Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (1123313), страница 90
Текст из файла (страница 90)
его способность отличать субстрат от других молекул. Интуитивно специфичность легко отличить от катализа (ускорения реакции), гораздо труднее различить их в эксперимептс, поскольку катализ и специфичность являются двумя сторонами одиого и того же явления. Если активный центр фермента имеет функциональные группы, расположенные таким образом, чтобы оптимально обеспечивать слабые взаимодействия с молекулой конкретного субстрата в переходиом состоянии, то этот фермент ие сможет с такой же эффективностью реагировать с какой-либо другой молекулой. Например, если в молекуле субстрата есть гидроксильиая группа, способная образовывать водородную связь с конкретным остатком глутамицовой кислоты (О!п) в молекуле фермсита, то любая молекула, ие имеющая гидроксильиой группы в этом положении, будет плохим субстратом для данного фермента.
Кроме того, любая молекула с функциональной группой, для которой у фермента иет места в центре связывания, по всей вероятности, пе будет образовывать необходимого комплекса с ферментом. В обпгем, специфичность является результатом образования миожества слабых связей между ферментом и его субстратом. Значение энергии связывания для катализа легко продемонстрировать. Например, гликолитический фсрмеит триозофосфатизомераза катализирует взаимные превращения глицеральдегид-3-фосфата и дигилроксиацетоифосфата: 1 НС= О г! НС вЂ” ОН ! Ч)нег ~~СНгОРО г Ф иииегаоа Глицеральлегил- 3-фосфат Н,С вЂ” ОН С=О СНгОРОгг Лигияроаиетои- фосфат В данной реакции меняются местами карбоиильпая и гидроксильиая группы у атомов углерода 1 и 2.
Однако выяснилось, что ускорение этой фермеитативиой реакции более чем иа 80% связаио с фермепт-субстратиыми взаимодействиями, затрагивающими фосфатиую группу у атома углерода 3 в молекуле субстрата. Это удалось обнаружить при тщательном сравиепии ферментативиых реакций, в которых в качестве субстрата использовали глицсральдегид-3-фосфат и глиперальдегид, пе имеющий фосфатиой группы в положении 3.
Описанные вьппе принципы могут быть проиллюстрированы примерами множества известных каталитических механизмов. Эти механизмы пе являются взаимоисключающими, и в действии конкретного фермента могут соединяться различные типы катализа. Определим, что необходимо для протекания реакции. Заметными физическими и термодииамичсскими факторами, определяющими энергетический барьер реакции (ЬС ), могут быть: 1) энтропия (мера беспорядка) молекул в растворе, которая умеиыпает возможность их взаимодействия; 2) сольватиая оболочка из связанных водородными связями молекул воды, окружающая и стабилизирующая болыпииство макромолекул в водном растворе; 3) искажение молекулы субстрата, происходящее во многих реакциях; 4) необходимость определенной организации функциональных групп фермента. Энергия связывания расходуется иа преодоление всех этих барьеров.
Во-первых, очевидным положительным результатом связывания двух реагирующих субстратов с ферментом является значительное [262! Часть 1. 6. Ферменты ограничение их подвижности, выража(ощееся в снижении энтропии. Энергия связывания удерживает субстраты в ориентации, необходимой для протекания реакции, что вносит ощутимый вклад в катализ, поскольку продуктивиыс столкновения молекул в растворе чрезвычайно редки. Субстраты таким образом размещаются иа молекуле фермента, чтобы множество слабых взаимодействий между ними и стратегическими группами фермента удерживало молекулы субстратов в необходимом положении.
Исследования показали, что ограничение подвижности двух реагирующих веществ иа несколько порядков увеличивает скорость реакции (рис. 6-7). Во-вторых, образование слабых связей между субстратом и ферментом приводит к разрушеиию сольватиой оболочки вокруг субстрата.
