Катализ – это процесс ускорения химической реакции под влиянием катализаторов, которые активно участвуют в ней, но к концу реакции остаются химически неизмененными. Катализатор ускоряет установление химического равновесия между исходными веществами и продуктами реакции. Энергия, необходимая для начала химической реакции, называется энергией активации . Она необходима, чтобы молекулы, участвующие в реакции, могли перейти в реакционно-способное (активное) состояние. Механизм действия фермента направлен на то, чтобы понизить энергию активации. Это достигается разделением реакции на отдельные шаги или этапы благодаря участию самого фермента. Каждый новый этап обладает более низкой энергией активации. Разделение реакции на этапы становится возможным благодаря образованию комплекса фермента с исходными веществами, так называемыми субстратами (S ). Такой комплекс называется фермент-субстратным (ES ). Далее этой комплекс расщепляется с образованием продукта реакции (Р) и неизмененного фермента (Е ).
E + S ES E + P
Таким образом, фермент – это биокатализатор, который путем образования фермент – субстратного комплекса разбивает реакцию на отельные этапы с более низкой энергией активации и тем самым резко повышает скорость реакции.
4. Свойства ферментов.
Все ферменты - белковой природы.
Ферменты обладают высокой молекулярной массой.
Они хорошо растворимы в воде, при растворении образуют коллоидные растворы.
Все ферменты - термолабильны, т.е. оптимум действия 35 – 45 о С
По химическим свойствам являются амфотерными электролитами.
Ферменты высокоспецифичны по отношению к субстратам.
Ферменты для своего действия требуют строго определенного значения рН (пепсин 1.5 – 2.5).
Ферменты обладают высокой каталитической активностью (ускоряют скорость реакции в 10 6 – 10 11 раз).
Все ферменты способны к денатурации по воздействием сильных кислот, щелочей, спиртов, солей тяжелых металлов.
Специфичность действия ферментов:
По специфичности действия ферменты делятся на две группы: обладающие абсолютной специфичностью и с относительной специфичностью.
Относительная специфичность наблюдается, когда фермент катализирует реакции одного типа с более чем одним структуроподобным субстратом. Например, пепсин расщепляет все белки с животного происхождения. Такие ферменты действуют на определенный тип химической связи, в данном случае на пептидную связь. Действие этих ферментов распространяется на большое число субстратов, что позволяет организму обойтись небольшим числом пищеварительных ферментов.
Абсолютная специфичность проявляется тогда, когда фермент действует лишь на одно-единственное вещество и катализирует лишь определенное превращение данного вещества. Например, сахараза расщепляет только сахарозу.
Обратимость действия:
Некоторые ферменты могут катализировать как прямую реакцию, так и обратную. Например, лактатдегидрогеназа, фермент катализирующий окисление лактата до пирувата и восстановление пирувата до лактата.
Денатурация, причины и признаки, использование в медицине.
Белки чувствительны к внешним воздействиям. Нарушение пространственной структуры белков называют денатурацией. При этом белок теряет все свои биологические и физико-химические свойства. Денатурация сопровождается разрывом связей, стабилизирующих "нативную" структуру белка. Как уже отмечалось выше, в основе стабилизации структуры белков основную роль играет слабое взаимодействие, поэтому денатурацию могут вызывать различные факторы: нагревание, облучение, механическое встряхивание, охлаждение, химическое воздействие. При денатурации, как правило, нарушается и растворимость белков, так как нарушение структуры приводит к появлению на поверхности большого числа гидрофобных групп, обычно упрятанных в центре белковой молекулы.
Первичная структура белка при денатурации не изменяется, что позволило показать возможность восстановления функций и структуры денатурированного белка, хотя в большинстве случаев денатурация является необратимым процессом . В лабораторной практике денатурация используется для депротеинизации биологических жидкостей. Факторы, вызывающие денатурацию, называют денатурирующими агентами. К ним можно отнести:
1. Нагревание и действие облучения высоких энергий (ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное и т.д). В основе лежит возбуждение колебаний атомов, сопровождающееся разрывом связей.
2. Действие кислот и щелочей; изменяют диссоциацию групп, уменьшают число ионных связей.
3. Ионы тяжелых металлов. Образуют комплексные соединения с группами белка, что сопровождается разрывом слабого взаимодействия.
4. Восстановители - вызывают разрыв дисульфидных мостиков.
5. Мочевина, гуанидиний хлористый - формируют новые водородные связи и разрывают старые. Явление денатурации можно использовать и для качественного анализа присутствия белков в растворах. Для этого пользуются пробой с кипячением исследуемой жидкости после ее подкисления. Образующееся при этом помутнение связано с денатурацией белка. Часто используют и осаждение органическими кислотами: сульфосалициловой или трихлоруксусной.
Краткая история энзимологии.
