Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (1123313), страница 88
Текст из файла (страница 88)
Практически все реакции имеют несколько промежуточных стадий, на которых происходит образование и распад весьлш недолговечных химических соединений, называемых промежуточными соединениями или интермедиатами* реакции. Интсрмедиаты образуются в ходе реакции и имсют ограниченное время жизни (более длительное, чем время колебания молекулы, равное -10 ю с).
Если реакция Б = Р катализирустся фсрментом, то интермедиатами данного процесса могут быть комплексы Е5 и ЕР, несмотря на то что Я и Р являются устойчивыми химическими молекулами (см. уравнение 6-1). Комплексам ЕЯ и ЕР отвечают минимумы на энергетической диаграмме (рис. 6-3).
Кроме того, в фермснтативной реакции могут возникать и менее устойчивые интермедиаты. Взаимное превращение двух последовательных интермедиатов составляет одну стадию реакции. Если реакция протекает в несколько стадий, се общая скорость определяется скоростью той стадии (или тех стадий), которая ил«еег максимальную энергию активации; эту стадию называют лимитирующей стадией. В простейшем случае лимитирующая стадия со- ' В данной главе понятия «стайия» и «иитермедиат» относятся к химическим соединениям, образуюшилюя в процессе с участием одного фермента При обсуждении метаболических путей, в которых задействовано множество ферментов (см.
часть 11), эти термины использукп несколько иначе. Одну фермеитативиукк реакцикк часто называют стадией лкетаболического пути, а продукт ферментативной реакции, являющийся субстратом для следующей реакции, называют иитсрмедиатом. 12761 Часть 1. 6. Феряенты ответствует максимуму энергии на диаграмме взаимопревращений Я и Р Какая стадия будет лимитирующей, зависит от условий проведения реакции.
Для ъщогих ферментов сразу несколько стадий могут имсгь одинаковые энсргии активации, что означает, что все они являются лимитирующими. Энсргия активации представляет горюй энергетический барьер химической реакции. Наличис таких барьеров играет чрезвычайно важную роль в живых организмах. Скорость, с которой молскула прстерпсваст определенные изменения, снижается при повышении энергии активапии. Без подобных энергетических барьеров сложные макромолекулы самопроизвольно превращались бы в более простые молекулярные формы, и существование сложных высокоорганизованных структур, а также протекание метаболических процессов в клетке нс прслставлялось бы возможным.
В ходе эволюции возникли ферменты, способные избирательно понижать энергии активации тех реакций, которые необходимы клетке. Скорость реакции и равновесие связаны с определенными термодинамическими параметрами Равновесие реакции неразрывно связано со стандартной свободной энергией реакции (Л6"), а скорость реакции — с энергией активации (Лб ). Для лальнсйшсго изучения принципов фсрмсптативного катализа необходимо несколько полробпсс остановиться на этих тсрмодицамических параметрах. Равновесие 5 = Р описывается константой равновесия К (или просто К; с. 90).
В стандартных условиях, в которых принято сравнивать биологические процессы, константа равновесия определяется как К„'и (или К'): К;и =— Р! (6-2) На основании законов термодинамики К,ч и Ь6 связаны следующим соотношением: об'" = — КТ 10К (6-3) где Л вЂ” универсальная газовая постоянная (8,315 Дж/(моль ° К)), Т вЂ” абсолютная температура (298 К, что соответствует 25 С).
Уравнение 6-3 выводится и полробно обсуждается в (ела г иоаь) 10 '"' 10 " 0.0 10' ПР -17,1 Примечание: соотношение рассчитано оо уравнению Ьо" = — КТ1о К',(6 — 3). гл. 13. Сейчас важно понять, что константа равновесия напрямую связана со стандартной свободной энергией реакции (табл. 6-4). Большое по абсолютной величине отрицательное значение Ьб" означает, что равновесие реакции сдвинуто в сторону образования продуктов реакции, но, как уже говорилось выше, это нс означает, что реакция можст протекать с высокой скоростью. Скорость любой реакции определяется концентрапиями реагирующих веществ и константой скорости (а). Скорость (г,) мономолскулярной реакции 8 — Р представляет собой количество вещества 5, рсагирующего в единицу времени.
Скорость реакции определяется уравнением скорости: и = /г Я (6-4) Скорость этой реакции зависит только от концентрации 5. Это так называемая реакция первого порядка. Множитель й — константа, отражающая вероятность протекания реакции прн данных условиях (РН, температура и т. д.). В ланном случае л является константой скорости реакции первого порядка и измеряется в единицах, обратных времени, например с'.
