Тема ферментов встречается в блоках, посвящённых обмену веществ и пищеварению. Ошибки здесь обычно возникают из-за непонимания, как температура и уровень кислотности влияют на белковую молекулу катализатора. В статье разберём строение энзимов, их свойства и научимся решать экзаменационные задачи, чтобы уверенно забирать свои баллы.
Строение и роль ферментов
Главная роль биологических ферментов (или энзимов) — ускорение реакций обмена веществ. Энзимы лишь ускоряют химические реакции, которые могли бы пойти самостоятельно, но слишком медленно. Сами молекулы фермента в реакции не расходуются и не становятся частью финального продукта.
Состав фермента
- Активный центр — участок фермента с уникальной структурой, которая связывается с субстратом и проводит реакцию. Функции активного центра может выполнять небелковый компонент (например, витамин или ион), который связан с ферментом и составляет с ним единое целое (кофермент). Формируется на уровне 3-й и 4-й структуры.
- Аллостерический центр (регуляторный). С его помощью можно регулировать активность фермента (присоединять ингибитор или активатор). Имеется не у всех ферментов.
Биологические катализаторы делят на две группы:
- простые ферменты состоят только из аминокислот, то есть представляют собой исключительно белковую молекулу;
- сложные ферменты имеют две части.
Первая белковая часть сложного фермента называется апоферментом. Вторая часть, уже небелковая, выступает кофактором или коферментом. Этим компонентом часто является ион металла или витамин.
Главные свойства ферментов
Биологические катализаторы обладают тремя ключевыми особенностями.
Высокая специфичность
Каждый фермент выполняет строго определённую задачу. Вещество, на которое воздействует фермент, называется субстратом. Энзим и субстрат подходят друг к другу по форме, этот принцип носит название «ключ-замок». Фермент имеет особый активный центр, куда помещается молекула субстрата. Например, фермент лактаза расщепляет исключительно молочный сахар лактозу и не воздействует на молекулы мышечного белка.
Интенсивность действия
Энзимы работают с высокой скоростью. Одна молекула фермента способна за секунду расщепить или синтезировать от нескольких тысяч до миллионов молекул субстрата.
Зависимость от условий среды
Белковая природа делает ферменты чувствительными к окружающей среде. Для нормальной работы им требуются определённые температура и кислотность среды. Изменение этих параметров мгновенно отражается на скорости биохимической реакции.
Влияние факторов среды на активность ферментов
Для успешной подготовки к ЕГЭ важно понимать механизм влияния внешних факторов на белковую молекулу. Разберём два главных параметра.
Температура
У каждого фермента есть температурный оптимум. Для ферментов человеческого организма этот показатель составляет от 36 до 38 °C.
При нагревании выше 40–45 °C скорость реакции резко падает. Это связано с тем, что фермент имеет белковую природу, а при высоких температурах разрушаются химические связи, поддерживающие объёмную форму белка. Происходит тепловая денатурация. Белковая молекула теряет свою структуру, её активный центр искажается, и принцип «ключ-замок» перестаёт работать. Важно помнить, что денатурация при сильном нагревании необратима.
При снижении температуры реакции просто замедляются. Замораживание не разрушает структуру белка, поэтому при последующем нагревании до температурного оптимума активность восстанавливается.
Кислотность среды
Каждый энзим активен в определённых границах pH. Чтобы с лёгкостью решать задания второй части, нужно запомнить оптимумы среды для пищеварительных катализаторов человека:
- пепсин в желудке расщепляет белки в сильнокислой среде, которую обеспечивает выделение соляной кислоты;
- амилаза выделяется со слюной и расщепляет углеводы в ротовой полости в слабощелочной среде;
- липаза работает в тонком кишечнике, расщепляя жиры, для чего ей нужна щелочная среда.
Концентрация фермента и субстрата
Чем больше ферментов в среде, тем выше скорость реакции (прямая зависимость). При увеличении субстрата скорость реакции сначала увеличивается, а потом выходит в плато, потому что все молекулы задействованы в реакции.
Разбор заданий из ЕГЭ
Задание 1
Учёный изучал активность пепсина при воздействии на него различными факторами. Как изменится активность пепсина в среде с рН равным 8 и в среде, которую прогревали в течение 30 минут при температуре 60 °С?
- Увеличилась.
- Уменьшилась.
- Не изменилась.
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой величины. Цифры в ответе могут повторяться.