Присуждением Нобелевской премии Дж Самнеру, Дж. Нортропу и Стенли в 1946 г была подведена черта длительному периоду развития энзимологии – науки о ферментах. Начало этой науки восходит к заре истории развития человечества, использующего ряд технологических ферментативных процессов в своей жизни: хлебопечение, виноделие, обработка шкур животных и т.д. Потребность совершенствования этих процессов стало побудительным началом для их углубленного исследования. К первым научным описаниям ферментативных процессов относится описание пищеварения у животных Рене Антуан реомюр (1683-1757) при постановке своих экспериментов исходил из сделанного Фолкнером предположения о том, что хищные птицы отрыгивают не переваренные остатки пищи. Реомюр сконструировал маленькую проволочную капсулу, в которую был положен кусок мяса и дал ее склевать сарычу. Через 24 часа птица выплюнула эту капсулу. В ней остался размягченный кусок пиши, который однако не портился. «Этот процесс может быть только результатом действия какого-то растворителя»,- заключил Реомюр. Лаззаро Спалланцани (1729-1799), профессор истории естествознания в Университете города Падуя, сообщал о подобных же экспериментах. Однако он не рассматривал пищеварение как процесс ферментации по той простой причине, что при этом не образовывались пузырьки газа.
Позже процесс ферментации был более подробно изучен одним из основоположников современной химии Антуаном Лораном Лавуазье (1743-1794). Изучая спиртовое брожение, происходящее при изготовлении вина, он обнаружил, что глюкоза превращается в спирт и углекислый газ,
К началу XIX в. преобладала общая точка зрения, что ферментация - это химические изменения, вызываемые некоторыми специальными формами органического материала, а именно «ферментами». В 1814 г. русский ученый (немец по происхождению) академик Петербургской Академии наук Константин Готлиб Сигизмунд Кирхгоф (1764-1833) показал, что образование сахара из крахмала в проросших зернах злаков обусловлено химическим процессом, а не появлением ростков. В 1810 г Ю. Гей-Люссак выделил основные конечные продукты жизнедеятельности дрожжей – спирт и углекислый газ. Я. Берцелиус, один из основоположников теории химического катализа и автор самого термина «катализ» в 1835 году подтверждает эти данные, отметив, что диастаза (экстракт из солода) катализирует гидролиз крахмала более эффективно, чем минеральная серная кислота. Важную роль в развитии энзимологии сыграл спор Ю Либиха с известным микробиологом Л. Пастером, который считал, что процессы ферментации могут происходить только в целой живой клетке. Ю. Либих, напротив, считал, что биологические процессы вызываются действием химических веществ, которые в последствии были названы ферментами. Термин энзим (греч. еn – в, zyme - дрожжи) предложил 1878 г Фридрих Вильгельм Кюне чтобы подчеркнуть, что процесс идет в дрожжах в противоположность самим дрожжам, которые катализируют процесс ферментации. Однако в 1897 году Э. Бюхнер получил свободный от клеток экстракт из дрожжей, способный получать этанол и утвердил мнение Либиха.
Попытки объяснить одно из важных свойств ферментов специфичность привело в 1894 году немецкого химика и биохимика Э. Фишера к предложению модели взаимодействия фермента и субстрата, названной «ключ-замок» – геометрической комплементарности форм субстрата (ключ) и фермента(замок). В 1926 году Дж. Самнер после почти 9-летених исследований доказал белковую природу фермента уреазы. В те же годы Дж Нортроп и М Кунитц указали на прямую корреляцию между активностью кристаллических пепсина, трипсина и количеством белка в исследуемых образцах, приведя тем самым весомые доказательства белковой природы ферментов, хотя окончательные доказательства были получены после определение первичной структуры и искусственного синтеза ряда ферментов. Основные представления о ферментах получены уже во второй половине ХХ столетия. В 1963 году исследована аминокислотная последовательность РНКазы из поджелудочной железы. В 1965 г показана пространственная структура лизоцима. За последующие годы очищены тысячи ферментов и получено много новых данных о механизмах действия ферментов, их пространственной структуре, регуляции реакций, катализируемых ферментами. Обнаружена каталитическая активность у РНК (рибозимы). Получены антитела с ферментативной активностью –абзимы. Эта глава кратко знакомит с современными представлениями о строении, механизме действия и медицинских аспектах энзимологии.
Особенности ферментативного катализа.
1. Белковая природа катализатора
2. Исключительно высокая эффективность. Эффективность биологического катализа превышает эффективность неорганического в 10 9 - 10 12
3. Исключительно высокая специфичность:
а) абсолютная, когда фермент работает только со своим субстратом (фумараза с транс-изомерами фумаровой кислоты и не будет с цис-изомерами);
б) групповая - специфичен для узкой группы родственнных субстратов (ферменты ЖКТ).
4. Работает в мягких условиях (t=37, рН 7.0, определенные осмолярность и солевой состав).
