равновесия. Проверка: различайте скорость, зависящую от активности фермента, и положение равновесия, определяемое химическими условиями реакции.

Связь с другими темами

Чтобы понять работу фермента, нужно знать строение белков и то, как их пространственная структура связана с функцией: изменение формы активного центра меняет связывание субстрата. Также нужны понятия химической реакции, катализатора и энергии активации, которые объясняют, почему фермент ускоряет превращение, но не расходуется. Эти знания пригодятся при изучении обмена веществ, пищеварения, клеточного дыхания и фотосинтеза, где ферменты управляют последовательностью реакций.

Что запомнить

• Ферменты — биологические катализаторы, обычно белковой природы.
• Субстрат связывается с активным центром фермента.
• Фермент-субстратный комплекс существует временно.
• Фермент ускоряет реакцию, снижая энергию активации.
• Фермент обычно не расходуется в реакции.
• Действие фермента специфично.
• Активность фермента зависит от температуры и pH.