П. Зитте, Э.В. Вайлер, Й.В. Кадерайт, А. Брезински, К. Кернер - Ботаника. Учебник для вузов. Том 2. Физиология растений, страница 11

Повышениетемпературы как средство ускорения ре­акций обмена веществ поэтому исключа­ется.Катализаторы (греч. kata — вниз, lysis —разложение) — это вещества, добавлениекоторых к реакционной смеси повышаетскорость реакции, причем энергия акти­вации оказывается пониженной (рис. 6.7).Катализаторы выходят из реакции неизме­ненными и не влияют на положение реак­ционного равновесия (таким образом, неизменяют свободной энтальпии реакции,AG). Они всего лишь ускоряют реакцию и,таким образом, достижение состояния рав­новесия. Так как при реакции они не из­меняются и не используются, то могутиспользоваться вновь и вновь для выпол­нения своей задачи и должны быть в на­личии лишь в малых количествах.Ускорение реакций метаболизма явля­ется задачей биокатализаторов.

За исклю­чением нескольких каталитически актив­ных рибонуклеиновых кислот (рибозимов),биокатализаторы — это белки. Они обозна­чаются как энзимы (греч. zyme — дрожже­вое тесто) или ферменты (лат. fermentum —дрожжевое тесто) и подчиняются тем жесамым закономерностям, что и химичес­кие катализаторы; энзимы также понижа­ют энергию активации катализируемойреакции (рис.

6.7), не изменяя равновесияреакции (и при этом AG).AGt свободная энтальпия активацииНачальноесостояниеН20:Рис. 6.7. График изменения во време­ни энергии системы для некатализируемой и катализируемой реакций на при­мере диспропорционирования Н 2 0 2 .Для катализируемой ферментом реак­ции (показано серой линией) протека­ние реакции показано более точно. Дли­на стрелок на графике пропорциональ­на соответствующей свободной энталь­пии реакции диспропорционированияН 2 0 2 ; Е — фермент; S — субстрат; ES —фермент-субстратный комплекс; ЕР —комплекс фермент-продукт; Р — про­дукт реакцииU41E - S *=*—ES*Е + РСуммарное изменениесвободной энтальпииреакции (AG)Протекание реакции42| ГЛАВА 6.

ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВТак, молярная свободная энтальпия акти­вации (ДОт) реакции диспропорционированияперекиси водорода Н202 -» Н20 + '/ 2 0 2 : AG+ == +75 кДж • моль"1; это значение может быть до­стигнуто за счет нагревания раствора Н202. В при­сутствии мелкоизмельченной платины AG+ == +49 кДж мольг1. Платина выступает в роли ката­лизатора, и реакция протекает с измеримой скоро­стью уже при комнатной температуре. Ферменткаталаза осуществляет диспропорционированиес энергией активации AG+ = +23 кДжмоль"1.В присутствии каталазы перекись водорода прикомнатной температуре стремительно разлага­ется на Н20 + '/202. В каждом случае молярнаястандартная энтальпия экзергоническойреак­ции составляет AG+ = -97 кДж • моль-1. Фермен­ты — чрезвычайно эффективные катализаторы.Так, карбоангидраза ускоряет гидратацию С027,согласно уравнению5 Н20 + С02 <=> Н2СОэ, в 10раз при обороте 10 молекул С02 в секунду наодну молекулу фермента.Ферментативная реакция (см.

рис. 6.7)протекает вначале с образованием комп­лекса фермент-субстрат (ES); этот комп­лекс превращается в комплекс ферментас продуктом (ЕР), который быстро диссо­циирует с высвобождением продуктов ре­акции и регенерацией свободного фермен­та. Как правило, общая необходимая энер­гия активации определяется тем количе­ством энергии, которое требуется для пре­вращения ES в ЕР. Этот шаг и определяетскорость всей реакции.личаются друг от друга всего лишь простран­ственным расположением замещающихгрупп (например, г<ис-/я^а«с-изомеров, илиоптических изомеров, которые ведут себя,как картина и ее зеркальное отражение, —их называют энантиомерами).Субстратспецифичность основана наопределенном специфическом соответ­ствии между субстратом и каталитическиактивным сайтом фермента, активным цен­тром.

