П. Зитте, Э.В. Вайлер, Й.В. Кадерайт, А. Брезински, К. Кернер - Ботаника. Учебник для вузов. Том 2. Физиология растений, страница 12

Если коэнзимсоединен с белковой частью фермента такпрочно, что отделяется от него лишь с тру­дом (например, не выделяется из комп­лекса с ферментом путем диализа), то егообозначают как простетическую группу(греч. prosthetos — добавленный). Так, на­пример, в цитохромах гем ковалентно свя­зан с белком (см.

6.4.6; 6.10.3.3). Весь ком­плекс фермента с кофактором обознача­ют как холоэнзим, а саму белковую ком­поненту (энзиматически неактивную) фер­ментов — как апоэнзим.Если кофакторы (как, например, вокислительно-восстановительных реакци­ях) используются стехиометрически к суб­страту, то их можно обозначить так же, каккосубстраты.6.1.6.3. КинетикаКатализируемая ферментом реакция пре­вращения субстрата в его продукт протекаетсогласно представленной на рис. 6.7 общейсхеме. Для введения основных понятий ки­нетики ферментативных реакций реакциюможно представить в упрощенном видеE+Sk+iESЕ + Р.(6.25)При этом k,.], к_! и к+2 означают кон­станты скоростей отдельных частичныхреакций (в обратных секундах). В упрощен­ной модели примем, что обратная реак­ция Е + Р —» ES протекает пренебрежимомедленно (к_2 = 0) и распад комплекса эн­зим-субстрат (фермент-субстратного ком­плекса) (ES) на фермент + продукт (Р)протекает намного медленнее, чем обрат­ная реакция ES -» Е + S (k+2« k_f).

Поэто­му шагом, определяющим скорость всейреакции, будет превращение ES —» Е + Р,так как самая медленная частная реакцияопределяет и скорость общей реакции. Ско­рость превращения субстрата в его продуктпри этих условиях задается уравнениемdPdS , ГРС1v = — = ——=k +2 [ES].(626)dtdt —Максимальная скорость будет дости­гаться, когда весь фермент присутствует вформе комплекса с субстратом:6.1. Энергетика обмена веществ |vmax = k + 2[E tot ].(6.27)При скорости, равной половине мак­симальной ('/2vmax)> в наличии имеетсястолько же свободного фермента, сколькои фермент-субстратного комплекса ES:[ES] = [Е].

При равновесии формированиефермент-субстратного комплекса описы­вается выражением^I=k + 1 [E][S]-k_,[ES]-k + 2 [ES]=0,(6.28)atи таким образом, после преобразования,принимая, что k+2 <к к_ьОтношение Ici/k+i называют констан­той Михаэлиса —Ментен (К т ). Она можетбыть определена как концентрация суб-45страта, при которой достигается [ES] = [Е](см. выше). К т , таким образом, указываетна концентрацию субстрата, при которойдостигается точно половина максимальнойскорости реакции.Так как по графику зависимости v от­носительно [S] (рис.

6.9, А) ни vmax (и та­ким образом '/2vmax), ни соответствующуюконцентрацию субстрата нельзя определитьс достаточной точностью, К т лучше опре­делять после линейной трансформацииграфика, представленного на рис. 6.9, А,что достигается отображением той же за­висимости в обратных координатах (1/vотносительно 1/[S] — диаграмма по Лайнвиверу—Бёрку; рис. 6.9, В). Для данногофермента, данного субстрата и при дан­ной температуре К т есть константа и вы­ражается она в моль л -1 . Значения К т мож­но определить также и для кофакторов.6.1.6.4.

Влияние средына активность ферментовKm[S]Рис. 6 . 9 . Зависимость (А) скорости (v) от кон­центрации субстрата [S] катализируемой фер­ментом реакции в соответствии с моделью Ми­хаэлиса—Ментен (см уравнения 6.25 и 6 26)(noLineweaver— Burk). В —v max n Km можно точ­нее определить после построения графика в об­ратных координатахФерментативная активность определяет­ся в значительной степени температурой,значением рН и ионным составом среды.Эти факторы оказывают воздействие наструктуру белка-фермента. Зависимость ско­рости реакции от температуры имеет видкривой с оптимумом (рис. 6.10). Оптимумдействия различается для отдельных фер­ментов и часто лежит между 30 и 50 °С.До достижения оптимума скорость реакцииудваивается или утраивается при повыше­нии температуры на каждые 10 °С.