Связи фермента с субстратом замещают большинство водоролиых связей между субстратом и волой. В-третьих„энергия связывания, являющаяся результатом слабых взаимодействий, возникающих исключительно в переходном состоянии, помогает компсисировать потери от любого искажения молекулы, в первую очередь от перераспределения злектроиов, которому субстрат должен подвергнуться в реакции. И наконец, в-четвертых, при связывании субстрата сам фермент обычно претерпсвает коиформационные измеисиия, что связано с образованием множества слабых связей.
Данный процесс называют иидуцироваииым соответствием, мсхапизм которого был предложсп Д. Кошлапдом в 1958 г. Эти сдвиги могут происходить в исбольпюй части молекулы фермента около активного центра, ио могут также затрагивать целые домены. Обычно в молекуле фермента происходит целая серия связаииых между собой перемещений, которые в конечном итоге приводят к необходимым изменениям состояния активного центра. Ицдуцироваицос соответствие приводит к той ориентации функциональных групп фермента„которая исобходима для осуществления катализа. Коиформациоииые измсиеиия также способствуют образоваии)о в персходиом состоянии дополнительных слабых связей.
В любом случае новая коиформация фермента имеет улучшенные каталитические свойства. Раиьшс мы уже показали, что индуцироваииое соответ- Реакция Увеличение скорости а О !! СН3 С ОК О СН вЂ” С з О СН вЂ” С !! О -ол З (л.ясль сс ') О )! СН вЂ” С вЂ” О- б О !! О с С О !0)М С ол А(с ') !! О О в О О !! С вЂ” ОК О С вЂ” О- О ок С 1Оны н ь(с ') ( О С !! О ствие является общим принципом обратимого связывания белков с лигаидами (гл.
5); оио так- же играет важную роль во взаимодействии прак- тически любого фермента с его субстратом. Рис. 6-7. Увеличение скорости реакции в результате снижения энтропии. Здесь показана реанцил между сложным эфиром и карбоксильиой группой, приводкщаа к обраэоаакию ангидрида. В каждом случае К-группа одна и та же. а) Данная бимолекуляркая реакция описывается константой скорости реакции второго порядка измеряемой в л ° моль-' .
ш'. 6) Если обе реагирующие группы находятся иа одной молекуле, реакция протекает гораздо быстрее. Константа !( этой мономолекуляркой реакции измеряется в с-'. Разделив значение константы скорости реакции (6) иа константу скорости реанции (а), получим увеличение скорости оноло 10' М (увеличение снорости имеет размерность, поскольку мы сравкиваеи моиомолекуляриую и бимолекулкриую реакции). Иными словами, если реагирующее вещество в реакции (6) находится в концентрации 1 М, то реакция проходит тан, как будто концентрация реагирующих групп составляет 10' М.
Заиетьте, что реагируюшлл молекула в реакции (6) имеет свободу вращения вокруг трех связей (поназаиы стрелками); тем ке менее в этом случае наблюдается значительное снижение энтропии по сравнению с реанцией (а). В случае (в) все те связи, что допускали вращение в случае (б), жестко фиксированы. В результате энтропия еще больше снижается, а реакция по сравнению со случаем (а) ускоряется в 10' раз. Роль специфических наталитических групп в катализе что используют энергию связывания, поскольку в данном случае происходит кратковременное об- разование ковалвптньп связей с субстратом или перенос группы от субстрата или на него.
Для большинства ферментов энергия связывания, используемая для образования комплекса Е5, является лишь частью той движущей силы, которая способствует катализу. Как только субстрат связывается с ферментом, определенным образом расположенные функциональныс группы помогают расщеплять и образовывать связи, действуя в соответствии с различными механизмами„в том числе общего кислотно-основного катализа„ковалентного катализа и катализа иовами металлов. Эти механизмы отличны от тех, Общий кислотно-основной каглализ. Многие биохимические реакции проходят через стадию образования неустойчивых заряженных интермслиатов, которые быстро распадаются на исходные соединения и тем самым препятствуют протеканию реакции (рис. 8-8).
