Структура ферментов и механизм
их действия
Как и все белки, ферменты
синтезируются в виде линейной
цепочки аминокислот, которая сворачивается
определённым образом. Каждая последовательность
аминокислот сворачивается особым
образом, и получающаяся молекула
(белковая глобула) обладает уникальными
свойствами. Несколько белковых
цепей могут объединяться в
белковый комплекс. Третичная структура
белков разрушается при нагревании
или воздействии некоторых химических
веществ.
При образовании фермент-субстратных
комплексов в непосредственное
химическое взаимодействие вступают
лишь ограниченные фрагменты
аминокислотной последовательности
полипептидной цепи — «активный центр» — уникальная комбинация остатков аминокислот
в молекуле фермента, обеспечивающая непосредственное
взаимодействие с молекулой субстрата
и прямое участие в акте катализа.
В активном центре условно
выделяют:
- каталитический центр — непосредственно химически взаимодействующий с субстратом;
- связывающий центр (контактная или «якорная» площадка) — обеспечивающий специфическое сродство к субстрату и формирование комплекса фермент-субстрат.
Чтобы катализировать реакцию,
фермент должен связаться с
одним или несколькими субстратами.
Белковая цепь фермента сворачивается
таким образом, что на поверхности
глобулы образуется щель, или
впадина, где связываются субстраты.
Эта область называется сайтом
связывания субстрата. Обычно он
совпадает с активным центром
фермента или находится вблизи
него. Некоторые ферменты содержат
также сайты связывания кофакторов
или ионов металлов.
Фермент, соединяясь с субстратом:
- очищает субстрат от водяной «шубы»
- располагает реагирующие молекулы субстратов в пространстве нужным для протекания реакции образом
- подготавливает к реакции (например, поляризует) молекулы субстратов.
Обычно присоединение фермента
к субстрату происходит за
счет ионных или водородных
связей, редко — за счет ковалентных.
В конце реакции её продукт
(или продукты) отделяются от фермента.
В результате фермент снижает
энергию активации реакции. Это
происходит потому, что в присутствии
фермента реакция идет по другому
пути (фактически происходит другая
реакция), например:
В отсутствие фермента:
В присутствии фермента:
- А+Ф = АФ
- АФ+В = АВФ
- АВФ = АВ+Ф
где А, В — субстраты, АВ —
продукт реакции, Ф — фермент.
Ферменты не могут самостоятельно
обеспечивать энергией эндергонические
реакции (для протекания которых
требуется энергия). Поэтому ферменты,
осуществляющие такие реакции, сопрягают
их с экзергоническими реакциями,
идущими с выделением большего
количества энергии. Например, реакции
синтеза биополимеров часто сопрягаются
с реакцией гидролиза АТФ.
Основы ферментативного катализа
Несмотря на то, что сегодня
трудно количественно оценить
вклад отдельных каталитических
эффектов, решающим фактором считается
стабилизация переходного состояния
в активном центре фермента. При
этом наиболее существенным моментом
является прочное связывание
не столько субстрата, сколько
его переходного состояния. Данное
положение подтверждается крайне
высоким сродством многих ферментов
по отношению к аналогам переходного
состояния, что можно пояснить
простой механической аналогией:
если хотят перекатить металлические
шарики (реагенты) с места EA (состояние
субстрата) в энергетически более
высокое переходное состояние, а
затем в EP (состояние продукта), нужно
расположить магнит (катализатор) таким
образом, чтобы сила притяжения
действовала не на EA (а), а на
переходное состояние (б).
Кинетика ферментативной реакции (т.е. зависимость
скорости реакции от ее условий) определяется
в первую очередь свойствами катализатора,
вследствие чего она значительно сложнее,
чем кинетика некаталитических реакций.
Модель Михаэлиса-Ментен
Полный математический анализ
ферментативной реакции приводит
к сложным уравнениям, не пригодным
для практического применения. Наиболее
удобной оказалась простая модель,
разработанная в 1913 г. Она объясняет
характерную гиперболическую зависимость
активности фермента от концентрации
субстрата (1) и позволяет получать
константы, которые количественно
характеризуют эффективность фермента.
Модель Михаэлиса-Ментен исходит
из того, что вначале субстрат
А образует с ферментом E (З) комплекс,
который превращается в продукт
В намного быстрее, чем в отсутствие
фермента. Константа скорости kкат
(2) намного выше, чем константа некаталитической
реакции k.
Уравнение содержит две величины
(два параметра), которые не зависят
от концентрации субстрата [A], но
характеризуют свойства фермента:
это произведение kкат[E] t , соответствующее
максимальной скорости реакции V при высокий
концентрации субстрата, и константа Михаэлиса
Кm , характеризующая сродство фермента
к субстрату. Константа Михаэлиса численно
равна той концентрации субстрата [A]. при
которой ν достигает половины максимальной
величины V (если v = V/2, то [A] / (Кm + [A]) = 1/2,
т.е. Km = [А]). Высокое сродство фермента
к субстрату характеризуется низкой величиной
Кm и наоборот.
Модель Михаэлиса-Ментен основывается
на нескольких не совсем реальных
допущениях, таких, как необратимое
превращение EA в E + В, достижение равновесия
между E, A и EA, отсутствие в растворе
других форм фермента, кроме E и EA.
Только при соблюдении этих
гипотетических условий Km соответствует
константе диссоциации комплекса,
а kкат — константе скорости
peакции EA → E + В.
Роль ферментативного
катализа
Огромную роль призван сыграть
катализ в решении актуальнейшей
проблемы - охраны окружающей среды.
По словам Кусто, земной шар
напоминает “одиноко несущийся
в космическом пространстве автомобиль
без выхлопной трубы”. Химики-каталитики
настойчиво работают над этой
проблемой и уже добились некоторых
результатов. Разработаны специальные
устройства для дожигания выхлопных
газов автомобилей, работающие на
основе каталитического окисления
вредных компонентов газов. Подобраны
катализаторы и условия для
обезвреживания отходящих газов
химических производств. Каталитические
фильтры конструируются в виде
патронов, заполненных металлической
сеткой или керамическими материалами
с нанесенными на них каталитическими
агентами; работают эти фильтры
при 250-350° С.
- Биологическая роль ферментов
Первый кристаллический фермент
(уреаза – белок, катализирующий
гидролиз мочевины до диоксида
углерода и аммиака) выделен американским
биохимиком Д. Самнером в 1926 г. На
сегодняшний день известно свыше
3000 ферментов. Все они обладают
рядом специфических свойств, отличающих
их от неорганических катализаторов.
Только в человеческом организме
ежесекундно происходят тысячи
ферментативных реакций. Ферменты
играют важнейшую роль во всех
процессах жизнедеятельности, направляя
и регулируя обмен веществ
организма.
Нужно также отметить, что вся
живая природа существует исключительно
благодаря биокатализу. Недаром
великий русский физиолог, нобелевский
лауреат И.П. Павлов назвал ферменты
носителями жизни.
Источники:
- http://chemanalytica.com/book/novyy_spravochnik_khimika_i_tekhnologa
- http://yanko.lib.ru/books/biolog/nagl_biochem/96.htm
- Л. Г. Веренцова, Е. В. Нечепуренко "Неорганическая, физическая и коллоидная химия",
2009
- http://chemistry.narod.ru/stati/katalyz.htm
- http://ru.wikipedia.org/wiki/Катализ
- http://ru.wikipedia.org/wiki/Ферменты