Соотно­шение между скоростями реакции vT+10/vTназывается значением Qi0. Для катализи­руемых ферментами реакций значениеQ 10 =2 —3. При температурах выше опти­мума в большинстве случаев активностьочень быстро падает, что объясняется тер­мической денатурацией белка-фермента;из-за сильного возрастания энтропии де­натурация оказывается более предпочти­тельной реакцией. Отдельные ферментыочень термостабильны. Так, например, рибонуклеаза и пероксидаза могут выдержатьдаже кипячение. Замораживание перено­сится большинством ферментов без вре­да, по этой причине растворы ферментовобычно хранят в замороженном состоянии.46| ГЛАВА 6.

ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ/Химическая ,реакцияАцетил-КоА\/ОптимумФерментатив­ная реакцияЦиклКребсаЖирныекислотыУглеводы •Ацетальдегид - • ЭтанолТемпература•Рис. 6.10. Зависимость скорости (v) от темпе­ратуры некатализируемой (или катализируемойнебелковым катализатором) и катализируемойферментом химической реакции (по Е. Libbert).Температурные оптимумы большинства фер­ментов лежат между 30 и 50'СЧасто в связывании, в каталитическомпревращении субстрата или в построенииконформации белка-фермента задейство­ваны ионизируемые группы субстрата илифермента1. Тогда активность фермента за­висит от значения рН окружающей среды.Зависимость ферментативной активностиот рН может быть ярко выражена, а рНоптимумы различных ферментов или дляодного фермента, но для разных субстра­тов, могут лежать при весьма различныхзначениях рН.Так, например, Н+-АТФаза плазмалеммыимеет рН-оптимум 6,5, аргиназа для аргини­на — рН-оптимум 9,7; фумараза имеет дварН-оптимума: с фумаратом в качестве субстра­та — 6,5, а с манатом — 8,5; кислые фосфатазыобладают оптимумом рН в районе 5.

В широкойобласти значений рН активность остается не­изменной, например у инвертазы, которая рас­щепляет электрически нейтральный субстрат(сахароза) и для которой известны как внекле­точные, так и внутриклеточные изозимы (см.6.8.4.)Так как многочисленные ферментыклетки имеют различные рН-оптимумы ив отдельных компартментах значения рНразличаются, изменения значений рН в1В белках обычно представлены ионизируе­мые группы, способные обратимо присоединятьионы Н+: -СООН, -NH2 и др.

Степень иониза­ции зависит от концентрации Н+ в растворе,т.е. от рН. — Примеч. ред.Рис. 6 . 1 1 . Направление потоков метаболитовпри разветвлении обмена веществ зависит отконцентрации общего субстрата и значения К тконкурирующих ферментов в точке разветвле­ния (по Е. Libbert).Чем ниже концентрация субстрата, тем болеепредпочтительно протекает реакция через путь,катализируемый ферментом с наиболее низкимзначением К т . Как пример представлен мета­болизм пирувата за счет действия пируватдегидрогеназы или пируватдекарбоксилазыклетке существенно влияют на обмен ве­ществ.

Ионный потенциал («ионная сила»)также может влиять на белки-ферменты.Ионный потенциал оказывает влияние вчисле прочего на конформацию фермен­тов через их степень гидратации.В конце концов активность ферментапрямо зависит также от концентрации суб­страта и, если фермент работает в комп­лексе с отделяемым кофактором, — отконцентрации кофактора (см. рис.

