Том 1 (1129743), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Лизоцим катализирует разрезание полисаха-Глава 3. Белки 277Рис. 3.48. Ускорение реакций ферментами. (Переработано из A. Radzicka and R. Wolfenden, Science 267:90–93, 1995. С любезного разрешения издательства AAAS.)ридных цепей в клеточных стенках бактерий. Поскольку бактериальная клетканаходится под давлением осмотических сил, разрезание даже небольшого числаполисахаридных цепей вызывает разрыв клеточной стенки и разрушение клетки.Лизоцим представляет собой относительно маленький и устойчивый белок, которыйможно легко выделить в больших количествах. По этим причинам его интенсивноизучали, и он был первым ферментом, структура которого была полностью опреде-Рис. 3.49. Кислотный и основный катализ.
а) Начало некатализируемой реакции, представленной нарис. 3.47, а, где синим показано распределение электронов в молекулах воды и карбонильных связях.б) Кислота стремится отдать протон (H+) другим атомам. Соединяясь с кислородом карбонильнойгруппы, кислота оттягивает электроны от углерода карбонильной группы, делая этот атом намногоболее привлекательным для электроотрицательного кислорода вступающей в реакцию молекулыводы.
в) Основание стремится отобрать H+. Соединяясь с водородом участвующей в реакции молекулыводы, основание побуждает электроны сдвигаться к атому кислорода молекулы воды, делая ее болеесовершенной реакционной группой по отношению к углероду карбонильной группы. г) За счет особогорасположения атомов на своей поверхности фермент способен одновременно осуществлять и кислотный и основный катализ.278Часть 1. Введение в мир клеткиРис.
3.50. Реакция, катализируемая лизоцимом.а) Фермент лизоцим (E) катализирует разрезаниеполисахаридной цепи, которая является его субстратом (S). Этот фермент сначала связывается сцепью с образованием ферментно-субстратногокомплекса (E–S) и затем катализирует расщепление определенной ковалентной связи в основнойцепи полисахарида, образуя комплекс фермент–продукт (E–P), который быстро диссоциирует.Высвобождение расчлененной цепи (продукты P) освобождает фермент для дальнейшейработы — со следующей молекулой субстрата.б) Пространственная модель молекулы лизоцима, связанного с короткой цепью полисахаридаперед ее расщеплением.
(Изображение б любезно предоставил R. J. Feldmann.)лена на атомном уровне методами рентгеновской кристаллографии.Реакция, которую катализирует лизоцим, относится к гидролизу: он присоединяет молекулу воды к одинарной связи между двумя соседними сахарнымигруппами в полисахаридной цепи, таким образом вызывая разрыв этой связи (см.рис. 2.19). Такая реакция энергетически благоприятна, потому что свободная энергияразъединенной полисахаридной цепи ниже, чем свободная энергия неповрежденнойцепи. Однако чистый полисахарид может сохраняться в воде годами, не претерпеваяникакого заметного гидролиза.
Это связано с тем, что для такой реакции существуетэнергетический барьер, о чем было сказано в главе 2 (см. рис. 2.46). Молекулаводы может разрушить связь, соединяющую два сахара, только в том случае, еслимолекула полисахарида искажена и пребывает в определенной форме — переходном состоянии, — в котором окружающие эту связь атомы имеют видоизмененнуюгеометрию и иное распределение электронов.
Из-за этого искажения энергии активации, получаемой в результате случайных столкновений, становится достаточнодля протекания реакции. В водном растворе при комнатной температуре энергиястолкновений почти никогда не превышает энергию активации. Вследствие этогогидролиз, если и происходит, то чрезвычайно медленно.Когда же полисахарид связывается с лизоцимом, положение дел изменяетсякоренным образом. Активный участок лизоцима (по той причине, что его субстратомГлава 3.
Белки 279служит полимер) представляет собой длинную бороздку, в которой одновременноудерживается шесть последовательно связанных друг с другом сахаров. Как толькополисахарид связывается с образованием ферменто-субстратного комплекса, фермент разрезает полисахарид, присоединяя молекулу воды по одной из межуглеводных связей. После этого образовавшиеся олигосахариды быстро высвобождаются,тем самым освобождая фермент для выполнения следующих циклов (рис.