5. Многоуровневая регуляция: регуляция активности на уровне условий среды, на уровне метаболона, на генетическом уровне, тканевом, клеточном, с помощью гормонов и медиаторов, а также с помощью субстратов и продуктов той реакции, которую они катализируют.
6. Кооперативность: ферменты способны организовывать ассоциации - продукт 1-го фермента, является субстратом для 2-го; продукт 2-го - субстратом для 3-го и т.д.
Кроме того, ферменты обладают адаптивностью, т. е. могут изменять свою активность и образовывать новые ассоциации.
7. Способны катализировать как прямую так и обратную реакцию. Направление реакции для многих ферментов определяется соотношением действующих масс.
8. Катализ жестко расписан, т. е. происходит поэтапно.
Специфичность действия ферментов.
Высокая специфичность ферментов обусловлена, конформационной и электростатической комплементарностью между молекулами субстрата и фермента и уникальной структурой активного центра фермента, обеспечивающими «узнавание», высокое сродство и избирательность протекания одной какой-либо реакции.
В зависимости от механизма действия различают ферменты с относительной или групповой специфичностью и с абсолютной специфичностью.
Для действия некоторых гидролитических ферментов наибольшее значение имеет тип химической связи в молекуле субстрата. Так например, пепсин, расщепляет белки животного и растительного происхождения, хотя они могут отличаться по химическому строению, а/к составу, физиологическим свойствам. Однако пепсин не расщепляет углеводы и жиры. Это объясняется тем, что местом действия пепсина является пептидная связь. Для действия липазы таким местом является сложно-эфирная связь жиров.
Т. е. эти ферменты обладают относительной специфичностью.
Абсолютной специфичностью действия называют, способность фермента катализировать превращение только единственного субстрата и любые изменения в структуре субстрата делают его недоступным для действия фермента. Например: аргиназа, расщепляющая аргинин; уреаза, катализирующая распад мочевины.
Имеются доказательства существования стереохимической специфичности, обусловленной существованием оптически изомерных L- и D- форм или геометрических (цис- и транс-) изомеров
Так известны оксидазы L и D а/к.
Если какое-либо соединение существует в форме цис- и трансизомеров, то для каждой из этих форм, существует свой фермент. Например, фумараза катализирует превращение только фумаровой кислоты (транс-), но не действует на цис-изомер - малеиновую кислоту.
Механизмы ферментативного катализа определяются ролью функциональных групп активного центра фермента в химической реакции превращения субстрата в продукт. Выделяют 2 основных механизма ферментативного катализа: кислотно-основной катализ и ковалентный катализ.
1. Кислотно-основной катализ
Концепция кислотно-основного катализа объясняет ферментативную активность участием в химической реакции кислотных групп (доноры протонов) и/или основных групп (акцепторы протонов). Кислотно-основной катализ - часто встречающееся явление. Аминокислотные остатки, входящие в состав активного центра, имеют функциональные группы, проявляющие свойства как кислот, так и оснований.
К аминокислотам, участвующим в кислотно-основном катализе, в первую очередь относят Цис, Тир, Сер, Лиз, Глу, Асп и Гис. Радикалы этих аминокислот в протонированной форме - кислоты (доноры протона), в депротонированной - основания (акцепторы протона). Благодаря этому свойству функциональных групп активного центра ферменты становятся уникальными биологическими катализаторами, в отличие от небиологических катализаторов, способных проявлять либо кислотные, либо основные свойства. Ковалентный катализ основан на атаке нук-леофильных (отрицательно заряженных) или электрофильных (положительно заряженных) групп активного центра фермента молекулами субстрата с формированием ковалентной связи между субстратом и коферментом или функциональной группой аминокислотного остатка (как правило, одной) активного центра фермента.
Действие сериновых протеаз, таких как трипсин, химотрипсин и тромбин, - пример механизма ковалентного катализа, когда ковалентная связь образуется между субстратом и аминокислотным остатком серина активного центра фермента.
25. Под комплементарностью понимают пространственное и химическое соответствие взаимодействующих молекул. Лиганд должен обладать способностью входить и пространственно совпадать с конформацией активного центра. Это совпадение может быть неполным, но благодаря конформационной лабильности белка активный центр способен к небольшим изменениям и "подгоняется" под лиганд. Кроме того, между функциональными группами лиганда и радикалами аминокислот, образующих активный центр, должны возникать связи, удерживающие лиганд в активном центре. Связи между лигандом и активным центром белка могут быть как нековалентными (ионными, водородными, гидрофобными), так и ковалентными.
Тот факт, что ферменты обладают высокой специфичностью, позволил в 1890 г. выдвинуть гипотезу, согласно которой активный центр фермента комплементарен субстрату, т.е. соответствует ему как "ключ замку". После взаимодействия субстрата ("ключ") с активным центром ("замок") происходят химические превращения субстрата в продукт. Активный центр при этом рассматривался как стабильная, жёстко детерминированная структура.
