Lenindzher Основы биохимии т.1 (1128695), страница 64
Текст из файла (страница 64)
УЬ Кхаес Тип кате тизируемой ре- акции Перенос злектронон 1. Оксиаоредукт азы 2. Трансферазы Реакции с переносом групп Реакции гидролиза (перенос функциональных групп на молекулу воды! Присоединение групп по двойным связям и обратные реакции Перенос групп внутри молекулы с образованием изомерных форм Образование С С-, С Яз С вЂ” О- и С--(Ч- связей за счет реакций конденсации, сопряженных с распадом АТР 3. ( идролазы 4. Лиазы 5. Изомеразы 6.
Лигазы 9.4. Ферменты ускоряют химические реакции, снижая энергию активации Ферменты -это истинные катализаторы. Онн значительно повышают скорость строго определенных химических реакций, которые в отсутствие фермента казывает, что акцептором фосфатной группы служит О-гексоза. В тех случаях, когда фермент имеет длинное или труднопроизносимое систематическое название, можно пользоваться его тривиальным названием. Например. тривиальное название обсуждаемого нами фермента.-гексокиназа. протекают очень медленно.
Ферменты не могут влиять на положение равновесия ускоряемых ими реакций, при этом в ходе реакций они не расходуются и не претерпевают необратимых изменений. Каким образом катализаторы. в частности ферменты, повышают скорость химических реакций? Прежде всего мы должны вспомнить о том, что в любой популяции молекул индивидуальные молекулы при постоянной температуре сильно различаются по количеству содержащейся в них энергии и что распределение общей энергии меягду молекулами описывается колоколообразной кривой. Одни молекулы обладают высокой энергией, а другие более низкой, но в большинстве из них содержится количество энергии, близкое к среднему значенинх Химическая реакция типа А-+Р протекает потому, что в любой момент времени некоторая доля молекул А обладает болыпей внутренней энергией по сравнению с другими молекулами данной популяции, н этой энергии оказывается достаточно дпя достижения ими вершины энергетического барьера (рис.
9-3) и перехода в активную форму, называемую переходным гоггпоянием. Энергией активации называется количество энергии в калориях, необходимое для того, чтобы все молекулы 1 моля вещества при определенной температуре достигли переходного состояния, соответствующего вершине энергетического (активационного) барьера. В этой точке существует равная вероятность того, что достигшие ее молекулы вступят в реакцию с образованием продукта Р илн вернутся обратно на уровень непрореагировавших молекул А (рис. 9-3й Скорость любой химической реакции пропорционшуьна концентрации молекул, находящихся в переходном состоянии.
Следовательно, скорость химической реакции будет очень высокой, если на вершине энергетического барьера находится значительная доля молекул А, и очень низкой, если доля таких молекул невелика. Существуют два основных пути повышения скорости химической реакции. Первый путь повышение температуры. т. е, ускорение теплового движения моле- ГЛ. 9. ФЕРМЕНТЫ 231 Свободн ая энергия системы Ход реакции — в Рис. 9-3. Катализаторы сниимот энергию актнвапии (энергетический, ияи акгивапиоииый, барьерз химических реакций, не влияя ири этом иа полное изменение свободной энергии в «оде реакции и на конечное состоннне равновесия.
Вершина энергетического барьера соответствует переходному состоянию. кул, которое приволит к увеличению доли молекул, обладающих достаточной внутренней энергией для достижения переходного состояния. Как правило, повышение температуры на 1О'С вызывает ускорение химической реакции приблизительно в два раза. Второй путь ускорения химической реакции добавление катализатора. Катализаторы ускоряют химические реакции, находя «обходные пути», позволяющие молекулам преодолевать активационный барьер на более низком энергетическом уровне. Катализатор (обозначим его буквой С) на промежуточной стадии реакции взаимодействует с реагентом А с образованием нового комплекса или соединения СА, переходному состоянию которого соответствует значительно более низ- кая энергия активации по сравнению с переходным состоянием реагента А в неквтализируемой реакции (рис. 9-3).
Затем комплекс реагент — катализатор (СА) распадается на продукт Р и свободный катализатор, который может опять соединиться с другой молекулой А и повторить весь пикл. Именно таким образом катализаторы снижают энергию активации химической реакции; в их присутствии гораздо более значительная доля молекул данной популяции вступает в реакцию в единицу времени.Ферменты, так же как и другие катализаторы, соединяются с своими субстратами в ходе каталитического цикла. 9.5. Концентрации субстрата оказывает огромное влияние иа скорость реакций, каталнзнруемых ферментами Давайте рассмотрим влияние изменения концентрации субстрата на начальную скорость ферментативной реакции при постоянной концентрации фермента 232 чйсть ь БиОМОлекулы Начальн скорость Конпеитрапня субстрата, Н Рис.
Гьа. Влияние коннентрапии субстрата на начальную скорость кататизирусмой ферментом реакпии Из такого графика можно определить величину Р только путем гсак аппроксимироваиия, Точноеопределеиие втой величины в данном случае невозможно, так как по мере повышения коннен гранин субстра ~ а начальная скорость реакнин лишь приближается к У, но никогда ее не достигает. Конпентрапия субстрата, при которой скорость реакпии ссставлнет половину максимальнон. численно равна К„ -«онсганче Миламиса Менгса. (рнс. 9-4).
