Том 1 (1129743), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Реакция «на спуск» в этом смысле, как часто говорят, являетсяэнергетически благоприятной (выгодной).Хотя наиболее энергетически выгодная форма углерода при нормальных условиях — это CO2, а для водорода — H2O, живой организм не исчезает в клубахдыма, а эта книга в ваших руках не вспыхивает ярким пламенем. Это связано с тем,что как в любом живом организме, так и в нашей книге молекулы находятся в относительно устойчивом состоянии и не могут быть переведены в состояние с болеенизкой энергией без сообщения необходимой энергии извне: другими словами,молекуле необходима энергия активации — толчок через энергетический барьер,— прежде чем она сможет вступить в химическую реакцию, результатом которойбудет более устойчивое состояние (рис.
2.44). В случае полыхающей книги энергияактивации привносится с теплотой зажженной спички. Что до молекул в водномрастворе внутри клетки, толчок сообщается особенно энергичным случайнымстолкновением с окружающими молекулами — такие столкновения становятся всеболее сильными по мере повышения температуры.В живой клетке роль толчка через энергетический барьер в большинстве случаевберут на себя белки специализированного класса — ферменты.
Каждый фермент146Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 2.44. Физический смысл энергии активации. а) Соединение Y (реагент) находится в относительноустойчивом состоянии, и, чтобы превратить его в соединение X (продукт), хотя X находится на болеенизком энергетическом уровне, необходима дополнительная энергия.
Поэтому такое превращениебудет невозможно, если соединение Y не получит достаточно энергии активации (энергия a минус энергия b) из внешней среды для реакции превращения в соединение X. Эта энергия может быть сообщенапри необычайно энергичном столкновении с другими молекулами.
Для обратной реакции, X → Y, энергияактивации будет намного больше (энергия a минус энергия c); поэтому такая реакция будет происходитьнамного реже. Энергии активации всегда положительны; обратите внимание, однако, что изменениеполной энергии для энергетически благоприятной реакции Y → X равно энергии c минус энергия b, тоесть отрицательному числу. б) Энергетические барьеры для определенных реакций могут быть сниженыкатализаторами, что показано линией, обозначенной d. Ферменты являют собой особенно эффективныекатализаторы, потому что они значительно уменьшают энергию катализируемых ими реакций.прочно связывается с одной или несколькими молекулами, называемыми субстратами, и удерживает их в таком состоянии, в котором значительно уменьшаетсяэнергия активации специфической химической реакции, в которую эти субстратымогут вступить. Вещество, которое может понизить энергию активации реакции,получило название катализатор; катализаторы увеличивают скорость химическихреакций благодаря тому, что повышают долю случайных межмолекулярных столкновений, приводящих к химической реакции, как бы перетаскивая субстратычерез энергетический барьер, как показано на рис.
2.45. Ферменты стоят в числесамых эффективных из известных катализаторов и способны ускорять реакциив 1014 раз и более. Таким образом, благодаря ферментам реакции, которые в иномслучае вообще не могли бы произойти, идут с высокой скоростью при обычнойтемпературе.Кроме того, ферменты отличаются крайней избирательностью. Каждый фермент обычно катализирует только одну специфическую реакцию: иными словами,он избирательно понижает энергию активации только одной из нескольких возможных химических реакций, которым связанные им молекулы субстрата моглибы подвергнуться.
Таким вот образом ферменты направляют каждую из множестваразличных молекул в клетке на свой совершенно определенный путь (рис. 2.46).Успех живых организмов предопределен способностью клетки производитьферменты многих типов, каждый — с точно предписанными свойствами. ЛюбойГлава 2. Химия клетки и биосинтез 147Рис. 2.45. Снижение энергии активации значительно увеличивает вероятность реакции.
В любойданный момент времени распределение энергетических уровней в популяции идентичных молекулсубстрата будет иметь вид кривой, показанной на графике. Различие энергий обусловлено столкновениями с окружающими молекулами, которые заставляют молекулы субстрата совершать поступательные,колебательные и вращательные движения. Для того чтобы молекула вступила в химическую реакцию,энергия этой молекулы должна превысить барьер энергии активации для данной реакции; что же добиологических реакций, то большинство из них никогда не произойдет, если не будет ферментативногокатализа.
Даже при ферментативном катализе молекулы субстрата должны претерпеть особенно энергичное столкновение, чтобы прореагировать (красная закрашенная область). Повышение температурытакже может увеличить число молекул с энергией, достаточной для преодоления энергии активации,необходимой для реакции; но, в отличие от ферментативного катализа, этот эффект не избирателен иускоряет все возможные реакции.фермент имеет уникальную форму, содержащую активный участок (сайт): карманили бороздку, куда могут войти лишь специфические субстраты (рис. 2.47).
