Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 47
Текст из файла (страница 47)
й Для большинства ферментов концентрация субстрата (К ), при которой сх В бтг а скорость реакции равна половине от максимально возможной (отмечена о черной точкой), служит мерой того, насколько хорошо фермент связывает субстрат, причем большая величина К соответствует слабому связыванию. К концентрация субстрата — ». Примечание: назван»чя ферментов обычно оканчиваются нз з ззу», за исключением нек<лорых ч)яр»ченч он, таких кзк нгнгнн, чрнпгнн.
тромбччн н лизоцнм. которые были открьпы н чьчзвзччьч до чего, как данная но»ченкзатура стала общепринятой к концу Х! Х аскз. Стандартное нззвчние як»бого фермента указывает на его субстрат н (нлн) природу катдчнзнрчемой им реакции Например. Хктрл»лгннтюяаш качалнзнруст гннтгз чшярати в ходе реакции между асегу)Сод н оксалоацетаюм 242 Чесп 1. Введение в мир клетки может обработать молекулу субстрата. Эта максимальная скорость, поделенная на концентрацию фермента, носит название числа оборотов.
Число оборотов часто равно приблизительно 1000 молекул субстрата в секунду, обрабатываемых одной молекулой фермента, хотя известны и другие значения — от 1 до 10000. Другой кинетический параметр, часто используемый для характеристики фермента, — это К вЂ” концентрация субстрата, при которой скорость реакции равна половине ее максимальной скорости (0,5 )г а„) (см. Рис. 3.45). Низкое значение К означает, что фермент достигает максимальной каталитической скорости при низкой концентрации субстрата, и обычно указывает на то, что этот фермент связывается со своим субстратом очень сильно, тогда как высокое значение К соответствует слабому связываниюз.
Методы, применяемые для характеристики ферментов подобным образом, расписаны в приложении З.З (стр. 244 — 245). 3.2.9. Ферменты ускоряют реакции за счет избирательной стабилизации переходных состояний Ферменты достигают чрезвычайно высоких скоростей химических реакций— скоростей, которые намного выше, чем у синтетических катализаторов.
Есть несколько причин такой эффективности. Во-первых, фермент увеличивает локальную 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 своей слегка изменяющейся геометрией и своим распределением электронов, прежде чем из них образуются конечные продукты реакции.
Свободную энергию, необходимую для достижения наиболее неустойчивого переходного состояния, называют энергией активации этой реакции, и этс~ главная определяющая скорости реакции. Ферменты обладают намного более высоким сродством к переходному состоянию субстрата, чем к его устойчивой форме. Поскольку зто сильное связывание значительно снн жает энергию переходного состояния, фермент намного ускоряет определенную реакцию, понижая ее энергию активации (рис.
3.46). Целенаправленно получая антитела, которые действуют подобно ферментам, мы можем продемонстрировать, что стабилизация переходного состояния может во много раз увеличить скорость реакции. Рассмотрим, например, гидролиз амидной связи, которая аналогична пептидной связи, соединяющей две соседние аминокислоты в белке. В водном растворе амидная связь очень медленно гидролизуется по механизму, показанному на рпс.
3.47, а. В расположенном в центре промежуточном продукте, или переходном состоянии, карбонильный углерод связан с четырьмя атомами, находящимися в вершинах тетраэдра. Производя моноклональные антите ла, которые прочно связываются с устойчивым аналогом этого очень неустойчивого тетраэдрического пролгежуточного продуктпа, можно получить антитело, которое действует подобно ферменту (рис. 3.47, б). Поскольку такое каталитическое анти- тело связывается с тетраэдрическим промежуточным продуктом и стабилизирует его, оно увеличивает скорость самопроизвольного гидролиза амидной связи более чем в 10000 раз. з Строго говори, низкое значение К„означает, что фермент катализирует превращение данного субстрата быстро, тогда как высокое значение К соответствует медленному каталитическому процессу.
Иногда просто говорят «быстрая» и «медленг«ая«реакция. — Прим, ред. На рпс. 3.48 приведено сравнение скоростей самопроизвольно протекающих реакций со скоростями катализируемых соответствующим фермеьпом реакций — по пяти ферментам. Степени увеличения скорости изменяются от 109 до 10гз. Ясно, что ферменты являются намного более совершенными катализаторами, нежели каталитические антитела. Ферменты не только прочно связываются с переходным состоянием, они также содержат точно размещеььььые атомы, которые изменяют электронные распределения в тех атомах, которые непосредственно участвуют в создании и разрушении ковалентных связей. Пептидные связи, например, можно гидролизовать и при отсутствии фермента, подвергая полипептид действию сильной кислоты или сильного основания, как показано на рис.
