Э. Фёршт - Структура и механизм действия ферментов (1128692), страница 52
Текст из файла (страница 52)
Энергия активации равна ЬОТ + ЬО; имеет место процесс ЕБ-»ЕБг. Б. Энергия активации равна А0~~,имеет место процесс Е+ 3-ь ЕБТ. (Изменения энергии Гиббса относятся к реальным концентрациям субстрата, а ве к стандартным условиям, когда исходные концентрации равны 1 М.) находится в более низком энергетическом состоянии, чем свободный фермент и субстрат, а энергия активации равна Ьбт + Ьб.
Если же г(м ' [Я) (рис. 10,3, Б), то энергия комплекса ЕВ будет выше энергии Е+8, а энергия активации меньше Ьб~. Если г(м низка, это означает,что фермент-субстратный комплекс находится в термодинамической яме и в ходе реакции необходимо преодолеть энергетический барьер.
При высокой Км комплекс поднят на 'ступеньку термодинамической лестницы», б. Алгебраическая иллюстрация В гл. 3 было показано, что уравнение Михаэлиса — Ментен можно представить в удобной форме, позволяющей связать ГЛАВА !О скорость реакции с концентрацией свободного фермента [Е]: "=(к)(З! Аса/Км. (10.12) Исходя из уравнения (10.12), процесс эволюции ферментов, направленный на увеличение скорости катализируемых ими реакций, можно умозрительно разделить на два этапа: 1. Максимизация йын/Км за счет повышения комплементарности фермента переходному состоянию субстрата. 2. Максимизация [Е) за счет повышения Км, направленная на то, чтобы в свободном состоянии находилось максимально возможное количество фермента. Для эволюции ферментов характерно увеличение Км с последующим увеличением й„ь Скорость изменения этих параметров быстро уменьшается по мере увеличения Км до значений, больших [5).
При Км =[Я половина фермента находится всвободном состоянии, поэтому, согласно уравнению (10.11), скорость равна половине максимальной. При Км =5[Я в свободном состоянии находится 5/6 молекул фермента, поэтому скорость реакции составляет 83$> максимальной. Любое дальнейшее увеличение Км даст лишь незначительное увеличение скорости. Насколько сильно возрастет Км — зависит от структурного различия между субстратом и его переходным состоянием. В пределе любое увеличение Км должно компенсироваться ослаблением связывания переходного состояния.
Наиболее сложен этот процесс в случае крупных метаболитов, присутствующих в высокой концентрации. в. Исключения из принципа максимизации Км — контроль активности ферментов, участвующих в регуляции скорости метаболических процессов Все приведенные выше доводы в пользу увеличения Км молчаливо подразумевали, что при этом максимизируется скорость реакции. Хотя для большинства ферментов это действительно так, иногда на первый план выступают регулягарные функции фермента, а не обеспечение высокой скорости реакции.
Все метаболические процессы регулируются. Регуляция обычно осуществляется с помощью контроля активности ряда ключевых ферментов. Активность этих ферментов, как правило, регулируется путем изменения Км соответствующих субстратов через аллостерическое воздействие на них. Эти Км для ключевых ферментов относятся к регуляции, и к ним не всегда применимы положения, рассмотренные в предыдущем разделе. Иногда для первого фермента метаболического пути может оказаться выгодным низкое значение Км. Это обеспечивает ТЕОРИИ ФЕРМЕНТАТИВИОГО КАТАЛИЗА 307 контроль скорости поступления субстрата в метаболический путь, предотвращает его перегрузку и накопление ракционноспособных промежуточных соединений.
Например, в случае гексокиназы, первого фермента гликолиза, Км для глюкозы равно 0,1 мМ, тогда как концентрация этого соединения в эритроцитах человека составляет -5 мМ. Десятикратное увеличение или уменьшение концентрации глюкозы почти не изменяет скорость гликолиза. 2. Экспериментально определяемые значения Км В гл. 9 было показано, что энергия связывания субстрата с ферментом потенциально является очень большой величиной, однако экспериментально определяемые значения Км обычно сравнительно высоки. Разительным примером в этом отношении является связывание НАР+. Этот большой поразмерам субстрат содержит два остатка рибозы, остатки аденина и никотинамида и пирофосфат.
