Том 1 (1128365), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Здесь Е-фермент, S-субстрат, ES - активированный фермент-субстратныйкомплекс.быстрые молекулы (т.е. молекулы с наибольшей кинетической энергией;закрашенная площадь). Влияние катализатора иллюстрирует рис. 3-12, Б.Энергия, необходимая для активации молекул, уменьшилась, поэтому за тот жеотрезок времени при той же температуре может прореагировать гораздо большемолекул. Ускорение реакций с помощью катализа для различных ферментовдостигает значений от 108 до 1020.Другое важное достоинство катализируемых реакций заключается ввозможности регулировать скорость реакции, варьируя концентрациюкатализатора.
Например, при сжигании водорода в кислороде некаталитическимпутем происходит неконтролируемая реакция и смесь взрывается, посколькутепло, выделившееся при быстром сгорании части Н2, вызывает быстроесжигание остальной части Н2. Если же водород окисляется медленно приотносительно низкой температуре в присутствии небольших количеств платиныв качестве катализатора, тепло выделяется достаточно медленно, поэтомувзрыва не происходит. Изменяя количество платины по отношению кколичеству топлива (Н 2) и окислителя (О2), можно регулировать скоростьсгорания.
Точно так же большинство биологических реакций регулируетсяколичеством,или активностью (т.е. каталитической эффективностью),соответствующего фермента.5857 :: 58 :: Содержание58 :: 59 :: Содержание3.5. ФерментыБиологические катализаторы были впервые выделены из живых клеток в1897 г. братьями Эдуардом и Гансом Бухнерами, которые получили их изводного экстракта дрожжей. Эти вещества повышали скорость спиртовогоброжения и инактивировались при повышении температуры, тогда каксубстраты были невосприимчивы к тепловому воздействию. Это открытиеявилось первым указанием на то, что ферментами могут быть молекулы белка.Далее было установлено, что все без исключения ферменты - это белковыемолекулы с очень специфическими для каждой разновидности ферментааминокислотными составом и последовательностью.
Все этиРис. 3.12.Распределение молекул субстрата по энергиям имеет вид колоколообразной кривой. А. В отсутствиефермента лишь малое число молекул (закрашенная площадь) обладает энергией, равной илипревышающей энергию активации. Б. Снижение активационного барьера в присутствии ферментаприводит к значительному увеличению доли молекул Субстрата, у которых кинетическая энергиядостаточно велика, чтобы реакция могла осуществиться. (Из работы Albert L. Lehninger. • Bioenergetics,2nd ed., © 1971, by W.A.
Benjamin, Inc., Menlo Park, California, с разрешения.)58Рис. 3.13. Характерная для ферментов глобулярная структура иллюстрируется здесь на примеререконструированной молекулы рибонуклеазы из тканей быка. Изображен связанный с активным центромфосфат-ион. (Barry, Barry, 1969.) Дисульфидные связи соединяют остатки цистеина, отстоящие далекодруг от друга вдоль полипептидной цепи, и играют, таким образом, важную роль в стабилизациитретичной структуры фермента.молекулы или по крайней мере их участки, обладающие ферментативнойактивностью, имеют глобулярную конформацию (рис. 3-13).
Каждая клеткасодержит буквально тысячи разновидностей ферментов, и они катализируют неменьшее число реакций. В работах по молекулярной генетике было показано,что ферменты представляют собой первичные продукты генов и играютчрезвычайно важную роль, регулируя все процессы, связанные с синтезом иметаболизмом в клетке. Задавая заранее структуру каждой молекулы фермента,синтезируемой в клетке, генетический аппарат косвенно несет ответственностьза все происходящие там ферментативные реакции.Каталитическую эффективность (т. е.
активность) фермента измеряютчислом оборотов, представляющим собой число молекул субстрата, с которымуспевает прореагировать одна молекула фермента за одну секунду споследующим высвобождением продукта реакции. Многим ферментам для ихфункционирования требуется кофактор (см. ниже)-ион или малая молекуланебелковой природы, - который связывается с белковой молекулой, образуясовместно каталитически активный комплекс. Если концентрация кофактора вклетке не является избыточной, активность фермента можно регулировать,изменяя концентрацию кофактора.
Другие ферменты, напротив, не проявляюткаталитической активности, пока не диссоциирует связанная с ними молекулаингибитора.5958 :: 59 :: Содержание59 :: 60 :: Содержание3.5.1. Специфичность ферментаКаждый фермент в той или иной степени специфичен к какому-тоопределенному субстрату (молекуле реагента). Некоторые ферменты обладаютповышенным сродством к определенному типу связей и могут, таким образом,взаимодействовать с молекулами самых разных субстратов, у которых естьтакие связи.
