Том 1 (1129743), страница 53
Текст из файла (страница 53)
Обратную ей величину называют константой диссоциации Kd (в единицах моль/литр).Глава 3. Белки 273Рис. 3.44. Небольшие изменения в числеслабых связей могут оказать сильное влияние на взаимодействие. Данный примериллюстрирует биологический смысл математических выкладок по влиянию числа присутствия или отсутствия нескольких слабыхнековалентных связей.3.2.8. Первый шаг ферментативного катализа — связывание субстратаДля белка, который катализирует ту или иную химическую реакцию (т. е. для фермента), связываниемолекулы субстрата является необходимой прелюдией. В простейшемслучае, если мы обозначим ферментбуквой E, субстрат — буквой S, апродукт — буквой P, то основнойпуть протекания реакции примет видE + S → ES → EP → E + P.
Отсюдаследует, что одна молекула фермента может «обработать» за данное время ограниченное количество субстрата. Увеличение концентрации субстрата увеличивает искорость, с которой образуется продукт, но до какого-то максимального значения(рис. 3.45). В этой точке молекула фермента насыщается субстратом и скоростьреакции (Vmax) зависит только от того, сколь быстро фермент может обработатьмолекулу субстрата. Эта максимальная скорость, поделенная на концентрациюфермента, носит название числа оборотов. Число оборотов часто равно приблизительно 1 000 молекул субстрата в секунду, обрабатываемых одной молекулойфермента, хотя известны и другие значения — от 1 до 10 000.Другой кинетический параметр, часто используемый для характеристики фермента, — это Km — концентрация субстрата, при которой скорость реакции равнаполовине ее максимальной скорости (0,5 Vmax) (см.
рис. 3.45). Низкое значение Kmозначает, что фермент достигает максимальной каталитической скорости при низкойконцентрации субстрата, и обычно указывает на то, что этот фермент связываетсясо своим субстратом очень сильно, тогда как высокое значение Km соответствуетслабому связыванию3. Методы, применяемые для характеристики ферментов подобным образом, расписаны в приложении 3.3 (стр. 162–163).3.2.9. Ферменты ускоряют реакции за счет избирательной стабилизации переходных состоянийФерменты достигают чрезвычайно высоких скоростей химических реакций —скоростей, которые намного выше, чем у синтетических катализаторов.
Есть несколько причин такой эффективности. Во-первых, фермент увеличивает локальную3 Строго говоря, низкое значение Km означает, что фермент катализирует превращение данногосубстрата быстро, тогда как высокое значение Km соответствует медленному каталитическому процессу.Иногда просто говорят «быстрая» и «медленная» реакция. — Прим. ред.274Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 3.45. Ферментативная кинетика.
С увеличением концентрациисубстрата скорость ферментативнойреакции (V) возрастает до тех пор,пока не будет достигнуто максимальное значение (Vmax). В этой точке всесвязывающие субстрат участки на молекулах фермента полностью занятыи скорость реакции ограничиваетсяскоростью каталитического процессана поверхности фермента.
Для большинства ферментов концентрациясубстрата (Km), при которой скоростьреакции равна половине от максимально возможной (отмечена черной точкой), служит мерой того,насколько хорошо фермент связывает субстрат, причем большая величина Km соответствует слабомусвязыванию.концентрацию молекул субстрата на каталитическом участке и удерживает все необходимые атомы в правильной для протекания намеченной реакции ориентации.Но что еще важнее, часть энергии связывания вносит прямой вклад в катализ.Молекулы субстрата должны пройти через ряд промежуточных состояний со своейслегка изменяющейся геометрией и своим распределением электронов, прежде чемиз них образуются конечные продукты реакции.
Свободную энергию, необходимуюдля достижения наиболее неустойчивого переходного состояния, называют энергиейактивации этой реакции, и это главная определяющая скорости реакции. Ферментыобладают намного более высоким сродством к переходному состоянию субстрата,чем к его устойчивой форме. Поскольку это сильное связывание значительно снижает энергию переходного состояния, фермент намного ускоряет определеннуюреакцию, понижая ее энергию активации (рис. 3.46).Целенаправленно получая антитела, которые действуют подобно ферментам, мы можем продемонстрировать, что стабилизация переходного состоянияможет во много раз увеличить скоростьреакции.
Рассмотрим, например, гидролиз амидной связи, которая аналогичнапептидной связи, соединяющей две соседние аминокислоты в белке. В водномрастворе амидная связь очень медленногидролизуется по механизму, показанному на рис. 3.47, а. В расположенном вРис. 3.46. Ферментативное ускорение химическихреакций путем снижения энергии активации.
