Ферменты. Кинетика ферментативных реакций

Лекция 11

Биохимические реакции протекают только при участии ферментов, т. е. катализаторов, являющихся по своему составу и строению белками. Как из курса неорганической, так и из курса органической химии известны вещества, проявляющие каталитическое действие. Такие вещества, называемые катализаторами, есть во всех классах веществ – простые вещества (как металлы, так и неметаллы), кислоты, основания, оксиды, соли. Особенно широко применяются катализаторы в органической химии, так как для органических веществ характерна относительно низкая реакционная способность. Переходя на новую ступень химии – биохимию, мы встречаемся и с новым классом катализаторов – ферментами. Бесконечное разнообразие структуры белковых молекул оказывается предпосылкой биосинтеза специальных белков, пригодных в качестве катализаторов для всех осуществляющихся в природе биохимических процессов.

Ферментативному катализу присущи характерные особенности всех каталитических процессов, но обнаруживаются и принципиально важные отличия. К общим закономерностям относятся следующие:

· Ферменты увеличивают скорость реакции, но не смещают химическое равновесие;

· Ферменты ускоряют те реакции, которые могут самопроизвольно протекать в данных условиях;

· Несамопроизвольная реакция, сопряженная с самопроизвольной, также протекает при участии ферментов

· Скорость ферментативной реакции зависит от температуры и концентраций реактантов (субстрата и фермента).

К специфическим особенностям ферментативных реакций относятся следующие:

· Ферменты отличаются более высокой, чем обычные катализаторы, избирательностью к субстратам. Часто фермент ускоряет только одну биохимическую реакцию или достаточно узкую группу родственных реакций;

· Ферменты действуют стереоспецифически, ускоряя синтез только одного из возможных пространственных изомеров.

· Ферменты проявляют активность в ограниченном интервале температуры – ниже температуры денатурации данного белка;

· Активность фермента зависит от рН среды; у каждого фермента есть оптимальное значение рН, при котором активность максимальна.

· Многие ферменты действуют только при активировании коферментами – низкомолекулярными молекулами и ионами.

· Ферменты могут находиться в растворенном состоянии или быть встроенными в клеточные мембраны.

· Активность фермента может зависеть от концентрации продукта реакции.

Ферменты присутствуют в клетках в крайне малых концентрациях. Определение их в тканевых экстрактах или жидкостях – сложная задача. Поэтому разработаны особые подходы к определению каталитической активности ферментов. Измеряют скорость реакции, идущей под действием имеющегося фермента. Результат выражают в единицах активности фермента. Затем сравнивают относительные количества фермента в разных экстрактах. Единицы активности выражают в мкмоль (10^–6), нмоль (10^–9) или пмоль (10^–12) израсходованного субстрата или образовавшегося продукта в единицу времени (минуту). Международные единицы активности обозначаются mU, nU и pU.

К ферментативному катализу приложимы основные положения теории скоростей химических реакций. Для протекания реакции необходимо сближение (столкновение) молекул фермента (встречаются обозначения F, Е, Enz) и субстрата (S) достаточное для образования связей. Для того, чтобы столкновение оказалось продуктивным (активным), молекулы должны иметь энергию, достаточную для преодоления энергетического барьера. Как известно, этот барьер называется энергией активации. На отдельных стадиях ферментативной реакции фермент выступает как обычный реактант, реагируя в молярном отношении 1:1. Ферментативные процессы часто представляют специальными схемами. Например, реакция переноса группы

A–B + D A–D + B

при участии фермента изображается следующим образом:

A–B Enz A–D

B Enz–A D

В качестве еще одного примера написания схемы ферментативной реакции возьмем реакцию изомеризации

S ® изо-S

С участием фермента реакция записывается так:

S Enz изо-S

Enz–S

Стрелки создают картину циклического процесса, в который вовлекаются молекулы субстрата S и выходят молекулы продукта, часто обозначаемого как P.

Фермент представляет собой сложную молекулу, состоящую из сотен аминокислотных остатков и тысяч атомов. В связывании с субстратом может участвовать только небольшая группа атомов в такой молекуле. Эта группа называется активным центром. Э. Фишер предложил модель взаимодействия Enz–S как соответствие ключа и замка. Только при наличии такого соответствия может осуществиться превращение субстрата. Становится понятной избирательность действия фермента. Эта модель не потеряла своего значения, но позднее была предложена модель индуцированного соответствия (Кошланд), в которой учитывается гибкость молекулы фермента. При сближении молекул фермента и субстрата происходят конформационные изменения фермента, придающие окончательную конфигурацию реакционному центру. Молекулы, аналогичные субстрату, тоже могут вызывать конформационные изменения фермента, но при этом появляются различия в конформациях, при которых не возникает работающий активный центр.