Biokhimia_cheloveka_Marri_tom_1 (1123306), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Эти положения схематически иллюстрирует рис. 8.4. В случае А ни одна из молекул, в случае Б — часгь, а в случае  — все молекулы обладают кинетической энергиеи, достаточной для преодоления энергетического барьера. 78 Глава 8 Эиергетический барьер и й о о Епя-0 Епх-6 ' Епх-6'~ Р— О+А А — О+(У, 0 — -~~ Кииетическеа еиергиа — — ~ Рис. 8.4. Концепция энергетического барьера химической реакции. В'отсутствие ферментов многие химические реакции при температуре, характерной для живых клеток, идут исключительно медленно. Однако даже и при этой температуре молекулы находятся в движении и сталкиваются друг с другом. Правда, опи ие могут реагировать быстро, поскольку большинство из них не обладает достаточной кинетической энергией для преодоления энергетического барьера.
При достаточно большом повышении температуры (т.е. при повышении кинетической энергии) реакция пойдет быстрее. То, что реакция вообще идет (т.е. протекает самопроизвольно), следует из условия зб<0, но при низких температурах она идет медленно. Ферменты ускоряют реакции, протеканпцие самопроизвольно при условиях, преобладаницих в живых клетках. РОЛЬ ФЕРМЕНТОВ В РАЗРЫВЕ И ОБРАЗОВАНИИ КОВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ Большинство химических реакций, представляющих биохимический интерес, сопряжено с разрывом или образованием ковалентных связей. Рассмотрим.
например, реакцию переноса, о которой говорилось вгл. 7: в которой группа О переносится с донора, Р— О, на акцептор А. Полная реакция включает как разрыв связи 13 — О, так и образование новой связи, А — О. Однако если реакция переноса катализируется ферментом, ее лучше записывать следующим образом: 1Э-ье Епя А-те 0 Епх-хе А Такое ее представление подчеркивает три важных признака ферментативных реакций переноса групп. 1. Каждая полуреакция сопровождается и разрывом, и образованием ковалентной связи.
2. Фермент является равноправным реагентом, таким же как Π— О и А. 3. В то время как в полной реакции фермент вы- полняет функцию катализатора (т.е. он требуется лишь в следовых количествах и возвращается в исходное состояние по окончании реакции), в каждой из полуреакций фермент выступает как стехиометрический реагент (т.е. реагирует с другими реагентами в молярном отношении 1:1).
Многие другие биохимические реакции можно рассматривать как частные случаи реакций переноса, в которых отсутствуют либо А, либо О, либо оба реагента. Так, реакцию изомеризации (например, взаимопревращение глюкозо-6-фосфата и глюкозо- 1-фосфата) можно представить как реакцию переноса, в которой отсутствуют Р и А: В таком представлении, однако, теряется нз виду еше одно ключевое свойство ферментативных реакций — участие в полной реакции двух и более форм комплекса Епх — 8 и последовательное протекание нескольких стадий реакции. Для того чтобы отразить это свойство, реакцию переноса можно представить в следующем виде: где Еы — О, Епг — О е и Епх — Осе---формы комплекса Епг — Б, последовательно образующиеся в ходе полной реакции.
Из всего сказанного выше ясно, что для протекания реакции необходимо, чтобы все участвующие в ней реактанты сближались на расстояния, достаточные для образования (или для разрыва) связей, т.е. сталкивались друт с другом. В химии гомогенных растворов концентрация реагирующих молекул в отсутствие катализаторов считается постоянной во всем растворе. Однако в присутствии катализатора это условие перестает соблюдаться. Для эффективной работы катализатор должен иметь на своей поверхности участки связывания реагирующих молекул. Такое связывание представляет собой обратимый процесс, однако равновесие сильно сдвинуто в сторону образования комплекса. Качественно зто можно представить следуюшим образом: Реактант + Катализатор Комплекс реактанта с катализатором. Прочность комплекса реактанта В.
и катализатора С можно охарактеризовать количественно с помошью константы днссоциацин комплекса 11 — С (К,) Фер иенты: кииетика А+В- А — В или константы равновесия реакции: к-с~к+с. (кИС) К = ~К-С1 Таким образом, чем прочнее комплекс К вЂ” С, тем меньше К,. Отсюда мы получаем одно важное следствие: связывание реактанта с катализатором приводит к заметному повышению локальной концентрации реагента по сравнению с его концентрацией во всем растворе. Таким образом, мы переходим из области химии гомогенных растворов в область химии гетерогенных растворов. Если катализатор 6 иомолекуляр ной реакции (идущей с участием двух реактантов) связывает оба реактанта, то локальная концентрация каждого из них повышается, причем степень этого повышения зависит от сродства катализатора к данному реактанту (К,).