Часто оказывается так, что и некатализируемая реакция А и катализируемая ферментом реакция Б могутпроходить через несколько переходных состояний.Именно переходное состояние с наиболее высокойэнергией (ST и EST) определяет энергию активации илимитирует скорость реакции. (S = субстрат; P = продукт реакции; ES = комплекс фермент–субстрат; EP= комплекс фермент–продукт.)Глава 3. Белки 275Таблица 3.1. Некоторые распространенные типы ферментовФЕРМЕНТКАТАЛИЗИРУЕМАЯ РЕАКЦИЯГидролазыОбщее название ферментов, катализирующих реакции гидролитического расщепления; нуклеазы и протеазы суть более специальные названия подклассовтаких ферментов.НуклеазыРасщепляют нуклеиновые кислоты, гидролизуя связи между нуклеотидами.ПротеазыРасщепляют белки, гидролизуя связи между аминокислотамиСинтетазыСинтез молекул в ходе анаболических реакций путем объединения меньшихмолекул в более крупные посредством реакции конденсации.ИзомеразыПерестройка системы связей в пределах молекулы.ПолимеразыРеакции полимеризации, такие как синтез ДНК и РНК.КиназыПрисоединение фосфатных групп к молекулам.
Протеинкиназы образуют важнуюгруппу киназ, присоединяющих фосфатные группы к белкам.ФосфатазыГидролитическое удаление фосфатных групп из молекул.ОксидоредуктазыОбщее название ферментов, которые катализируют реакции, в ходе которых однамолекула окисляется, а другая — восстанавливается. Часто ферментам данноготипа дают более узко-специфические названия: оксидазы, редуктазы или дегидрогеназы.ATP-азыГидролиз ATP. Многие белки с широким диапазоном функций обладают энергопреобразующим действием в составе их общей функции, например, моторныебелки, такие как миозин, и белки мембранного транспорта, такие как натриевокалиевый насос.Примечание: названия ферментов обычно оканчиваются на «-азу», за исключением некоторыхферментов, таких как пепсин, трипсин, тромбин и лизоцим, которые были открыты и названы до того,как данная номенклатура стала общепринятой к концу XIX века.
Стандартное название любого ферментауказывает на его субстрат и (или) природу катализируемой им реакции. Например, цитратсинтетазакатализирует синтез цитрата в ходе реакции между acetylCoА и оксалоацетатом.центре промежуточном продукте, или переходном состоянии, карбонильный углерод связан с четырьмя атомами, находящимися в вершинах тетраэдра. Производямоноклональные антитела, которые прочно связываются с устойчивым аналогомэтого очень неустойчивого тетраэдрического промежуточного продукта, можнополучить антитело, которое действует подобно ферменту (рис. 3.47, б).
Посколькутакое каталитическое антитело связывается с тетраэдрическим промежуточнымпродуктом и стабилизирует его, оно увеличивает скорость самопроизвольного гидролиза амидной связи более чем в 10 000 раз.3.2.10. Ферменты могут одновременно использовать кислотныйи основный катализНа рис. 3.48 приведено сравнение скоростей самопроизвольно протекающихреакций со скоростями катализируемых соответствующим ферментом реакций – попяти ферментам. Степени увеличения скорости изменяются от 109 до 1023. Ясно,что ферменты являются намного более совершенными катализаторами, нежеликаталитические антитела.
Ферменты не только прочно связываются с переходнымсостоянием, они также содержат точно размещенные атомы, которые изменяютэлектронные распределения в тех атомах, которые непосредственно участвуют всоздании и разрушении ковалентных связей. Пептидные связи, например, можно276Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 3.47. Каталитические антитела. Стабилизируя переходное состояние, антителом становится фермент. а) В ходе реакции гидролиза амидной связи образуется тетраэдрический промежуточный продукт,соответствующий в реакции переходному состоянию с высокой энергией. б) Молекула слева была ковалентно связана с белком и использована в качестве антигена для создания антитела, которое прочносвязывается с областью молекулы, показанной желтым. Поскольку это антитело прочно связываетсятакже и с переходным состоянием на виде а, оно, как оказалось, обладает действием фермента, которыйэффективно катализирует гидролиз амидной связи в молекуле, изображенной справа.гидролизовать и при отсутствии фермента, подвергая полипептид действию сильнойкислоты или сильного основания, как показано на рис.
3.49. Однако в отношенииспособности одновременно использовать кислотный и основный катализ ферментыуникальны, так как жесткий полипептидный остов связывает кислотные и оснóвныеостатки и препятствует их объединению друг с другом (что они сделали бы в растворе) (рис. 3.49, г).Соответствие между ферментом и его субстратом должно быть абсолютноточным. Небольшое изменение, привнесенное посредством генной инженерии вактивный участок фермента, может оказать глубокое воздействие. Например,в одном ферменте замена глутаминовой кислоты аспарагиновой кислотой смещаетположение каталитического карбоксильного иона всего лишь на 1 Å (то есть примерно на один радиус атома водорода); и все же этого достаточно, чтобы снизитьактивность фермента в тысячу раз.3.2.11. Лизоцим работает как типичный ферментЧтобы наглядно показать, как ферменты катализируют химические реакции,мы рассмотрим фермент, который служит природным антибиотиком в яичном белке,слюне, слезах и других выделениях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
