Osnovy_biokhimii_Uayt_tom_1 (1123309), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Другие ферменты имеют несколько более широкую субстратную специфичность. Так, например, все протеолнтическне ферменты, приведенные в табл. 6.3, гндролизуют пептидные связи, однако каждый иэ них специфичен к аминокислотам с определенными боковыми группамн й. Этн ферменты, подобно фумаразе, проявляют высоную стереоспецифичность и катализируют гндролиз пептидных связей, образованных только ь-(но не о-) аминокислотами.
Ферменты специфичны также в отношении типа каталнзируемай реакции; так, фумараза катализирует гидратацию или дегидратацию своих субстратов, протеолнтнческие ферменты — гидролитическую реакцию; при этом рассматриваемые ферменты не катализируют другие возможные превращения своих субстратов, например окислительно-восстановительные реакции или реакции декарбоксилирования. Однако о более широкой специфичности свидетельствует, например, способность многих протеолитических ферментов выступать в роли катализаторов гидролиза не только пептидов, но и эфиров и тиоэфиров.
При ферментативных реакпиях (в отличие ат нефермснтативных, осуществляемых химиками-органиками) наблюдаются лишь незначительные побочные процессы. Этот аспект эффективности н специфичности ферментов является особенно примечательным, поскольку они функционируют в водной среде, при атмосферном давлении, обычно при температуре около 3? 'С и в среде с рН от 2 до 10, т. е. в условиях, при которых химику-органику редко удается осуществить подобные по сложности реакции. 8.1.4. В ходе ферментативного катализа происходит образование промежуточного соединения (комплекса) фермента с его субстратом (или субстратами) Однозначные данные об образовании в ходе ферментативных реакций фермент-субстратных комплексов явились крупным достижением биохимии.
Предположение об образовании таких комплексов высказывалось многими исследователями, однако наиболее четкий н убедительный вывод был сделан в 1890 г. Эмилем Фишером. Результаты его экспериментов с глакозидазахщ показывалн, что эти ферменты являются высокостереоспецифичиыми в отно- 16 — 114З и. катализ щения своих субстратов. Он предположил, что специфичность обусловлена структурой самих ферментов, поскольку полученные результаты могли быть объяснены только при условии взаимодействия фермента н субстрата.
Широко известно следующее высказывание Э. Фишера: «Поскольку ферменты, по всей вероятности, являются белками... повидимому, их молекулы также имеют асимметричную структуру; 'при этом асимметрия фермента в целом соответствует таковой у гексоз. Только в том случае, если фермент и атакуемый им субстрат имеют сходную геометрическую форму, обе молекулы могут подойти друг к другу столь близко, чтобы могла произойти химическая реакция.
Образно говоря, фермент и глюкоза должны соответствовать друг другу как замок и ключ». Результаты всех последующих исследований согласовывались с представлением об образовании промежуточных фермент-субстратных комплексов при фермеитативном катализе. Такие исследования включали кинетический анализ, химическую модификацию боковых К-групп аминокислотных остатков фермента специфическими рсагентами, ннгибирование ферментов специфическими соединениями (которые взаимодействуют с активными центрами), определение характерных спектральных полос поглощения прн действии ферментов на их субстраты и кристаллографическое исследование комплексов ферментов с соединениями, сходными по структуре с соответствующими субстратами.
3.!.5. Зона фермента, которая специфически взаимодействует с субстратом, называется активным центром Конформация фермента такова, что определенные К-группы полипептндной цепи располагаются весьма специфическим образом, формируя активный центр. Пространственная структура активного центра предопределяет не только строение соединения, которое стсреохимически комплементарно этому центру, но и природу последующих превращений, приводящих к образованию соответствующего продукта. Связывание субстрата с активным центром осуществляется в результате образования специфических нековалентных связей, включающих гидрофобные и электростатические взаимодействия, а также водородные связи.
При контакте с активным центром субстрат оказывается в непосредственной близости от специфических групп фермента, кооперативное действие которых дестабилизирует определенные связи субстрата, превращая его в более реакционноспособное химическое соединение. Во многих случаях имеет место временное образование ковалентной связи между субстратом и ферментом. з. Фп!'менты.
1 8.1.6. Ферменты понижают энергию активации химической реакции Распределение кинетической энергии среди популяции молекул при постоянной температуре представлено на рис. 8.1, а. Пря температуре Т, энергия популяции молекул оказывается недостаточной для протекания специфической химической реакции; если, однано, температура повышается до Ть распределение энергии меняется, как показано на рисунке, и число столкновений между молекулами увеличивается, так что химическая реакция становится осуществимой. Таким образом, увеличение скорости реакции при повышении температуры от Т! до Тз является в основном результатом увеличении числа акгивированнах молекул, т.