Субстрат, взаимодействуя с активным центром фермента, вызывает изменение его конформации, приводя к формированию фермент-субстратного комплекса, благоприятного для химических модификаций субстрата. При этом молекула субстрата также изменяет свою конформацию, что обеспечивает более высокую эффективность ферментативной реакции. Эта "гипотеза индуцированного соответствия" впоследствии получила экспериментальное подтверждение.
26. Ферменты, катализирующие одну и ту же химическую реакцию, но отличающиеся по первичной структуре белка, называют изоферментами , или изоэнзимами. Они катализируют один и тот же тип реакции с принципиально одинаковым механизмом, но отличаются друг от друга кинетическими параметрами, условиями активации, особенностями связи апофермента и кофермента. Природа появления изоферментов разнообразна, но чаще всего обусловлена различиями в структуре генов, кодирующих эти изоферменты. Следовательно, изоферменты различаются по первичной структуре белковой молекулы и, соответственно, по физико-химическим свойствам. На различиях в физико-химических свойствах основаны методы определения изоферментов. По своей структуре изоферменты в основном являются олигомерными белками. Фермент лактатдегидрогеназа (ЛДГ) катализирует обратимую реакцию окисления лактата (молочной кислоты) до пирувата (пировиноградной кислоты).
Состоит из 4 субъединиц 2 типов: М и Н. Комбинация этих субъединиц лежит в основе формирования 5 изоформ лактатдегидрогеназы. ЛДГ 1 и ЛДГ 2 наиболее активны в сердечной мышце и почках, ЛДГ4 и ЛДГ5 - в скелетных мышцах и печени. В остальных тканях имеются различные формы этого фермента. Изоформы ЛДГ отличаются электрофоретической подвижностью, что позволяет устанавливать тканевую принадлежность изоформ ЛДГ.
Креатинкиназа (КК) катализирует реакцию образования креатинфосфата:
Молекула КК - димер, состоящий из субъединиц двух типов: М и В. Из этих субъединиц образуются 3 изофермента - ВВ, MB, MM. Изофермент ВВ находится преимущественно в головном мозге, ММ - в скелетных мышцах и MB - в сердечной мышце. Изоформы КК имеют разную электрофоретическую подвижность. Активность КК в норме не должна превышать 90 МЕ/л. Определение активности КК в плазме крови имеет диагностическое значение при инфаркте миокарда (происходит повышение уровня МВ-изоформы). Количество изоформы ММ может повышаться при травмах и повреждениях скелетных мышц. Изоформа ВВ не может проникнуть через гематоэнцефалический барьер, поэтому в крови практически не определяется даже при инсультах и диагностического значения не имеет.
27. ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ (биокатализ), ускорение биохим. р-ций при участии белковых макромолекул, называемых ферментами (энзимами). Ф.к.- разновидность катализа.
Уравнение Михаэлиса-Ментен: - основное уравнение ферментативной кинетики, описывает зависимость скорости реакции,катализируемой ферментом, от концентрации субстрата и фермента. Простейшая кинетическая схема, для которой справедливо уравнение Михаэлиса:
Уравнение имеет вид:
,
Где: - максимальная скорость реакции, равная ; - константа Михаэлиса, равная концентрации субстрата, при которой скорость реакции составляет половину от максимальной; - концентрация субстрата.
Константа Михаэлиса: Соотношение констант скорости
также является константой (К m ).
28. "ингибирование ферментативной активности " - снижение каталитической активности в присутствии определённых веществ - ингибиторов. К ингибиторам следует относить вещества, вызывающие снижение активности фермента. Обратимые ингибиторы связываются с ферментом слабыми нековалентными связями и при определённых условиях легко отделяются от фермента. Обратимые ингибиторы бывают конкурентными и неконкурентными. К конкурентному ингибированию относят обратимое снижение скорости ферментативной реакции, вызванное ингибитором, связывающимся с активным центром фермента и препятствующим образованию фермент-субстратного комплекса. Такой тип ингибирования наблюдают, когда ингибитор - структурный аналог субстрата, в результате возникает конкуренция молекул субстрата и ингибитора за место в активном центре фермента. Неконкурентным называют такое ингибирование ферментативной реакции, при котором ингибитор взаимодействует с ферментом в участке, отличном от активного центра. Неконкурентные ингибиторы не являются структурными аналогами субстрата. Необратимое ингибирование наблюдают в случае образования ковалентных стабильных связей между молекулой ингибитора и фермента. Чаще всего модификации подвергается активный центр фермента, В результате фермент не может выполнять каталитическую функцию. К необратимым ингибиторам относят ионы тяжёлых металлов, например ртути (Hg 2+), серебра (Ag +) и мышьяка (As 3+). Вещества, блокирующие определённые группы активного центра ферментов - специфические и. Диизопропилфторфосфат (ДФФ). Ацетат йода, п-хлормеркурибензоат легко вступают в реакции с SH-группами остатков цистеина белков. Эти ингибиторы относят к неспецифичным. При бесконкурентном ингибировании ингибитор связывается только с фермент-субстратным комплексом, но не со свободным ферментом.
