Ферменты — это органические молекулы, которые относятся к классу белков. Обычно фермент выглядит примерно так:
Но если мы разберём эту сложную структуру, то увидим длинную цепочку, состоящую из похожих друг на друга строительных блоков. Строительные блоки белков (в том числе ферментов) называются аминокислотами. В состав наших белков входят 20 аминокислот. Все они закодированы в нашем генетическом коде — ДНК.
Свойства аминокислот позволяют этим длинным прямым цепочкам сворачиваться в сложные структуры, похожие на изображённую выше. И эти странные формы являются ключом к пониманию того, как ферменты помогают ускорять реакции.
Когда ферменты правильно сворачиваются, образуются особые участки, называемые активными центрами или участками связывания. К этим участкам могут присоединяться определённые молекулы. Активные центры очень специфичны. Они подходят только для определённых молекул: например, сахаров, ионов, аминокислот или ДНК. Такие молекулы называются субстратами. Если «правильная» молекула приближается к ферменту, она присоединяется, и может произойти реакция. Это похоже на то, как ключ подходит к замку: когда вы вставляете подходящий ключ, замок поворачивается, и дверь открывается. Если ключ не подходит, вы не сможете войти. Модель «замок и ключ» — наиболее популярное описание того, как действуют ферменты.
Цепочка аминокислот сворачивается в определённую форму, образуя активный центр. Этот активный центр подходит для определённой молекулы, называемой субстратом. Когда субстрат связывается с активным центром фермента, может произойти реакция.
Реакции, которые осуществляются, происходят безумно быстро. Например, существует фермент, который превращает углекислый газ CO2 в угольную кислоту (H2CO3). Он называется карбоангидраза. Это один из самых быстрых известных ферментов – одна реакция занимает 5 секунд. Без фермента эта реакция заняла бы в 10 раз больше 6 времени! Карбоангидраза — это фермент, очень важный для нашего дыхания. Без него процесс обмена CO2 и кислорода в лёгких занимал бы очень много времени.
Сложные Условия труда
Ферменты — эффективные работники, но для выполнения своих функций им нужны подходящие условия.
Температура
У каждого вида ферментов есть своя оптимальная температура, при которой он работает лучше всего. Если температура окружающей среды слишком низкая, белок будет работать плохо (или не будет работать вовсе). Если температура слишком высокая, ферменты разрушаются и перестают работать — этот процесс называется денатурацией. Только при оптимальной температуре фермент может работать наиболее быстро и эффективно.
Уровень рН
Уровень pH окружающей среды — ещё одно важное условие. У каждого фермента также есть оптимальный для него уровень pH. Некоторые ферменты могут работать только в сильнокислых условиях (например, некоторые пищеварительные ферменты). Другим нужен нейтральный pH. Неправильный уровень pH также может привести к денатурации фермента.
Концентрация субстрата
Ферменту нужны материалы для работы. Если молекул субстрата слишком мало, фермент просто не сможет нормально работать.
Наличие сопутствующих факторов
Некоторые ферменты могут работать только в том случае, если к ним присоединена другая небольшая молекула. Часто такими молекулами являются металлы или заряженные ионы (цинк, железо и т. д.). Без них ферменты просто не могут принять необходимую форму и сформировать активный центр.
Наличие АТФ
Для работы многих типов ферментов требуется «топливо». Обычно это «топливо» получается путём расщепления молекулы АТФ. Такие АТФ-зависимые ферменты обычно имеют специальную часть, которая выполняет именно эту функцию: расщепляет молекулы АТФ, чтобы запустить необходимую реакцию, выполняемую другой частью фермента.
Наличие ингибиторов
Обычно существует два типа молекул, которые могут связываться с активным центром. Один тип — это субстрат, то есть молекула (или несколько молекул), необходимая для протекания определённой реакции. Но есть также молекулы, которые действуют как жевательная резинка, прилипшая к рабочему замку. Они могут не полностью соответствовать месту связывания, но всё равно прочно прикрепляются и блокируют связывание субстрата. Если концентрация ингибиторов выше уровня субстрата, ферментативная реакция просто не происходит.