Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (1123313), страница 87
Текст из файла (страница 87)
Полный список и описание тысяч известных фсрментов создаются Комитетом по номенклатуре Международного со>оза по биохимии и молекулярной биологии (иизисЬеп!.Чшп!. ас.цк/1цЬшЬ/спхуше). Данная глава посвящена в первую очередь общим принципам действия всех ферментов.
Краткое содержание раздела 6.1 ВВЕДЕНИЕ ° Жизнь зависит от существования мощных и специфических катализаторов — ферментов. Почти все биохимические реакции протекают с участием этих катализаторов. ° За исключением нескольких каталитических РНК, все известные ферменты являются белками. Многим из них для проявления каталитической активности требуется присутствие кофермептов или кофакторов. ° Ферменты классифицируют в соответствии с типом реакции, которую они катализируют. Всем ферментам присвоены ЕС-номера (ЕС— епзуше с!азяйсаноп) и названия, а у многих ферментов есть также тривиальные названия. 6.2.
Как работают ферменты Ферментатнвный катализ реакций играет важнейшую роль в живых системах. При стандартных физиологических условиях пекатализирусиые реакции идут крайне л1едленно, поскольку большинство биологических молекул достаточно устойчивы при нейтральных значениях рН и температуре, при которой обычно существуют живыс клетки. Более того, во многих биохимических реакциях происходят события, являющиеся довольно неблагоприятными или маловероятными в клетке, например временное образование неустойчивых промежуточных продуктов или столкновение двух или большего числа молекул в строго определенной ориентации.
Реакции, необходимые для переваривания пиши, передачи нервного сигнала или мышечного сокрашения, просто-напросто не могли бы протекать с ошутимыми скоростями, если бы не было катализаторов. Фермент преодолевает эти препятствия, создавая специфические условия, при которых данная реакция может идти быстрее.
Отличительной особенностью ферментативной реакции является то, что она происходит внутри кармана на поверхности фермента, называемого активным центром (рис. 6-1). Молекула, связываюшаяся в активном центре и подвергающаяся воздействию фермента, 6.2 Как работают фериеиты [273) Рис. 6-1. Связывание субстрата в активном центре фермента. Здесь представлена модель химотрипсина (РВВ В УССН) со связанным субстратом (красного цвета). Некоторые ювочевые аминокислоты активного центра изображены в виде красного пятна иа поверхности фермента. называется субстратом.
Поверхность активного центра образована аминокислотными остатками, способными связывать субстрат и катализировать его химическое превращение. Часто в результате связывания субстрат скрывается в активном центре фермента и полностью отделяетси от остального раствора. Образование комплекса фермента с субстратом, существование которого впервые предсказал Шарль-Адольф Вюрц в 1880 г.,— ключевая стадия ферментативного катализа.,с)тот комплекс, кроме того, является отправной точкой в математических расчетах, описываюших кинетические закономерности фсрмснтативных реакций, а также в теоретических представлениях о механизлзах ферментативного катализа.
Ферменты влияют на скороаь реакции, не сдвигая равновесия Простая ферментативная реакция в общем виде записывается следуюшим образом: Е+ 8= ЕБ= ЕР= Е+ Р (6-1) где Е, Я и Р— фермент, субстрат и продукт реак- ции соответственно; ЕВ и ЕР— промежуточные комплексы фермента с субстратом и фермента с продуктом. [274[ Часть 1. 6. Ферменты ! 11( р(жщо(к.(ак (оаоо«(г) ы ( гпо о,' с ' л(( ' с,:' э (с (О(*колко(: р с,( (к па(око О (шю(юо ( э ю( ( (а а ((о Координата реакции Рис. 6-2. Энергетическая диаграмма химической реакции. График описывает изменение свободной энергии системы в течение реакции 8 — Р. В диаграммах подобного рода по оси ординат откладывают энергию системы, а по оск абсцисс — координату реакции, отражающую последовательные изменения а системе по мере превращепкл 3 в Р (иапркмер, образование и разрыв связей).
На графике покаэакы значения энергии активации (по ) длл реакций Б — Р к Р— 5. йб" — стандартная свободная эиергкл реакции Я вЂ” Р. Чтобы говорить дальше о катализе, иам следует четко разобраться в понятиях «равиовесие реакции» и «скорость реакции». Функции катализатора состоит в увеличении скорости реакции, ио он пе может влиять па равновесие ускоряемой им реакции. Любую реакцию, например 8 = Р, можно описать с помо>цью эисргетической диаграммы — графика изменения энергии вдоль координаты реакции (рис. 6-2). Как обсуждалось в гл. 1, биологические системы характеризуются величиной свободиой энергии (С).