Величину K I = [E]. [I] / , которая представляет собой константу диссоциации комплекса фермента с ингибитором, называют константой ингибирования.
Четвертичные аммониевые основания ингибируют ацетилхолинэстеразу, катализирующую реакцию гидролиза ацетилхолина на холин и уксусную кислоту.
В качестве ингибиторов ферментов по конкурентному механизму в медицинской практике используют вещества, называемые антиметаболитами. Эти соединения, будучи структурными аналогами природных субстратов, вызывают конкурентное ингибирование ферментов, с одной стороны, и, с другой - могут использоваться этими же ферментами в качестве псевдосубстратов. Сульфаниламидные препараты (аналоги парааминобензойной кислоты), применяемые для лечения инфекционных заболеваний.
Пример лекарственного препарата, действие которого основано на необратимом ингибировании ферментов, - препарат аспирин .
Ингибирования фермента циклооксигеназы, катализирующего реакцию образования простагландинов из арахидоновой кислоты.
29.Регуляция скорости ферментативных реакций осуществляется на 3 независимых уровнях:
1. изменением количества молекул фермента;
- доступностью молекул субстрата и кофермента;
- изменением каталитической активности молекулы фермента.
1. Количество молекул фермента в клетке определяется соотношением 2 процессов - синтеза и распада белковой молекулы фермента.
2. Чем больше концентрация исходного субстрата, тем выше скорость метаболического пути. Другой параметр, лимитирующий протекание метаболического пути, - наличие регенерированных коферментов . Важнейшее значение в изменении скорости метаболических путей играет регуляция каталитической активности одного или нескольких ключевых ферментов данного метаболического пути. Это высокоэффективный и быстрый способ регуляции метаболизма. Основные способы регуляции активности ферментов: аллостерическая регуляция; регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий; регуляция путём фосфорилирования/дефосфорилирования молекулы фермента; регуляция частичным (ограниченным) протеолизом.
Повышение температуры до определённых пределов оказывает влияние на скорость ферментативной
реакции, подобно влиянию температуры на любую химическую реакцию. С повышением температуры ускоряется движение молекул, что приводит к повышению вероятности взаимодействия реагирующих веществ. Кроме того, температура может повышать энергию реагирующих молекул, что также приводит к ускорению реакции. Однако скорость химической реакции, катализируемая ферментами, имеет свой температурный оптимум, превышение которого сопровождается понижением ферментативной активности
Для большинства ферментов человека оптимальна температура 37-38 °С.
Активность ферментов зависит от рН раствора, в котором протекает ферментативная реакция. Для каждого фермента существует значение рН, при котором наблюдается его максимальная активность. Отклонение от оптимального значения рН приводит к понижению ферментативной активности.
Влияние рН на активность ферментов связано с ионизацией функциональных групп аминокислотных остатков данного белка, обеспечивающих оптимальную конформацию активного центра фермента. При изменении рН от оптимальных значений происходит изменение ионизации функциональных групп молекулы белка. большая часть ферментов организма человека имеет оптимум рН, близкий к нейтральному, совпадающий с физиологическим значением рН
30. Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых регулируется не только количеством молекул субстрата, но и другими веществами, называемыми эффекторами . Участвующие в аллостерической регуляции эффекторы - клеточные метаболиты часто именно того пути, регуляцию которого они осуществляют.
Аллостерические ферменты играют важную роль в метаболизме, так как они чрезвычайно быстро реагируют на малейшие изменения внутреннего состояния клетки. Имеют большое значение в следующих ситуациях: при анаболических процессах, при катаболических процессах, для координации анаболических и катаболических путей. АТФ и АДФ - аллостерические эффекторы, действующие как антагонисты; для координации параллельно протекающих и взаимосвязанных метаболических путей (например, синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, используемых для синтеза нуклеиновых кислот).
Эффектор, вызывающий снижение (ингибирование) активности фермента, называют отрицательным эффектором, или ингибитором. Эффектор, вызываюший повышение (активацию) активности ферментов, называют положительным эффектором, или активатором. Аллостерическими эффекторами часто служат различные метаболиты.
Особенности строения и функционирования аллостерических ферментов: обычно это олигомерные белки, состоящие из нескольких протомеров или имеющие доменное строение;они имеют аллостерический центр, пространственно удалённый от каталитического активного центра;эффекторы присоединяются к ферменту нековалентно в аллостерических (регуляторных) центрах;аллостерические центры, так же, как и каталитические, могут проявлять различную специфичность по отношению к лигандам: она может быть абсолютной и групповой. протомер, на котором находится аллостерический центр, - регуляторный протомер.аллостерические ферменты обладают свойством кооперативности; аллостерические ферменты катализируют ключевые реакции данного метаболического пути.