Если бы реализовалась вся потенциальная энергия связывания указанных групп, то константа диссоциации могла бы быть величиной порядка !О-'з М. И действительно, константа диссоциации для связывания первой молекулы НАР+ тетрамерной глицеральдегид-3-фосфат — дегидрогеназой оказалась меньше 10-и М, что свидетельствует о чрезвычайно высокой прочности связывания !!5!. Однако обычно Км и константы диссоциации комплексов 1чАР+ с дегидрогеназами оказываются равными О,! — 1 мМ. Еще более впечатляющим является тот факт, что константа диссоциации комплекса АТР и миозина равна 10-'з М !161, в то время как обычно Км для АТР равна О,! — 1О ММ.
Во многих случаях сопоставить Км с физиологическими концентрациями субстратов не представляется возможным, поскольку эти концентрации неизвестны. Одним из ферментов, для которых такое сопоставление возможно, является карбоангидраза, так как концентрация в крови двуокиси углерода и бикарбоната измеряется довольно просто. В физиологических условиях этот фермент насыщается каждым из указанных субстратов приблизительно только на 6 % и Км для двуокиси углерода слишком высока, чтобы ее можно было измерить 117].
а. Концентрации субстратов и значения Км для гликолиза Процесс гликолиза изучен достаточно хорошо. Исследованы свойства гликолитических ферментов, определены концентрации метаболитов для клеток трех различных типов (мозга, эритроцитов и мышц). Данные для нерегуляторных глпколптических ГЛАВА !Е Таблица 10.4 Концентрация ряда метаболнтон н зчачення К)4 Для некоторых глняолнтнческнх ферментов а) Концеитра. ция субстрата, мкм км мкМ к р!з! Субстрат Фермент Источник Глюкозофосфзт- нзомераза Мозг Мышца б) 06Р 06Р РбР 130 450 110 210 700 120 РОР РОР 03Р ОНАР 200 32 3 50 12 100 1000 2000 Мозг М ца') Альдолаза 03Р ЙЗР ОНАР 18 3 50 Эритроциты "' Мышца ") 350 460 870 19 153 17 Трнозофосфаткэо- мераэа 3 3 600 2000 44 70 46 15 23 0,08 > 1О -) Глнцеральдегнд- фосфатде- гндрогеназа Мозг Мышца ' 9 70 1100 !200 350 )9 0,05 9,3 200 0,6 Фосфоглнцерат- ннназа <1 1500 118 60 600 Мозг Эритроциты *) Мышца и) Фосфоглнцерому- таза 40 Мозг ЗР0 Мышца к) ЗР0 7 1О 4,5 33 70 Мозг Мышца ") 2Р0 2Р0 Еяолава Эрнтроцяты и) Пнрузаткннаэа м) 200 600 РЕР АОР 23 138 Руг Руг 1.ас МАОН МАО 140 59 8400 1О Р) 150 116 51 2900 0,01 ") '33 Мозг Эритроциты о) Лактатдегндро- геназа 37 190 190 Мышь Мышца с) О!ур 0),Р т) ОНАР 170 220 50 Глнцерофосфатде- гядрогенаэа 03Р 03Р МАО Р 1,ЗОР0 АОР ЗР0 ЗР0 АОР 1,б 1,6 1,1 0,06 3,1 333 40 9 4,4 1,2 1,2 2,9 100 4,6 0,22 0,9 З,З ТЕОРИИ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА ПРодолжение М сонращени; обр-глюкозоффосфатс РЭР— фруктоел-фосфатс РОР-фруктачо.
1,6-дифосфат; ОЭР— глицеральдегид-3-фасфат; РНАР— дионсиацетонфосфат; Р! — арто- $' сфат: ).ЭРРΠ— 1,Э-дифосфоглицерат; ЭРΠ— З.фосфоглицерат; 2РО-2-фосфоглииерат; ЕР— фосфавнолпируват; Руг-пнруват; Ьас — лантат) (все Р-сахара); О1уР— Оглииерофосфат. Данные о концентрации ферментов и метаболитов в мозге мыши взяты из работы Ьомгу О. Н., Раазоппеаи 3. Ч.