Итак, ход реакции можно изобразить с помощью зависимости свободной энергии системы от координаты реакции. Исходная точка прямой и обратной реакции называется основным состоянием и определяет вклад молекулы 8 или Р в свободную эисргию системы в конкретных условиях. КЛЮЧЕВЫЕ ДОГОВОРЕННОПН. Для описания измеиений свободной эиергии необходимо запать стандартпыеусловия:температура 298 К,парциальпое давление любого газа 1 атм (101,3 кПа), концентрации всех раствореииых веществ 1 М; изменения свободной эиергии для данной реакциоииой системы следует записать как изменение стандартной свободной энергии (Г>С'). Поскольку б>иохимические процессы обычно протекают при концентрации Н' значительно пижс 1 М, в биохимии используют изменение стандартной биохимической свободной эиергии (АС"), что соответствует ЬС при рН 7,0.
Далее здесь мы будем пользоваться именно этим параметром. Более полное определение ЬС" приводится в гл. 13. ° Положение равиовесия между 8 и Р зависит от разности значений свободной энергии основиых состояний этих веществ. В примере, изображеииом па рис. 6-2, свободная энергия вещества Р в основном состоянии ниже, чем ве>цества 5, поэтому ЛС" данной реакции имеет отрицательиое значение, и равиовесие сдвинуто в сторону образования Р (реакция протекает слева направо).
Положение равновесия реакции не зависит от наличия катализатора. Благоприятные термодинамические параметры, однако, ие означают, что превращеиие 5 в Р протекает с измеримой скоростью. Скорость реакции зависит совсем от других величин. Вспомиим, что на пути перехода от Я к Р существует энергетический барьер, поскольку лля протекания реакции в любом направлении необходимо затратить эисргию иа правильную ориентацию рсакциоииых групп, образование неустойчивого соединения, перегруппировку связей в молекулах и другие преобразования. На рис. 6-2 и 6-3 это отражено в виде пика свободной энергии.
Чтобы реакция могла протекать, молекулы должны обладать достаточной энергией лля преодоления этоп> барьера. На вершине энергетического пика существует точка, в которой вероятность протекания реакции в обоих паправлеииях одинакова. Эта точка соответствует переходному состояиию. Переходиому состоянию ие отвечает определепиая стабильная химическая структура; еп> ие следует путать с промежуточными продуктами реакции (ЕЯ и ЕР). Это лишь определенный короткий отрезок времени, па протяжении которого происходит разрушение связей, образование связей и локализация заряда, причем в этот момент вероятность образования исходного вещества и продукта реакции одинакова.
Разность между значениями энергии в основном и переходном состояниях называется энергией активации (ЬС"). Скорость реакции связана с энергией активации: чем выше энергия активации, тем медленнее протекает реакция. Увеличить скорость реакции б.2 Как работают ферменты [275) Нереюююх ююгоцюм (т:) ~М-,-:;«, м ч 1', гр с; сэ; Координата реакции Рис. б-3. Энергетическая диаграмма реакции в присутствии катализатора и беэ него. В реакции Э вЂ” Р промежуточные соединения ЕБ и ЕР занимают энергетические минимумы, образующиеся в процессе каталиэируемой ферментом реакции. Энергии активации некаталиэируемой и каталиэируемой реакций обозначены соответственно Ьб„„и Лб .
Видно, что в случае ферментативной реакции энергия активации ниже. можно, подняв температуру, поскольку при этом возрастает количество молекул, обладающих достаточной энергией для преодоления энергетического барьера. Другой способ ускорить реакцию состоит в добавлении катализатора (рис. 6-3). Катализатор ускоряет реакцию путем снижения энергии активации. Ферменты, как и все остальные катализаторы, не сдвигают равповесис реакции. Знак обратимости в уравнении 6-1 подчеркивает этот принцип: фермент, катализиру|оший реакцию Я- Р,такжекатализируети реакциюр- Я. Роль фермента заключается в ускорении прямой и обратной реакций.
Сам фермент при этом не расхолуется, и равновесие реакции не сдвигается. Но в присутствии соответствующего фермента реакция достигает равновесия гораздо быстрее, поскольку скорость реакции возрастает. Этот общий принцип можно проиллюстрировать на примере взаимодействия гахарозы с кислородом с образованием углекислого газа и воды: СюНэгОп + 120т = 12СО, + 11НтО Это превращение, протекающее в несколько стадий, характеризуется большим по абсолютной величине отрицательныл«значением Лб'", поэтому в состоянии равновесия количество сахарозы в реакционной смеси незначительно. Тем не менее сахароза является устойчивым соединением, поскольку энергетический барьер, который нужно преодолеть лля взаимодействия сахарозы с кис- лородолц достаточно высокий.
В присутствии кислорода сахароза хранится бесконечно долго, нс подвергаясь заметным превращениям. Однако в клетках сахароза быстро распадается па СО, и Н,О в результате серии фермептативных реакций. Участвующие в этих реакциях ферменты не только ускоряют их, но также организуют и контролнрук>т таким образом, что большая часть высвобождаемой в результате реакций энергии извлекается в другой химической форме и может быть использована в клетке для других целей. Расщепление сахаровы и других сахаров является для клетки основным источником энергии; с участием ферментов соответствующие реакции протекают с такой скоростью, чтобы удовлетворить потребности клетки в энергии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