конечный продукт может действовать как аллостерический ингибитор фермента, катализирующего чаще всего начальный этап данного метаболического пути:
В центральных метаболических путях исходные вещества могут быть активаторами ключевых ферментов метаболического пути.
Любая каталитическая реакция предполагает изменение скоростей как прямой, так и обратной реакции за счет снижения ее энергетики. Если химическая реакция протекает с выделением энергии, то она должна начинаться спонтанно. Однако этого не происходит, потому что компоненты реакции должны быть переведены в активированное (переходное) состояние. Энергия, необходимая для перевода реагирующих молекул в активированное состояние, называется энергией активации .
Переходное состояние характеризуется непрерывным образованием и разрывом химических связей, причем между переходным и основным состояниями существует термодинамическое равновесие. Скорость прямой реакции зависит от температуры и разности значений свободной энергии для субстрата в переходном и основном состояниях. Эта разность называется свободной энергией реакции .
Достижение переходного состояния субстрата возможно двумя путями:
- за счет передачи реагирующим молекулам избыточной энергии (например, за счет увеличения температуры),
- за счет снижения энергии активации соответствующей химической реакции.
Основное и переходное состояния реагирующих веществ.
Ео, Ек - энергия активации реакции без и в присутствии катализатора; DG -
разность свободной энергии реакции.
Ферменты «помогают» субстратам принять переходное состояние за счет энергии связывания при образовании фермент-субстратного комплекса . Снижение энергии активации при ферментативном катализе обусловлено увеличением числа стадий химического процесса. Индуцирование ряда промежуточных реакций приводит к тому, что исходный активационный барьер дробится на несколько более низких барьеров, преодолеть которые реагирующие молекулы могут гораздо быстрее, чем основной.
Механизм ферментативной реакции можно представить следующим образом:
- соединение фермента (Е) и субстрата (S) с образованием нестойкого фермент-субстратного комплекса (ES): Е + S → E-S;
- образование активированного переходного состояния: Е-S → (ES)*;
- высвобождение продуктов реакции (Р) и регенерация фермента (Е): (ES)* → Р + Е.
Для объяснения высокой эффективности действия энзимов было предложено несколько теорий механизма ферментативного катализа. Наиболее ранней является теория Э. Фишера (теория «шаблона» или «жесткой матрицы »). Согласно этой теории фермент является жесткой структурой, активный центр которой представляет собой «слепок» субстрата. Если субстрат подойдет к активному центру фермента как «ключ к замку», то произойдет химическая реакция. Эта теория хорошо объясняет два типа субстратной специфичности ферментов - абсолютную и стереоспецифичность, но оказывается несостоятельной при объяснении групповой (относительной) специфичности ферментов.
Теория «дыбы» основана на представлениях Г. К. Эйлера, изучавшего действие гидролитических ферментов. По этой теории фермент связывается с молекулой субстрата в двух точках, при этом происходит растяжение химической связи, перераспределение электронной плотности и разрыв химической связи, сопровождающийся присоединением воды. Субстрат до присоединения к ферменту имеет «расслабленную» конфигурацию. После связывания с активным центром молекула субстрата подвергается растяжению и деформации (располагается в активном центре как на дыбе). Чем больше длина химических связей в субстрате, тем легче они разрываются и тем меньше энергия активации химической реакции.
В последнее время нашла широкое распространение теория «индуцированного соответствия» Д. Кошланда, которая допускает высокую конформационную лабильность молекулы фермента, гибкость и подвижность активного центра. Субстрат индуцирует конформационные изменения молекулы фермента таким образом, что активный центр принимает необходимую для связывания субстрата пространственную ориентацию, т. е. субстрат подходит к активному центру как «рука к перчатке».
Согласно теории индуцированного соответствия механизм взаимодействия фермента и субстрата следующий:
- фермент по принципу комплементарности распознает и «ловит» молекулу субстрата. В этом процессе белковой молекуле помогает тепловое движение ее атомов;
- аминокислотные остатки активного центра смещаются и подстраиваются по отношению к субстрату;
- химические группировки ковалентно присоединяются в активном центре - ковалентный катализ.
Последовательность событий в ферментативном катализе можно описать следующей схемой. Вначале формируется субстрат-ферментный комплекс. При этом происходит изменение конформаций ферментной молекулы и молекулы субстрата, последняя фиксируется в активном центре в напряженной конфигурации. Так формируется активированный комплекс, или переходное состояние , - высокоэнергетическая промежуточная структура, которая энергетически менее устойчива, чем исходные соединения и продукты. Важнейший вклад в суммарный каталитический эффект вносит процесс стабилизации переходного состояния -взаимодействия между аминокислотными остатками белка и субстратом, находящимся в напряженной конфигурации. Разность значений свободной энергии для исходных реагентов и переходного состояния соответствует свободной энергии активации (ΔG #). Скорость реакции зависит от величины (ΔG #) : чем она меньше, тем больше скорость реакции, и наоборот. По сути DG представляет собой «энергетический барьер», который требуется преодолеть для осуществления реакции. Стабилизация переходного состояния понижает этот «барьер» или энергию активации. На следующем этапе происходит сама химическая реакция, после чего образовавшиеся продукты освобождаются из фермент-продуктного комплекса.