Если реакция первого порядка имеет константу скорости К скажем, 0,03 с ', это значит, что за 1 с 3% доступного вещества 8 превращается в вещество Р. Реакция с константой скорости 2000 с ' завершится за какую-то долм> секунды. Если скорость реакции определяется концентрациями двух различных веществ нли если реакция про- б.2 Ках работают ферменты 1277 ] тскаст между двумя молекулами олного и того же вещества, то такая рсакция имеет второй порядок. В этом случае л является константой скорости реакции второго порядка и измеряется в л моль-' с '. Уравнение для скорости такой реакции имеет слелующий вид: (6-5) т'= » (5>П5>1 Из тсории переходного состояния следует, что значение константы скорости связано с энергией активации следующим уравнением: у, йвт ьв;кт — е (6-6) где йн — постоянная Больцмана, й — постоянная Планка.
Здесь важно обратить вниманис на то, что константа скорости реакции й связана с энергией активации (ЛС"). В упроц>сипом виде это уравнение означает, что снижение энергии активации приводит к росту скорости реакции. Теперь перейдем от вопроса, что делают ферменты, к вопросу, как они это делают. Ферменты являются чрезвычайно мощными катализаторами. Они повышают скорости процессов на 5 — 17 порядков (табл.
6-5). Кроме того, ферменты дсйствуют очень специфично, легко отличая свой субстрат от довольно близких по структуре соедипсний. Как объяснить такие большие скорости процессов при такой высокой сслсктивности? Какой источник энергии позволяет так сильно снизить энсргию активации той или иной реакции? Некоторые принципы, объясняющие высокую катаяитическую активность к специфичность ферментов Пнкл>|фп>пп>: ' Ка>|беню*л,ц>э|ч> 'Г( >нг>зог> нхтн>л»' |>и>х>г раза Кч»бвкспш,птп| ваа л г>>>л*>1л>>'.4нл(>>х>утаза, '( тю|нпл;| Сод' ">Злннл>>срл|>а у>лтт>:> О(|отлл||латлскл(л~окл|л|гв>*.> = >и: - ((й - >Оэ — 1(Р' - 10и .- | ц '*' - (О" - 16>т Ответ на эти вопросы следующий.
Вопсрвых, ферментативпая реакция сопряжена с перестройками ковалснтных связей. Между субстратом и функциональными группами фермента (боковыми цепямп аминокислотных остатков, ионами металла, коферментами) происходят химические реакции самого разного типа. Функциональные группы фермента могут образовывать кратковременные ковалентные связи с субстратом и активировать его для химического превра|цепия; определенная группа может переноситься с субстрата на фермент. Во многих случаях эти преврап>ения происходят исключительно в активном центре фермента.
Ковэлептныс взаимодействия между ферментом и субстратом ускоряют реакцшо, поскольку проводят сс по другол|у пути, характеризующемуся более низкой энергией активации. Специфические типы изменений, происходящих в рсагирующих молекулах, описаны в разд. 6.4. Во-вторых, между ферментом и субстратом существуют и нековалентные взаимодействия. Эти слабые взаимодействия в значительной степени являются источником энергии, которая требуется для снижения энергии активации. Именно образование специфического комплекса ЕВ отличает ферменты от всех прочих катализаторов. Связь фермента с субстратом в этом ком>иексе осуществляется при помощи тех же сил, которые стабилизируют структуру белка, а именно водородных связей, гидрофобных и ионных взаимодействий (гл.
4). Каждое слабое взапмолсйствие в комплексе Е5 сопровожластся высвобождением небольшого количества энергии, обеспечивающей устойчивость этого взаимодсйствия. Энергия взаимодействия фермента с субстратом носит название энергии связывания (>б>т'в). Значение этой энергии выходит далеко за пределы стабилизации фермент-субстратного комплекса. Энер|щя связывания является отювным источ икал> сг>ободной энергии, позволяющей снизить энергию активации фврл>ентативной реакции.
Каким образом ферменты ис»ользук>т энергию нековалентного взаимодействия, объясняют два основополагающих и взаимосвязанных принципа. 1. В основе каталитической активности ферментов лежит свободная энергия, выделяю- [278) Часть 1. 6. Ферменты шаягя при образовании лшожсства слабых связей между ферментом и его субстратом. Эта энергия связывания опрсдсляет как специфичность, так и скорость процесса. 2. Слабые взаимодействия наиболсс благоприятны при прохождении реакции через переходное состояние; активный цснтр фермента комплсментарен не самому субстрату, а тсза псрсходным состояниям, через которые проходит субстрат в процессе свосго превращения в продукт реакции.
Эти принципы очень важны для понимания сути фсрмептативного катализа, поэтому мы остановимся на них подробнсс. Слабые взаимодействия между ферментом и субстратом наиболее благоприятны в переходном состоянии Как удается ферменту использовать энергию связывания для снижения энергии активации? Само по себе образование фермент-субстратного комплекса не дает ответа на этот вопрос, хотя ранние теории о механизмах дсйствия фермснтов строились именно ца существовании этого комплекса. Изучение специфичности ферментов позволило Эмилю Фишеру в 1894 г. выдвинуть гипотезу о структурной комплементарности ферментов и их субстратов, благоларя которой они подходят друг к другу, как ключ и замок (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