3, Ыо). СЬет., Юз, 31 (1964)1 данные о концентрации метаболитов в эРитРоцитах человека взЯты нз Работы М1паьае( 5., ЭаИо Т., Зисом С., уозЫЬама Н. В)осьет. ЫорЬув. йев. Соттип., !7, ущ (1904)1 данине о нонцентрации ферментов в эритроцитах человека взяты из работы. указанной нссже; данные о концентрации метаболнтов в диафрагме крысы взяты из работ МемзЬо1те Е. А., йапб1е Р, 3. В1осьее. 3.. 80, 655 (19612 Ноьогзс Н.
3., йе1е М., Ваг(е1а Н. В(асЬет. ЫорЬуз. йеа. Сйпппии, 7, !37 (!962И данные о коицеатрации ферментов из скелетно2 ммшиы кролика взяты из работы, укаэанной ниже. Концентрация метаболитов рассчитана исходя из того, что содержание воды в клетках мозга равно 60%с а в эрнтроцитах — 70%. Никаких поправок на «омпартментанизацию клеток мышц и мозга не деланось, однако суммарные канцентрацан метаболнтов обычно близки к концентрациям в цитозоле (ОгеепЬвшп А. 1... Ритва К. А.. Мс(.сап Р. АгсЬз В(осЬет. В)орЬуз., 143.
617 (1971)). Значения всех величин для мозга мыши получены немедленно после декапитации животного. Использованае максимальныя величин не приводило к существенным изменениям результатов. й Еап(1в 3., Опчес 1. Т. В(осЬет, 3., 102, 753 (!967). «) йи1(ег \Ч. 3. Реб. Ргос., 23, 1248 (1964): зронег Р. О.. Абе)еап й. С.. %'е1пыеэе 5. 3. Ыо(. Сьепс., 240, 1327 (1965).
г) зсЬпе14ег А. 5., Ча(епйпе (Ч. М., Наног1 М., Не(пз Н. Ы Мем Еп21. 3. Меб., 272, 229 (1965!. д) Вис(оп Р. М., )уа!еу 5. О. В!осЬет. ЫорЬув. Ас!а. !щ, Пс (!976). с) Обисы М., Оег(Ь Е., Рнайеса14 В., Рать 3. Н. 3. Ыо). СЬее., 248, 5571 (1973). ж) Значение К„порядка 6 мм для Р относится к высоним нонцентрацням ОАР при накоплении ацилфермеить При низких концентрациях ОАР К неизмеримо высока [НасМ г12ап Р. 3.. Тсвп1Ьае О. и. В)осЬее. 3., 143, ЗМ (1974Н. ПРимечание: в слУчае ОЗР н ОНАР наиболее вероятными субстратами соответствующих реакций являются нггиорогироелнные формы указанных саединени2.
Хотя в таблице приведенные концентрации субстратов представляют сабоя суммарные концентрации гндратироваиных и негидратированных форм, в отношении К /[5) числитель н знаменатель завышены в одно и то же число Раз (Тгепбсат Р. й.. МсмисгаУ С. Н.. Ро2аоп С. 1. В1осЬет. 3.. 114, 19 (1969)1 йоУпо)ба 5. 3., Уа!еэ О. %., Ра2зоп С. 1.
В(осЬее. 3.. 122, 285 (197(Ц. а) Уозьма А„%'всапаЬе 5. 3. Ыо). СЬет.. 247, 440 (1972Ь н) йаа Р. й.. Оезрег Р. В(осЬет. 3„81, 405 (1961). н) Сомбп! й. %'.. Рмег 1..!. 3. Ыо1. СЬет.. 223, МЭ (1956); Ос1вопа 5., С(е(апб (Ч, %'. В!осЬет(в(гу.
7, 11!5 (1968). 'с) цсо)4 Р., Ввг1сег й. В1осЫт. ЫорЬув. Ас(з, 33, 475 (!964). м) Вопрос о том, является лн этот фермент регуляторным. остается пока отнрытым: концентрация РЕР в любом случае значительно ниже К„. Приведенные данные относятся н случаю. когда [РОР1 500 мкм и выполняется механизм Мнказлиса — Ментен.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