Можно выделить несколько причин высокой каталитической активности ферментов, которые обеспечивают снижение энергетического барьера реакции.
1. Фермент может связывать молекулы реагирующих субстратов таким образом, что их реакционноспособные группы будут располагаться поблизости друг от друга и от каталитических групп фермента (эффект сближения ).
2. При образовании субстрат-ферментного комплекса достигаются фиксация субстрата и его оптимальная для разрыва и образования химических связей ориентация (эффект ориентации ).
3. Связывание субстрата приводит к удалению его гидратной оболочки (существует на растворенных в воде веществах).
4. Эффект индуцированного соответствия субстрата и фермента.
5. Стабилизация переходного состояния.
6. Определенные группы в молекуле фермента могут обеспечивать кислотно-основный катализ (перенос протонов в субстрате) и нуклеофильный катализ (формирование ковалентных связей с субстратом, что приводит к образованию более реакционноспособных структур, чем субстрат).
Одним из примеров кислотно-основного катализа является гидролиз гликозидных связей в молекуле муреина с помощью лизоцима. Лизоцим представляет собой фермент, присутствующий в клетках различных животных и растений: в слезной жидкости, слюне, курином белке, молоке. Лизоцим из куриных яиц имеет молекулярную массу 14 600 Да, состоит из одной полипептидной цепи (129 аминокислотных остатков) и имеет 4 дисульфидных мостика, что обеспечивает высокую стабильность фермента. Рентгеноструктурный анализ молекулы лизоцима показал, что она состоит из двух доменов, образующих «щель», в которой находится активный центр. Вдоль этой «щели» связывается гексосахарид, причем для связывания каждого из шести сахарных колец муреина на ферменте имеется свой участок (А, В, С, D, E и F) (рис. 6.4).
Молекула муреина удерживается в активном центре лизоцима в основном благодаря водородным связям и гидрофобным взаимодействиям. В непосредственной близости к месту гидролиза гликозидной связи расположены 2 аминокислотных остатка активного центра: глутаминовая кислота, занимающая 35-е положение в полипептиде, и аспарагиновая кислота - 52-е положение в полипептиде (рис. 6.5).
Боковые цепи этих остатков располагаются на противоположных поверхностях «щели» в непосредственной близости к атакуемой гликозидной связи - примерно на расстоянии 0,3 нм. Остаток глутамата находится в неполярном окружении и не ионизирован, а остаток аспартата- в полярном окружении, его карбоксильная группа депротонирована и участвует в качестве акцептора водорода в сложной сети водородных связей.
Процесс гидролиза осуществляется следующим образом. Протонирован карбоксильная группа остатка Glu-35 предоставляет свой протон гликозидному атому кислорода, что приводит к разрыву связи между этим атомом кислорода и С 1 -атомом сахарного кольца, располагающегося в участке D (стадия общего кислотного катализа). В результате образуется продукт, включающий в себя сахарные кольца, находившиеся в участках E и F, который может высвободиться из комплекса с ферментом. Конформация сахарного кольца, расположенного в участке D, искажается, принимая конформацию полукресла , в которой пять из шести атомов, образующих сахарное кольцо, лежат практически в одной плоскости. Эта структура соответствует конформации переходного состояния. При этом С 1 -атом оказывается положительно заряженным и промежуточный продукт носит название карбоний-иона (карбкатиона). Свободная энергия переходного состояния уменьшается за счет стабилизации карбоний-иона депротонированной карбоксильной группой остатка Asp-52 (рис. 6.5).
На следующем этапе в реакцию вступает молекула воды, которая замещает диффундирующий из области активного центра дисахаридный остаток. Протон молекулы воды переходит к Glu-35, а гидроксильный ион (ОН -) к атому С 1 карбоний-иона (стадия общего основного катализа). В результате второй фрагмент расщепленного полисахарида становится продуктом реакции (конформация кресла) и уходит из области активного центра, а фермент возвращается в исходное состояние и готов осуществить следующую реакцию расщепления дисахарида (рис.6.5).
Свойства ферментов
Характеризуя свойства ферментов, в первую очередь оперируют понятием «активность». Под активностью фермента понимают такое его количество, которое катализирует превращение определенного количества субстрата в единицу времени. Для выражения активности препаратов ферментов используют две альтернативные единицы: международную (Е) и «катал» (кат). За международную единицу активности фермента принято то его количество, которое катализирует превращение 1 мкмоль субстрата в продукт за 1 мин в стандартных условиях (обычно оптимальных). Один катал обозначает количество фермента, катализирующее превращение 1 моль субстрата за 1 с. 1 кат=6*10 7 Е.