3.50).Химия связывания лизоцима со своим субстратом та же, что и для антителасо своим антигеном, — образование многочисленных нековалентных связей. Однако лизоцим удерживает полисахаридный субстрат особым образом — так, чтоон искажает один из двух сахаров, образующих подлежащую уничтожению связь,относительно его нормальной, наиболее устойчивой конформации. Кроме того, этаРис. 3.51. События на активном участке лизоцима. На верхнем левом и верхнем правом рисункахпоказаны соответственно свободный субстрат и свободные продукты, тогда как другие три рисунка показывают последовательность событий, происходящих в активном центре фермента. Обратите вниманиена изменение конформации сахара D в ферментно-субстратном комплексе; такое изменение формыстабилизирует переходные состояния, подобные иону оксокарбония, что необходимо для образования игидролиза ковалентного промежуточного продукта, показанного на среднем рисунке.
Также возможно,что на этапе 2 в качестве промежуточного продукта образуется ион карбония, поскольку ковалентныйпромежуточный продукт, показанный на среднем рисунке, был обнаружен только в реакции с синтетическим субстратом. (См. D. J. Vocadlo et al., Nature 412: 835–838, 2001.)280Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 3.52. Некоторые общие принципы ферментативного катализа. а) Удерживать субстраты вместе вточно заданном взаимном расположении. б) Стабилизировать промежуточные продукты реакции путем перераспределения зарядов. в) Приложить силу, которая искажает связи в субстрате, и тем самымувеличить скорость определенной реакции.связь, которая будет разрушена, удерживается вблизи двух находящихся в активном участке лизоцима аминокислот с кислыми боковыми цепями (глутаминовая иаспарагиновая кислоты).Таким образом, в микросреде активного участка лизоцима создаются условия,которые сильно уменьшают энергию активации, необходимую для гидролиза.
Нарис. 3.51 представлены три основных этапа этой ферментативно катализируемойреакции.1. Фермент вызывает напряжения в связанном им субстрате, так что формаодного из сахаров напоминает форму переходных состояний с высокой энергией,образующихся в ходе реакции.Рис.
3.53. Ретиналь и гем. а) Структура ретиналя — светочувствительной молекулы, присоединенной кродопсину (основному зрительному пигменту). б) Структура группы гема. Содержащее углерод кольцогема отмечено красным, а атом железа в его центре окрашен оранжевым. Группа гема прочно связанасо всеми четырьмя полипептидными цепями в гемоглобине — переносящем кислород белке, структуракоторого показана на рис. 3.22.Глава 3.
Белки 2812. Отрицательно заряженная аспарагиновая кислота реагирует с атомом углерода C1 искаженного сахара, а глутаминовая кислота жертвует свой протон кислороду,который связывает этот сахар с соседним. В результате связь между этими двумясахарами расщепляется, и боковая цепь аспарагиновой кислоты остается ковалентносвязанной с С1, по которому и произошло расщепление связи.3. При помощи отрицательно заряженной глутаминовой кислоты молекула водыреагирует с атомом углерода C1, вытесняя боковую цепь аспарагиновой кислотыи завершая процесс гидролиза.Полная химическая реакция — от начального связывания полисахарида наповерхности фермента и до заключительного высвобождения разобщенных цепейпроисходит во много миллионов раз быстрее, чем протекала бы в отсутствие фермента.Другие ферменты используют подобные механизмы для снижения энергииактивации и ускорения реакций, которые они катализируют.
В реакциях, где вовзаимодействие вовлечено два и более агентов, активный участок служит также иматрицей, или шаблоном, на которой, или соответственно котором, эти субстраты«сводятся вместе» в надлежащей ориентации так, что реакция между ними становитсявозможной (рис. 3.52, а). Как мы видели на примере лизоцима, атомы, входящиев активный участок фермента, размещены очень точно, чтобы ускорять реакциюза счет использования своих заряженных групп для изменения распределенияэлектронов в субстратах (рис. 3.52, б). Кроме того, когда субстрат связывается сферментом, связи в субстрате часто искажаются, изменяя форму субстрата. Этиизменения, наряду с механическими силами, продвигают субстрат к специфическому переходному состоянию (рис. 3.52, в).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