При очень низких концентра.циях субстрата скорость реакции очень мала, но постепенно возрастает по мере повышения концентрации субстрата. Если мы будем измерять начальную скорость каталитической реакции прн разных. все возрастающих концентрациях субстрата, то обнаружим, что приращения скорости становятся с каждым разом все меньше и меньше.
Наконец, наступает момент, когда любое увеличение концентрации субстрата вызывает лишь бесконечно малое ускорение реакции (рис. 9-4). Как бы ни увеличивалась при этом концентрация субстрата, скорость реакции может лишь приближаться к плато, но никогда его не достигнет. На этом плато, называемом максимальной скорасгпью реакг)ии (Ушак), фермент «насыщена субстратом и не может функционировать быстрее. Такой эффект насыщения свойствен почти всем ферментам. Зто наблюдение позволило Виктору Генри сделать в 1903 г. вывол, что необходимой стадией ферментативного катализа является соединение фермента с субстратом, в результате чего образуется фермент-субстратный комплекс.
Развитие этой идеи привело в дальнейшем к созданию обшей теории действия ферментов; особенно большой вклад в эту теорию внесли Леонор Мнхаэлис и Мод Ментен. В )9(3 г. они постулировали, что фермент Е сначала обратимо и относительно быстро соединяется со своим субстратом Б в реакции Е+ Б~ЕБ. Образовавшийся при этом фермент-субстратный комплекс затем распадается во второй более медленной обратимой реакции с образованием продукта реакции Р и свободного фермента Е ЕБ Е+ Р.
Поскольку эта вторая, более медленная реакшгя представляет собой стадию, лимитирующую скорость всего процесса, общая скорость катализируемой ферментом реакции должна быть пропорциональна концентрации фермент-субстрат- ного комплекса ЕБ, В ходе каталитнческой реакции в любой момент времени фермент существует в двух формах: в свободной, нли несвязанной, форме и в связанном виде, т. е, в составе комплекса ЕБ. Скорость каталнтической реакции, очевидно, будет максимальной, когда факгически весь фермент перейдет в комплекс ЕБ, а концентрация свободного фермента Е станет предельно низкой. Зто условие выполняется только при очень высоких концентрациях субстрата, так как, согласно закону действующих масс, при повышении концентрации Б равновесие первой реакции сдвигается вправо Е+БпЕБ.
Если мы повысим концентрацию Б до достаточно высокого уровня, то практически весь фермент Е перейдет в форму ЕБ. В ходе второй реакции каталитического цикла комплекс ЕБ непрерывно и быстро распадается на продукт Р и свободный фермент. Но если концентрация Б достаточно высока, свободный фермент будет сразу же взаимодействовать с другой молекулой Б.
В этих условиях устанавливается некое стационарное состояние, ! з ч тегмензы Кпьх газ Км+Я ' Дополнение 9-1. Уравнение Михаэлиса-Ментен Для мноз.их ферментов характерна гиперболическая кривая зависимости скорости реакции от концентрации субстрата (рис. 9-4), постепенно приближающаяся к точке, соответствующей насыщению фермента субстратом. Мы уже видели, что такие кривые имеют две основные точки: 1) Км- концентрация субстрата, при которой скорость реакции равна половине ее максималыюй скорости, и 2) )(ьь„максимальная скорость, т.е. предельное значение, к которому приближается скорость реакции прн бесконечно большой концентрации субстрата.
Михаэлис и Ментен показали, что из гиперболических кривых насыщения ферментов можно извлечь много лополнительной полезной информации, если перевести их в простую математическую форму. Уравнение Михаэяиса — Меигпеи представляет собой алгебраическое выражение гиперболической формы таких кривых. Членами этого важнейшего уравнения являются: концентрация субстрата Б, начальная скоросгь вв, Уюьх и Км, Уравнение Мнхаэлиса- Ментен лежит в основе всех кинетических исследований ферментативных реакций, так как при котором фермент полностью насы- щен субстратом и реакция протекает с максимальной скоростью. 9.6. Существует колвчествеаная связь между концентрацией субстрата и скоростью Ферментатявной реакцяи На рис. 94 показана кривая, характеризующая зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.
Из рисунка видно, чзо по этой кривой, которая только приближается к точке,соответствующей'максимальной скорости реакции, но никогда ее не досгигнез, трудно определить точно, при какой концентрации субстрата устанавливается );„ьх.Однако благодаря тому, что эта кривая„представляющая собой гиперболу, имеет одинаковую форму для большинства ферментов, Михазлис и Ментен определили константу, обозначаемую в насгояшее время через Км, при помощи которой удобно выражать точное соотношение между концентрацией субстрата и скоростью каталнзируемой ферментом реакции. Величину Км, иначе константу Михаэлиса- Ментен. можно определить просто как концентрацию специфического субстрата, при которой данный ферл~еит обесиечивиет скорость реакции, равную пававцие ее иаксимавьиай скорости (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