Например, реакция, катализируемая протеолитическимиферментами,представляетсобойгидролизпептидныхсвязей.Протеолитический фермент трипсин, обнаруженный в пищеварительном тракте,катализирует реакцию гидролиза59Рис. 3.14. Специфичность фермента трипсина, которыйизбирательно гидролизует связь C-N внутри пептидной связи, соединяющей два остатка лизина, или дваостатка аргинина, или остатки лизина и аргинина. (Baker, Allen, 1965.)любой пептидной связи, карбонильная группа которой принадлежит остаткуаргинина или лизина, независимо от того, где расположены эти связи вполипептидной цепи (рис.
3-14). Другой присутствующий в кишечникепротеолитический фермент - карбокси-пептидаза - катализирует исключительногидролиз пептидной связи, соединяющей последний и предпоследнийаминокислотные остатки в полипептидной цепи. Большинство ферментовпроявляет гораздо большую специфичность по отношению к своим субстратам.Например, фермент сахараза катализирует только гидролиз сахарозы собразованием глюкозы и фруктозы. Другие дисахариды, например лактоза илимальтоза, не являются субстратом для этого фермента, но гидролизуютсядругими ферментами, которые к ним специфичны (лактазой и мальтазой вприведенном выше примере).
Многие ферменты способны различатьоптические изомеры-молекулы, идентичные по химическому составу иструктуре и являющиеся зеркальным отражением одна другой. Например,фермент L-аминооксидаза катализирует окисление L-изоме-ра а-кетокислоты,но совершенно неспособен катализировать превращение D-изомера.6059 :: 60 :: Содержание60 :: Содержание3.5.2. Каталитическая активностьУпомянутая структурная специфичность фермента отражает тот факт, чтомолекула субстрата должна соответствовать, как ключ замку, особому участку вструктуре фермента, называемому активным центром. Молекула ферментасостоит из одной или нескольких полипептидных цепей, свернутых в третичнуюструктуру таким образом, что сформировавшаяся белковая частица имеет болееили менее глобулярный характер и специфическую конформацию.
Считается,что активный центр образован боковыми группами нескольких аминокислотныхостатков, которые на уровне третичной структуры формируют участок, ккоторому присоединяются молекулы субстрата, обладающие избирательнымсродством к данному активному центру. В связывании участвуют ионныевзаимодействия, вандерваальсовы силы и водородные связи. Значительная частьаминокислотных остатков, локализованных в области активного центра, имеетионогенные боковые группы, экспонированные наружу. Они могутспособствовать связыванию субстрата (субстратов) и кофактора (кофакторов)или участвовать непосредственно в самой реакции.Идея о стереоспецифичности активного центра получила достаточноубедительное подтверждение в опытах по определению реакционнойспособности химически модифицированных молекул субстрата (т.е.
молекул,лишь незначительно отличающихся от молекул субстрата). Эффективностьсвязывания становится тем меньше, чем больше модифицированные молекулыотклоняются от оптимального варианта по таким параметрам, как межатомныерасстояния, число и положение заряженных групп и валентные углы.Вопрос о механизмах ферментативного катализа, т.е. вопрос о том, какимобразом ферментам удается ускорить реакцию, относится в конечном счете кобласти органической химии. Ленинджер (1975) перечисляет четыре основныхмеханизма, каждый из которых, как полагают, может внести свой вклад в тоогромное ускорение реакций, которое достигается при участии ферментов.1.
Некоторые ферменты могут фиксировать молекулы реагентов такимобразом, что реагирующие группы оказываются на достаточно близкомрасстоянии друг от друга при соответствующей ориентации, что сильноувеличивает вероятность реакции.2. Фермент может прореагировать с молекулой субстрата с образованиемнестабильного промежуточного соединения, которое далее охотно вступаетв другую реакцию, в результате которой образуются конечные продукты.3. Боковые группы в области активного центра могут выступать в качестведоноров или акцепторов протонов, создавая условия для протеканияобщекислотных или общеосновных реакций.4.
Связывание фермента с субстратом может привести к внутреннемунапряжению в соответствующей связи, что увеличивает вероятность ееразрыва.Так или иначе, образование фермент-субстратного комплекса (ES)увеличивает вероятность реакции. По завершении реакции фермент и продуктыреакции отделяются друг от друга, и молекула фермента вновь может образоватькомплекс с новой молекулой субстрата. Поскольку ES существует в течениекакого-то конечного промежутка времени, может оказаться, что все молекулыфермента будут связаны в ES, если концентрация субстрата достаточно велика.6060 :: Содержание61 :: Содержание3.5.3. Температура и скорость реакцииЛюбой фактор, влияющий на конформацию белковой молекулы и,следовательно, на расположение аминокислотных боковых групп в активномцентре, будет влиять и на активность фермента.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