В простейшем случае субстрат и ката­литический центр подходят друг к другукак ключ и замок. Эта метафора, введен­ная Эмилем Фишером уже в 1890 г., неберет, однако, в расчет тот факт, что час­то связывание ферментом субстрата — про­цесс динамический, в ходе которого конформация фермента и субстрата изменяет-0*^°~®н-с-онIН2СО—®АДФАТФу V.— — * " • * •Фосфоглицераткцнаэв1,3-Дифосфо-0-глицерат(1,3-ДФГК)Ojj JTн-с-онIн 2 СО—®З-Фосфо-О-глицерат(3-ФГК)6.1.6.2. Молекулярныемеханизмы ферментативногокатализаФерменты обладают субстратной специ­фичностью и специфичностью действия.С т е п е н ь субстратной специфичности р а з л и ­чается для отдельных ферментов.

Некоторыегидролазы, например, относительно неспе­цифичны, они гидролизуют различные суб­страты; другие относительно специфичныдля определенных группировок молекул. Так,а-глюкозидазы гидролизуют в различныхсубстратах а-глюкозидные, но не р-глюкозидные связи.

Многие ферменты в высшеймере субстратспецифичны. Бросается в гла­за часто наблюдаемое распознавание имистереоизомеров. Под этим понимают разли­чающуюся (в основном, очень значительно)скорость оборота метаболитов, которые от­Рис. 6.8. Обусловленное связыванием с суб­стратом изменение конформации (индуциро­ванное соответствие), схематично представ­ленное на примере фосфоглицераткиназы.После связывания субстратов АДФ и 1,3-дифосфоглицерата конформация белка кореннымобразом изменяется, при этом оба домена фер­мента смыкаются над связанными субстратамипри одновременном исключении воды (в сере­дине).

В возникшем свободном от воды реак­ционном пространстве происходит переносфосфатной группы. После восстановления «от­крытой» конформации фермента продукты ре­акции диффундируют из каталитического цен­тра. Представлен схематический срез черезактивный центр фермента, участники реакциипоказаны в прибпизительно одинаковом масш­табе6.1. Энергетика обмена веществ |43аденозиндифосфат (АДФ) и катализирует пе­ренос остатка фосфорной кислоты с карбо­ксильной группы 1,3-дифосфоглицерата на АДФс образованием АТФ и 3-фосфоглицерата. Приэтом разрывается одна ангидридная связь (в 1,3дифосфоглицерате) и образуется другая (в АТФ).Эта реакция в водной среде была бы совершен­но невозможна, так как энергетически гидро­лиз был бы более предпочтителен.

Решение про­блемы заключается в том, что связывание АДФи 1,3-дифосфоглицерата создает индуцирован­ное соответствие, при котором оба домена фер-ся. Этот процесс, постулированный Э. Кошландом в 1958 г., называется индуцирован­ным соответствием (англ. induced fit). Ак­тивный центр фермента часто формирует­ся лишь после того, как состоялось связы­вание субстрата и индуцированное им из­менение конформации, как в случае фосфоглицераткиназы (рис.

6.8).Фосфоглицераткиназа, фермент гликолиза(см. 6.10.1), связывает 1,3-дифосфоглицерат иТ а б л и ц а 6.4. Международная классификация энзимов: обозначение класса, кодовое число и типкатализируемой реакцииЭнзимы называются, как правило, по экспериментально обнаруженной реакции, однако катализи­руют в клетке при определенных условиях обратную реакцию (пример: шикиматдегидрогенеза,см.