Как мы увидим ниже, скорость бимолекулярной реакции пропорциональна концентрации обоих реактантов, А и В, поэтому связывание А и В с катализатором может приводить к чрезвычайно большому (в несколько тысяч раз) увеличению скорости реакции. Одним из ключевых факторов, позволяющих ферменту служить катализатором, является его способность эффективно связывать один или (чаще) оба реактанта, участвующие в бимолекулярной реакции, что приводит к повышению локальной концентрации реактантов и, следовательно, к локальному повышению скорости реакции. То обстоятельство, что ферменты по сравнению с большинством небелковых катализаторов необычайно эффективны и высокоизбирательны, требует дальнейшего объяснения. Чтобы понять эти отличительные свойства ферментов, мы должны ввести понятие активного, или каталитического, центра '.
КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР Размеры белков намного превышают размеры низкомолекулярных субстратов, в связи с чем возникло представление о том, что в катализе участвует лишь ограниченная область молекулы фермента. Эту область мы и называем каталнтнческнм цен- ' Во многих руководствах понятия «активиый центр» и «каталитический центр» рассматриваются как синонимы, однако некоторые ферменты имеют дополнительные «активные центры», предназначенные для регуляции активности фермента и непосредственно ие связанные с химическими превращениями иа различных стадиях каталитического процесса.
Поэтому, чтобы избежать неоднозначности, мы используем термин «каталитический центр». Рис. 8.5. Образование комплекса Епг - Б согласно модели «жесткой магрипыи Фищера. тром. Вначале было непонятно, почему молекулы ферментов столь велики, если только часть их структуры участвует в связывании субстрата и непосредственно в катализе. Однако, как показал анализ трехмерной структуры ферментов, с субстратом взаимодействует намного большая часть белковой молекулы, чем предполагалось ранее. Если еще учесть включение в работу ферментов аллостерических центров такого же размера (см. гл.
10), не приходится удивляться объемности ферментов. Модель «ключ — замокэ Первоначальная модель каталитического центра, предложенная Эмилем Фишером, трактовала взаимодействие субстрата и фермента по аналогии с системой «ключ — замок». Эта модель, которую иногда называют моделью «жесткой матрицьз» (рис. 85), не утратила своего значения для понимания некоторых свойств ферментов, например их способности к строго определенному связыванию двух или большего числа субстратов (рис. 8.6), или для объяснения кинетики насыщения субстратом. Модель индуцированного соответствии Недостатком модели Фишера является подразумеваемая в ней жесткость каталитического центра. Более общий характер имеет модель индуцированного соответствии, предложенная Кошландом.
Эта модель основывается на весьма убедительных экспериментальных данных. Ее существенной чертой является гибкость каталитического центра. В модели Фишера каталитический центр считается заранее подогнанным под форму молекулы субстрата. В модели Рис. 8.6. Последовательное связывание ферментом кофсрчеита (ОоЕ) и двух субстратав (Б, и Б,) в рамках гипотезы «жесткой матрицы». Предполагается, что кофермент содержит участок, способный связывать первый субстрат (Б,); после связывания первого субстрага облегчается связывание второго субстрата Б,. Глав« 4 80 Бееж Ем в Рис. 8.7.
Схематическое представление конформационных изменений в молекуле фермента при связывании субстрата согласно модели индуцированного соответствия. Обратите внимание на расположение ключевых оста~кон до и после связывания субстрата (по Кошланду). же индуцированного соответствия субстрат индуцирует конформационные изменения фермента, и лишь в результате этих изменений аминокислотные остатки и другие группы фермента принимают пространственную ориентацию, необходимую для связывания субстрата и катализа.
При этом другие аминокислотные остатки могут погрузиться в глубь молекулы фермента. В примере, приведенном на рис. 8.7, в связывании субстрата принимают участие гидрофобные и заряженные группы (области, выделенные точками). Непосредственно в катализе участвуют остаток фосфосернна (Р) и — БН-группа цистеина.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
