Роль ферментов
Химические реакции составляют важную часть повседневной жизни живых организмов. Для протекания большинства из них требуются катализаторы. Катализатор это любое вещество, которое увеличивает скорость реакции. В отсутствие катализатора для завершения многих биохимических реакций потребовалось бы до миллиона лет. Такое количество времени чрезвычайно затруднит поддержание живых организмов своих основных биологических функций. Однако присутствие катализатора может значительно сократить время реакции до нескольких миллисекунд. Ферменты представляют собой особые белки, которые помогают катализировать процессы, благодаря чему они протекают гораздо быстрее, как в живых организмах, так и в лабораторных условиях.
В ходе химических реакций реагенты взаимодействуют друг с другом с образованием одного или нескольких продуктов. Каждая реакция имеет определенную скорость, с которой образуются новые продукты. На эту скорость могут влиять различные условия, включая температуру, давление, pH и концентрация реагентов. Например, повышенная температура заставляет молекулы двигаться быстрее. Это увеличивает возможность реагентов сталкиваться и взаимодействовать друг с другом. Точно так же уровни концентрации реагентов могут влиять на скорость взаимодействия. Когда присутствует больше реагентов, у них появляется больше возможностей вступить в контакт друг с другом и начать реакцию.
Помимо этих факторов, наличие фермента также играет важную роль в скорости. Таким образом, одна из наиболее важных ролей фермента — увеличение скорости реакций, чтобы они происходили на биологически значимом уровне. Это помогает обеспечить живые организмы биологическими молекулами, необходимыми для поддержания биологических функций, связанных с ростом, размножением и гомеостазом.
Как ферменты снижают энергию активации
Все реакции характеризуются определенной энергией активации, необходимой для ее протекания в прямом направлении. Энергия активации относится к минимальному количеству, необходимому для самопроизвольного протекания реакции. Ферменты помогают снизить энергию активации, объединяя реагенты для более эффективного взаимодействия друг с другом.
Ферменты обеспечивают энергию? Хотя они помогают снизить энергию активации, позволяя реакциям протекать быстрее, ферменты не изменяют и не увеличивают общую энергию биохимического процесса. Эта общая энергия называется свободной энергией Гиббса реакции, которая измеряет общую энергию реагентов и продуктов реакции. Таким образом, ферменты снижают энергию активации, хотя общая энергия реакции остается прежней.
Схема, показывающая, как ферменты снижают энергию активации.
Какова основная функция ферментов?
Основная их функция – понижение энергии активации химической реакции. Это позволяет реагировать с биологически значимой скоростью, при которой органические соединения производятся в количествах, необходимых для поддержания жизни. Некоторым ферментам для функционирования требуются кофакторы, такие как ионы, витамины или органические группы. Эти коферменты помогают ферменту сохранять свою трехмерную форму и эффективно связываться со своим субстратом.
Для функционирования ферментов необходимо пройти четыре основных этапа. В начале ферментативно-катализируемой реакции и фермент, и его субстрат должны быть доступны в достаточных количествах. Субстрат относится к реагенту, который вступит в химическую реакцию с целью получения желаемого продукта. Когда доступно достаточное количество фермента и его субстрата, они будут сталкиваться друг с другом и связываться на участке фермента, называемом активным центром. При этом образуется комплекс фермент-субстрат, который катализирует или индуцирует образование желаемого продукта. Фермент высвобождает этот продукт и затем становится доступным для связывания с дополнительным субстратом для создания большего количества продукта.
Как показывает этот процесс, одной из важных характеристик функции фермента является то, что сам фермент не изменяется во время реакции. Это позволяет ферменту функционировать несколько раз во время реакции, чтобы создать несколько продуктов. Способность любого отдельного фермента производить несколько продуктов способствует эффективности ферментов в катализе реакций.
Структура фермента
Ферменты представляют собой белки, связанные вместе с образованием полипептидной цепи, которая имеет трехмерную форму, известную как ее третичная структура. Как будет дополнительно обсуждаться ниже, все ферменты обладают активным центром или пространством, где субстрат связывается с ферментом. Это помогает объяснить, как работают ферменты. Когда субстрат связывается с ферментом в его активном центре, он претерпевает конформационные изменения, при которых изменяется форма фермента. Это конформационное изменение катализирует реакцию и позволяет субстрату образовывать целевой продукт.
Одним из распространенных примеров функции ферментов у человека является расщепление молочных продуктов на глюкозу и галактозу. Лактоза представляет собой сахар, содержащийся в молочных продуктах. Чтобы расщепить лактозу на глюкозу и галактазу, организм человека использует лактазу. Когда лактоза связывается с активным центром лактазы, фермент лактаза образует фермент-субстратный комплекс с лактозой. Создание этого фермент-субстратного комплекса снижает энергию активации, необходимую для расщепления лактозы, без изменения свободной энергии, связанной с этой реакцией.
Схема, показывающая, как работают ферменты.
Что такое активный центр фермента?
Что такое активный центр фермента АЦФ? Как упоминалось ранее, АЦФ представляет собой щель или открытое пространство, с которым связывается субстрат. Основная функция активных центров – облегчить превращение субстрата в целевой продукт. Когда субстрат связывается с ферментом, исследователи описали этот процесс с помощью двух разных моделей.
В первой модели индуцированная подгонка приводит к изменению формы фермента для фиксации его субстрата. Это изменение формы приводит к образованию желаемого продукта. Второй тип называется моделью с замком и ключом. В этой модели субстрат просто вставляется в открытое пространство фермента, подобно тому, как ключ вставляется в замок. После введения субстрат превращается в целевой продукт.
Итоги урока
Ферменты представляют собой специальные белки, которые позволяют реакциям протекать с большей скоростью. Они способны увеличивать скорость реакций за счет снижения энергии активации реакции. Энергия активации относится к минимальному количеству энергии, необходимому для того, чтобы реакция протекала в прямом направлении. Ферменты могут снизить энергию активации реакции без изменения общей энергии реакции. Чтобы катализировать процесс, ферменты связываются с субстратом или реагентом, из которого будет образовываться продукт.
Субстрат связывается с ферментом в активном центре или в открытом пространстве фермента, к которому прикрепляется субстрат. При связывании комплекс фермент-субстрат образуется с использованием модели «замок и ключ» или модели индуцированной подгонки. В модели замка и ключа фермент и субстрат просто прикрепляются друг к другу, тогда как в модели индуцированного соответствия фермент меняет форму, чтобы связаться с субстратом. После связывания с субстратом продукт образуется и высвобождается без изменения фермента, который может свободно связываться с дополнительным субстратом для образования большего количества продуктов.