3.49. Однако в отношении способности одновременно использовать кислотный и основный катализ ферменты уникальны, так как жесткий полипептидный остов связывает кислотные и оснбвные остатки и препятствует их обьединению друг с другом (что они сделали бы в раг творе) (рис. 3.49, г). полупериод реакции 1 пзд 1с 1 мс 1м«с 10 лет КАТАЛИЗИРУЕМАЯ НЕКАТАЛИЗИРУЕМАЯ Рис. 3.48. Ускорение реакций ферментами. (Переработана из А.
Яадг1сза а пд Я. Угоиепдеп, 5сгелсе 2 67П 90-93, 1995. С лмбезного разрешении издательства ААА5.) Соответствие между ферментом и его субстратом должно быть абсолютно точным. Неболыпое изменение, привнесенное посредством генной инженерии в активный участок фермента, может оказать сильное воздействие. Например, в одном ферменте замена глутаминовой кислоты аспарагиновой кислотой смещает положение каталитического карбоксильнопз иона всего лишь на 1 А (то есть при мерно на один радиус атома водорода); и все же этого достаточно, чтобы снизить активность фермента в тысячу раз. 3.2.11.
Ливсьциьи (згьбсзтвет кви типичмьзьй ферваемт Чтобы нагьидно показать, как ферменты катализируют химические реакции, мы рассмотрим фермент, который служит природным антибиотиком в яичном белке, 'М' н очень О быстро '' 'н - — М С вЂ”- н О: н н н ОО о гя с ,о„ М н О, быстро "н - — М с —- н О н н н' о: мвдлвюю 'н - — м с— н о.н и н О быстро н - — м с— Н.О Н н н ОО,О с а) бев катализа б) кислотный квтвпиа в) основный катализ в) совместный мюлотный и основный катализ Рис.
З.Я9. Кислотный и основный катализ. а) Начало некаталнзируемой реакции, представленной на рис. 3.47, а, где синим показано распределение электронов в молекулак воды и карбонильных связях. 6) Кислота стремится отдать протон 1Н") другим атомам. Соединяясь с кислородом карбонильнай группы, кислота оттягивает электроны от углерода карбонильной группы, делая зтат атом намного более привлекательным для электроотрицательного кислорода вступающей в реакцию молекулы воды. в) Основание стремится отобрать Н', Соединяясь с водородом участвующей в реакции молекулы воды, основание побуждает электроны сдвигаться к атому кислорода молекулы воды, делая ее более совершенной реакционной группой по отношению к углероду карбонильной группы.
г) За счет особого расположения атомов на своей поверхности фермент способен одновременно осуществлять и кислотный и основный катализ. слюне, слезах и других вь«делениях. Лизоцим катализирует разрезание полисаха ридных цепей в клеточных стенках бактерий. Поскольку бактериальная клетка находится под давлением осмотическнх спл, разрезание даже небольшого числа полисахаридных цепей вызывает разрыв клеточной стенки и разрушение клетки.
Лизоцим представляет собой относ«ггельно маленький и устойчивый белок, который можно легко выделить в больших количествах. По этим причинам его интенсивно изучали, и он был первым ферментом, структура которого была полностью опреде лена па атомном уровне методами рентгеновской кристаллографии. Реакция, которую катализирует лизоцим, относится к гидролизу: он присоеди няет молекулу воды к одинарной связи между двумя соседними сахарньпчи группами в полисахарндной цепи, таким образом вызывая разрыв этой связи (см. рис. 2.19). Такая реакция энергетически благоприятна, потому что свободная энергия разъели пенной полисахарндной цепи ниже, чем свободная энерп«я неповрежденной цепи. Однако чистый полисахарид может сохраняться в воде годами, не претерпевая никакого заметного гидролиза.
Это связано с тем, что для такой реакции существует энергетический барьер, о чем было сказано в главе 2 (см. Рис. 2.46). Молекула воды может разрушить связь, соединяю«пую два сахара, только в том случае, если молекула полисахарида искажена и пребывает в определенной форме -- переход ном состоянии, — в к«т«ором окружающие зту связь атомы имеют видоизмененную геометрию и иное распределение электронов. Из за этого искажения энергии акти нации, получаемой в результате случайных столкновений, становится достаточно для протекания реакции.
В водном растворе при комнатной температуре энергия столкновений почти пик«яда не превышает энерп«ю активации. Вследствие этого гидролиз, если и происходит, то чрезвычайно медленно. Когда же полисахарид связывается с лизоцимом, положение дел изменяется коренным образом. Активный участок лизоцима (по той причине, что его субстратом служит полимер) представляет собой длинную бороздку, в которой одновременно удерживается шесть последовательно связанных друг с другом сахаров.
Как только полисахарид связывается с образованием фермент-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 (рпс. 3.50).
Химия связывания лизоцима со своим субстратом та же, что и для антитела со своим антигеном, — образование многочисленных нековалентных связей. Од пако лизоцим удерживает полисахаридный субстрат особым образом — так, что он искажает один из двух сахаров, образующих подлежащую уничтожению связь, относительно его нормальной, наиболее устойчивой конформации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