Часто ферментные препараты характеризуются удельной активностью, которая отражает степень очистки фермента. Удельная активность - это число единиц активности фермента на 1 мг белка.
Активность ферментов в очень сильной степени зависит от внешних условий, среди которых первостепенное значение имеют температура и рН среды. Повышение температуры в интервале 0-50° С обычно приводит к плавному увеличению ферментативной активности, что связано с ускорением процессов формирования субстрат-ферментного комплекса и всех последующих событий катализа. Однако дальнейшее повышение температуры, как правило, сопровождается увеличением количества инактивированного фермента за счет денатурации его белковой части, что выражается в снижении активности. Каждый фермент характеризуется температурным оптимумом - значением температуры, при котором регистрируется наибольшая его активность. Чаще для ферментов растительного происхождения температурный оптимум лежит в пределах 50-60° С, а животного - между 40 и 50° С. Ферменты термофильных бактерий характеризуются очень высоким температурным оптимумом.
Зависимость активности ферментов от значений рН среды также имеет сложный характер. Для каждого фермента характерен оптимум рН среды, при котором он проявляет максимальную активность. При удалении от этого оптимума в одну либо другую сторону ферментативная активность снижается. Это объясняется изменением состояния активного центра фермента (уменьшением или увеличением ионизации функциональных групп), а также третичной структуры всей белковой молекулы, которая зависит от соотношения в ней катионных и анионных центров. Большинство ферментов имеют оптимум рН в области нейтральных значений. Однако есть ферменты, проявляющие максимальную активность при рН 1,5 (пепсин) или 9,5 (аргиназа).
Активность ферментов подвержена значительным колебаниям в зависимости от воздействия ингибиторов (вещества, снижающие активность) и активаторов (вещества, увеличивающие активность). Роль ингибиторов и активаторов могут выполнять катионы металлов, некоторые анионы, переносчики фосфатных групп, восстановительных эквивалентов, специфические белки, промежуточные и конечные продукты метаболизма и др. Эти вещества могут попадать в клетку извне либо вырабатываться в ней. В последнем случае говорят о регуляции активности ферментов - неотъемлемом звене в общей регуляции метаболизма.
Воздействующие на активность ферментов вещества могут связываться с активным и аллостерическим центрами фермента, а также вне этих центров. Частные примеры подобных явлений будут рассмотрены в главах 7- 19. Для обобщения некоторых закономерностей ингибирования активности ферментов следует указать, что эти явления в большинстве случаев сводятся к двум типам - обратимому и необратимому. В ходе обратимого ингибирования в молекулу фермента не вносится каких-либо изменений после его диссоциации с ингибитором. Примером служит действие аналогов субстрата , которые могут связываться с активным центром фермента, препятствуя взаимодействию фермента с истинным субстратом. Однако увеличение концентрации субстрата приводит к «вытеснению» ингибитора из активного центра, и скорость катализируемой реакции восстанавливается (конкурентное ингибирование ). Другой случай обратимого ингибирования представляет собой связывание ингибитора с простетической группой фермента, или апоферментом , вне активного центра. Например, взаимодействие ферментов с ионами тяжелых металлов, которые присоединяются к сульфгидрильным группам остатков аминокислот фермента, белок-белковые взаимодействия или ковалентая модификация фермента. Такое ингибирование активности называется неконкурентным .
Необратимое ингибирование в большинстве случаев основано на связывании так называемых «суицидных субстратов » с активными центрами ферментов. При этом между субстратом и ферментом формируются ковалентные связи, которые расщепляются очень медленно и фермент долго не способен выполнять свою функцию. Примером «суицидного субстрата» служит антибиотик пенициллин (глава 18, рис. 18.1).
Поскольку для ферментов характерна специфичность действия, их классифицируют по типу реакции, подвергающейся катализу. Согласно принятой в настоящее время классификации, ферменты группируют в 6 классов:
1. Оксидоредуктазы (окислительно-восстановительные реакции).
2. Трансферазы (реакции переноса функциональных групп между субстратами).
3. Гидролазы (реакции гидролиза, акцептором переносимой группы является молекула воды).
4. Лиазы (реакции отщепления групп негидролитическим путем).
5. Изомеразы (реакции изомеризации).
6. Лигазы, или синтетазы (реакции синтеза за счет энергии расщепления нуклеозидтрифосфатов, чаще АТР).
Номер соответствующего класса фермента закреплен в его кодовой нумерации (шифре). Шифр фермента состоит из четырех разделенных точками чисел, обозначающих класс фермента, подкласс, подподкласс и порядковый номер в подподклассе.