Подобно всем другим катализаторам, молекулы фермента сами остаются неизменнымипосле участия в реакции и поэтому могут выполнять свои функции снова и снова.В главе 3 мы продолжим рассказ о принципах работы ферментов.2.2.7. Каким образом ферменты находят свои субстраты: огромнаяскорость движения молекулЗачастую тот или иной фермент катализирует реакцию, через которую каждуюсекунду проходят тысячи молекул субстрата. Это означает, что фермент долженуспевать связывать новую молекулу субстрата за долю миллисекунды. Но какферменты, так и их субстраты присутствуют в клетке в относительно малых количествах. Как же они находят друг друга столь быстро? Быстрое связываниевозможно потому, что движение на молекулярном уровне происходит чрезвычайнобыстро. Происходящие на молекулярном уровне движения можно подразделитьна следующие три вида: 1) движение молекулы с одного места на другое (поступательное движение), 2) быстрое движение взад-вперед ковалентно связанных148Часть 1.
Введение в мир клеткиРис. 2.46. Плавающий шарик как аналог ферментативного катализа. а) Заградительная дамба снижена,чтобы наглядно проиллюстрировать ферментативный катализ. Зеленый шар представляет собой потенциальный реагент (соединение Y), который в пределах возможного энергетического уровня (водная гладь)прыгает вверх и вниз из-за постоянных столкновений с волнами (аналогия тепловой бомбардировкимолекулы реагента окружающими молекулами воды). Когда барьер (энергия активации) значительнопонижается, это позволяет совершить энергетически благоприятное движение шара (реагента) внизпо склону. б) Четыре стенки ящика представляют барьеры энергии активации для четырех разныххимических реакций, каждая из которых энергетически выгодна в том смысле, что уровни энергии продуктов этих реакций гораздо ниже, чем для реагирующих веществ — реагентов.
В левом ящике ни однаиз этих реакций не протекает, потому что энергии даже самых высоких волн не достаточно для того,чтобы преодолеть какой-либо из энергетических барьеров. В правом ящике ферментативный катализпонижает энергию активации только для реакции № 1; теперь удары волн позволяют молекуле реагентапройти через этот энергетический барьер, вызывая таким образом реакцию № 1. в) Распадающаясяна множество рукавов река с набором преграждающих плотин (желтые прямоугольники) помогаетпонять, как цепь катализируемых ферментами реакций определяет точный путь следования каждоймолекулы, находящейся в клетке.атомов относительно друг друга (колебания) и 3) вращение.
Все виды движенияприводят к сближению поверхностей взаимодействующих молекул.Скорость движения молекул может быть измерена с помощью разнообразныхспектроскопических методов. Крупный глобулярный белок постоянно кувыркается,вращаясь вокруг своей оси, – приблизительно миллион раз в секунду. Молекулынаходятся также в постоянном поступательном движении, которое побуждает ихочень эффективно осваивать внутреннее пространство клетки, блуждая в нем туда-Глава 2.
Химия клетки и биосинтез 149Рис. 2.47. Принцип работы ферментов. Каждый фермент имеет активный участок, с которым связывается одна или более молекул субстрата, образуя ферментно-субстратный комплекс. В активномучастке фермента происходит реакция и образуется комплекс фермент–продукт. Наконец, продуктвысвобождается, что позволяет ферменту связать следующую молекулу субстрата.сюда, — этот процесс называется диффузией. Таким образом, каждая молекулав клетке ежесекундно сталкивается с огромным числом других молекул. Когдамолекулы в жидкости сталкиваются и отскакивают друг от друга, отдельно взятаямолекула перемещается сначала по одному пути, затем по другому, ее путь представляет собой случайное блуждание (рис. 2.48).
При таком блуждании среднеерезультирующее расстояние, которое каждая молекула проходит (как летает ворона) от своей отправной точки, пропорционально квадратному корню затраченного времени: то есть, если молекуле требуется в среднем 1 секунда, чтобы пройти1 мкм, то потребуется 4 секунды, чтобы пройти 2 мкм, 100 секунд, чтобы пройти10 мкм, и так далее.Внутреннее пространство клетки очень насыщенно (рис.
2.49). Тем не менееэксперименты, в которых в клетки вводились флуоресцентные красители или иныемеченые молекулы, показывают, что маленькие органические молекулы диффундируют через водный гель цитозоля почти так же быстро, как через воду. Например,маленькой органической молекуле требуется в среднем лишь около одной пятой долисекунды, чтобы продиффундировать на расстояние 10 мкм. Поэтому для маленьких молекул диффузия служит эффективнымспособом перемещения на ограниченные расстояния в клетке (диаметр типичной клеткиживотных 15 мкм).Так как в клетках ферменты передвигаются гораздо медленнее субстратов, мы можемпредставить их сидящими на месте уваль-Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