Заряженные интермелиаты часто можно стабилизировать путем переноса протонов от субстрата (интермедиата) или на него, в результате чего образуется соединение, Н вЂ” С вЂ” ОН ь ~О Реагирующие 1 '~ /1 Кх ЬГ Н молекулы Беэ катализатора кеустойчквое заряженное промежуточное соеб р лжчсл с образованном исходных веществ. Н вЂ” С вЂ” Π— С вЂ” Ок' ьг — н 1 в: + НА онн,он нон А Если перенос протона на молекулу Ньо или от нее происходит медленнее, чем распад кмтермедиатов,топроисходкт стабилизация только части образовавшихся интермедиатов.
Добавление другою донора (НА) илк акцепторз протонов (ЕД) цозышаег скорость реакции. К' Кз 1 Н вЂ” С вЂ” Π— С вЂ” О Кь Н вЂ” 1Ф-Н 1 1 К1, К н н 1 1 Н вЂ” С вЂ” Π— С=О + ЬГ Продукты К1, нон Если перекос протон молекулу Ньо илк от нроксходкт быстрее, распад интермедиато присутствие дополни лысого донора или акц тора протоков ке кзм нлет скорость Резкци 6.2 Кан работают ферменты ! 2ВЗ) Рис.
6-8. Преодоление неблагоприятного образования заряда в процессе расщепления амидной связи. Реакция, аналогичная изображенному здесь гидролизу амидной связи, происходит при катализе химотрипсином и другими протеазами. Образование заряда является неблагоприятным фактором, и он должен быть сномпенсироваи путем присоединения протона от Н,О' (специфичесний кислотный натализ) или любой кислоты НА (общий кислотный катализ). Кроме того, заряд может быть нейтрализован переносом протона на ОН- (специфический основной нагадил) или основание В (общий основной натализ).
(264) Часть Е 6. Ферменты п,о А —  — А+В которое легче распалается с образованием продуктов реакции. В пеферментативных реакциях в верен<же протона участвуют либо только компоненты молекулы воды, либо другис слабые доноры и акцепторы протонов. Катализ такого типа, который использует исклн>чителщю Н' (НзО') или ОН, присутствующие в воде, называется специфическим кислотно-основным катализом. Если перенос протонов между иптермсдиатом и водой происходит быстрее, чем интсрмедиат распадается на исходные вещества, то оп эффективно стабилизируется сразу после образования. Никакого дополнительного катализа посредством других доноров или акцспторов протонов пе происходит. Однако во многих случаях участия воды недостаточно.
Общим кислотно-основным катализом называют перенос протонов, осуществляемый дру>ими классами молекул. В неферментативных реакциях в водных растворах этот вариант катализа наблюдается в том случае, сели неустойчивый и>ггсрмедиат распадается ца исхолныс вещества быстрее, чем происходит перенос протона ца молекулу воды или от псе. В данной Рис. 6-9. Аминокислоты, участвующие в общем кисватиа-асиавнам катализе. Мнагие органические реакции протекают при участии доноров прогонов (кислот) или ахцептарав протонов (аснаваний). Антивные центры некоторых ферментов содержат функциональные группы аминокислот, в частности перечисленные здесь, которые магу< принимать участие в процессе катализа в качестве доноров или ахцептарав протонов.
ситуации многие слабые органические кислоты могут служить дополнительными донорами протонов, а слабые ар< анические основания — акцепторами протонов. Аналогичным образом, в активном центре фермента боковые цепи ряда аминокислотиых остатков могут играть роль доноров и акцспторов протонов (рис. 6-9).
В активном центре фермента эти группы располагак>тся определенным образом, чтобы осуществлять перенос протона, я обеспечивают увеличение скоро<.тп реакции до 10г — 10з раз. В соответствии с этим механизмом катализа действует большинство ферментов. Перенос протона относится к разряду наиболее распространенных биохимических реакц>ш.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