6.13.2, рис. 6.107). Классификация составлена по правилам, установленным комиссией по энзи­мам (англ. Enzyme Commission), ШВ (International Union of Biochemistry, Международный союзпо биохимии). Каждый энзим получает 4-значное кодовое число: например, Е.С.1.1.1.25 являетсякодом энзима шикиматдегидрогеназы (см. рис. 6.107):Е.С.1.1.1.25ТТекущий номерНАД + или НАДФ + как акцепторДействует на СН—ОНОксидоредуктазыКомиссия по энзимам1. Оксидоредуктазы(редакция окисления-восстановления)1.1.

Действует на >СН-ОН1.2. Действует на >С=01.3. Действует на >СН=СН1.4. Действует на >СН—NH21.5. Действует на >СН—NH—1.6. Действует на НАДН; НАДФН3. Гидролазы(гидролитические реакции)3.1. Сложноэфирные соединения3.2. Гликозидные соединения3.3. Эфирные соединения3.4. Пептидные соединения3.5. Другие С—N-соединения3.6. Кислотно-ангидридные соединения2.

Трансферазы4. Лиазы(перенос функциональных групп)(разрушают С—С, С—О, С—N и другие соеди­нения)2.1. С|-группы2.2. Альдегидные или кето-группы5. Изомеразы2.3. Ацильные группы(изомеризация, т.е. внутримолекулярные изме­2.4. Гликозильные группынения)2.5. Алкильные или арильные группы (кроме5.1. Рацемазы, эпимеразыметальных)5.2. Цис-транс-кзомеразы2.6. N-содержащие группы5.3. Внутримолекулярные оксидоредуктазы2.7. Р-содержащие группы6.

Лигазы (синтетазы*)2.8. S-содержащие группы(ковалентное соединение между двумя молеку­лами с одновременным расщеплением АТФ)* Энзимы анаболических реакций, которые протекают без расщепления АТФ, называют синтазами.44ГЛАВА 6. ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВмента (см. рис. 6.8) складываются над связан­ными субстратами, исключая воду. Лишь приэтом формируется активный центр и делаетсявозможным перенос фосфатной группы. Поокончании катализа «открытая» конформациявновь восстанавливается и продукты реакциидиссоциируют от фермента.Помимо субстратспецифичности фер­менты обладают специфичностью действия.Это значит, что биокатализатор катализи­рует лишь одну из большей частью много­численных термодинамически возможныхреакций превращений субстрата. Что каса­ется работающих при этом механизмов,существует лишь относительно немноготипов реакций, на основе которых и со­здана систематическая номенклатура фер­ментов (табл.

6.4).Название фермента (для расщепляющихсубстрат ферментов) выбирают таким обра­зом, что окончание -аза добавляется к на­званию субстрата: например, протеиназа —для расщепляющих белок, амилаза — длягидролизующих крахмал (лат. amylum) илипаза — для расщепляющих жир (греч.lipos) ферментов. Кроме этого, в употреб­лении были и остаются исторически сло­жившиеся названия, как, например, пеп­син, каталаза. Единая систематическаямеждународная обязательная классифика­ция и наименование всех известных энзи­мов были предложены Международнойкомиссией по ферментам (InternationalEnzyme Commission); при этом каждыйфермент получил свой классификацион­ный номер (Е.С.), которым он однознач­но идентифицируется (см.

табл. 6.4). Так каксистематические наименования отчастисильно усложнены, в употреблении поми­мо них остаются также более краткие три­виальные названия.В то время как у ряда ферментов ката­литически активен белок как таковой, дру­гим требуются дополнительные вещества(кофакторы). Такими кофакторами могутбыть ионы металлов (к примеру, Mg2+,Mn2+, Zn2+, Fe2+, Fe3+, Cu2+, K+), которыемогут требоваться для закрепления субстра­та на молекуле фермента или же могут уча­ствовать в самой реакции в качестве ката­литической группы. Если в качестве кофак­торов требуются органические соединения,то их называют коэнзимами.