е. доли молекул, обладающих необходимой энергией активации. На рис. 8.2 приведена очень упрощенная схема энергетического профиля реакции Л В. В ходе реакции молекулы приобретают энергию, достаточную для активации, и оказываются в переходном состоянии; далее происходит образование продуктов. Энергию, необходимую для достижения переходного 1активированного) состояния Е„ принято называть энергией активации. Для любой реально осуществляющейся реакции суммарная энергия исходных веществ должна быть большей, чем для продуктов. Как показано на рис. 8.2, в ходе реакции затраченная энергия активации Е вновь освобождается, и суммарное изменение энергии в результате реакции равно разности уровней энергии для А и В.
энергия »г рис. З.1. а — распределение кинетической энергии в популнцнн молекул при температуре Т, и прн более высокой температуре Т». Стрелка показывает минимальную энергию, необходимую дли того, чтобы молекула вступила в реакщ»ю; сле- довательно, реакция не происходит при Ть но осуществляется прн Т». б — кинетическая энергия популяции молекул'субстрата при температуре Ть Стрелки показывают энергию, необходимую для осуществления реакции в отсутствие и в присутствии фермента.
Обратите внимание на то, что в отсутствие фермента реакция не может осуществляться, ио в присутствии фермента может про- текать без повышения температуры. 1б» и. кАтАлиз гь, Вэ .О и Ю О У Коордммвгна реакции Рнс. 8 2. Профили энергии некаталнзнруемой п катализнруемой реакций Ач-В. В случае некатализируемой реакции молекулы А должны для акткнирования перейтн на более высокий уровенгч требуемый для достижения переходного состоянкя А В*, в котором могут претерпевать превращение, образуя В Энергия, необходимая для перевода молекул в активцрованное состояние. — это энергия активации Е;, она определяется разностью уровней энергии молекул А и актинированного состояния Л.В*, обозначенной цифрой 1. В каталпзнруемой реакции энергия активации Е„ необходимая для образования активираванного комплекса 88 и обозначенная цифрой 2, значительна мевыпе, чем для некатализнруемой реакции (обозначсна цифрой 1).
Разница уровней энергии молекул А и В одинакова для катализируемой и некатализируемой реакций. Ферменты, подобно всем катализаторам, ускоряют химические реакции, снижая энергию активации специфической для данного фермента реакции. На рис. 8П 6 н 8.2 проиллюстрировано понижение энергии активации при ферментативных реакциях; рассмотрены запас энергии популяции молекул и уровни энергии исходных веществ и продуктов. Способы определения энергии активации и влияние температуры на катализируемые ферментами реакции более детально рассмотрены в разд. 8.4.4 и 8.4.5.
3.$.7. Некоторые ферменты участвуют в регуляции скоростей реакций Живые организмы обычно ие используют изменение температуры для регуляции скоростей метаболнческих реакций, и бользпииство из них не способно выживать при высоких температурах. Следовательно, катализируемые реакции должны осуществляться достаточно быстро при температуре жизнедеятельности организма. Более того, если бы важные биологические реакции осуществля- 245 8. ФеРменты. ! 8.2. Номенклатура и классификация ферментов Обычно названая ферментов отражают характер катализируемых ими реакций. Принято также добавлять суффикс «аза» к основной части названия атакуемого субстрата; например, уреаза действует на мочевину (пгеа), аргиназа — на аргинин, а тирозиназа — на тирозин.
Продолжают использоваться также некоторые таблица а! Класснфнкацня ферментов Название класса Характер Леаствив ~ Номер класса ! Оксндоредуктазы 2 Трансферазы 3 Гндролазы Ферменты, катализирующие окнслнтелыю-восстановительные реакции Ферменты, каталнзнруюшне реакцию типа Х вЂ 7 Х+У вЂ” 2 Ферменты, каталнзнруюшне гндролнтнческое расшепленне = — С вЂ” Π—, — С вЂ” гч~ н некоторых дру- гнх связей Ферменты, каталнзнрующне реакции отщеплення с образаваннем двойных связей нлн реакции прнсоедннення по двойным связям Ферменты, каталнзнрующне изменение геометрнческой нлн пространственной конфигурации молекул Ферменты, каталнзнрующне соединение двух молекул, сопровождающееся гндропнзом богатой знерпгей связн 4 Лназы б Изо мер азы б Лнгазы лись без участия катализаторов, то нельзя было бы осуществить регуляцию их скоростей. Если же организм утрачивает контроль над скоростями происходящих в нем химических превращений, то он оказывается неспособным сохранять нормальную структуру и соответствующие функции; в результате наступает гибель организма.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