6.9). Приразветвлениях путей метаболизма от кон­центрации общего субстрата может зави­сеть, какое направление будет предпочти­тельным. При ограниченном количествесубстрата будет преимущественно работатьтот фермент, который имеет более низкуюконстанту Михаэлиса—Ментен.У организмов, которые способны к спир­товому брожению (например, дрожжей), пируват может либо декарбоксилироваться пируватдекарбоксилазой с образованием аиетальдегида, либо за счет действия пируватдегидрогеназы окислительно декарбоксилироваться.

Принизких концентрациях пирувата из-за болеенизкого значения константы Михаэлиса—Мен­тен пируватдегидрогеназы протекает преимуще­ственно образование ацетил-коэнзима А, в товремя как при более высоких концентрацияхпирувата на первый план выступает образова­ние ацетата (рис. 6.11).6.1. Энергетика обмена веществ |6 . 1 . 7 . Регуляция ф е р м е н т а ­тивной активностиПодобно всем белкам, ферменты по­стоянно синтезируются и распадаются вклетке. При этом скорость, с которой про­текает данная реакция в клетке, в первуюочередь контролируется через количествофермента. Этот процесс может иметь важ­ное значение для адаптации к изменив­шимся метаболическим потребностям об­мена веществ, но идет слишком медлен­но, чтобы тонко регулировать метаболизм.Поэтому наряду с контролем количествафермента существуют многочисленныеэффективные и главным образом обрати­мые процессы, которые служат для пря­мого контроля ферментативной активнос­ти и дают клетке возможность быстро имобильно приспосабливать обмен веществк изменившимся потребностям.6 .

1 . 7 . 1 . Контроль количестваферментаКоличество какого-либо белка в клет­ке является результирующей скорости егосинтеза и распада. Скорость синтеза белказависит от транскрипционной активностикодирующего гена (см. 7.2.2) и посттранс­крипционных процессов, которые вклю­чаются соответственно после синтезамРНК. Последние определяют, например,стабильность мРНК и, таким образом,вместе с синтезом мРНК ее количество вклетке.

Дальнейшие механизмы регуляциикасаются процессов трансляции, т.е. вли­яют на перевод кода нуклеиновых кислотв соответствующую линейную последова­тельность аминокислот (см. 7.3.1.2) и, когдаэто необходимо, — процессинга первичнообразованного полипептида до зрелого,энзиматически активного белка. Так, кпримеру, расщепляющая жир липаза впрорастающих семенах Ricinus высвобож­дается из белка-предшественника за счетдействия протеиназы.Во многих случаях в растении присут­ствует несколько изозимов. Изозимами на­зывают ферменты, которые, хотя и осу­ществляют одну и ту же реакцию, но от-47личаются по своим химическим свойствам(например, по своей изоэлектрическойточке — см. 1.3.1 или по рН-оптимуму —см. 6.1.6.4).

Изозимы часто являются про­дуктами различных генов, однако могутбыть также продуктами посттранскрипци­онных процессов, которые ведут к различ­но модифицированным вариантам. В фер­ментах с четвертичной структурой (см.1.3.2.3) число изозимов может быть далееувеличено за счет образования комплек­сов между изоформами протомеров (гетероолигомеризация). Генные семейства, ко­дирующие изозимы, имеют то преимуще­ство, что каждый ген через отдельный про­мотор может специфическим образом ре­гулировать свою транскрипцию (см.

7.2.2.3).Это позволяет организму поддержать спе­цифику распределения ферментативнойактивности, например в зависимости откомпартмента, ткани или стадии развития,или же реагировать на многообразие раз­личных природных раздражителей, при­чем, например, при повышении потреб­ности индуцируемый фермент может син­тезироваться в дополнение к постоянноактивному конститутивному ферменту.Наконец, изозимы могут различаться помеханизмам контроля ферментативнойактивности (см. рис. 6.14).Контроль количества фермента дляпервичного метаболизма выражен в мень­шей степени, чем для ферментов, обес­печивающих специальные функции, и тех,которые начинают синтезироваться лишьпри соответствующих запросах или обра­зуются в больших, чем ранее, количествах.Примерами этого могут служить защит­ные реакции растения против вредителейили возбудителей болезней (см.