Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Кинетика и механизм действия ферментов

Ферментативная система работает по принципу «замок-ключ» (к замку подходит только ключ со строго определенной конфигурацией). Геометрические параметры белкового окружения реакционного центра фермента таковы, что в эту нишу укладывается молекула субстрата со строго определенным пространственным строением (матричный эффект) (рис. 4.1).

Модель молекулы фермента лизоцима, составленная на основе рентгеноструктурного анализа

Рис. 4.1. Модель молекулы фермента лизоцима, составленная на основе рентгеноструктурного анализа:

1 - молекула субстрата; 2 - щель (ниша активного центра).

Действие ферментов проявляется при строго определенном значении pH (pH-оптимуме). В некоторых реакциях водородные или гидроксильные ионы принимают непосредственное участие, в частности, в окислительно- восстановительных и в реакциях гидролитического расщепления.

Ферментативный катализ заключает в себе элементы всех известных химикам типов катализа: электрофильного, основного, кислотноосновного (бифункционального), нуклеофильного, гетерогенного, мицеллярного.

Взаимодействие субстрата с активным центром (активной зоной) фермента заключает в себе несколько стадий:

a) сближение и ориентация;

b) поляризация и активирование молекулы субстрата с образованием переходного состояния (эффект «дыбы»), сопровождаемые изменением конформации всего фермент-субстратного комплекса;

c) регенерация фермента, связанная с диссоциацией комплекса «фермент - продукт».

Активность ферментов определяется рядом факторов: наличием активаторов и ингибиторов, концентрацией метаболитов, температурным, водным, кислородным, газовым, световым и другими режимами.

Регуляция ферментативной активности осуществляется нервной и гормональной системами, в частности, с помощью специальных регуляторных центров, называемых аллостерическими, где в качестве лигандов- регуляторов выступают как обычные метаболиты, так и специальные соединения.

Ферментативные реакции реализуются в строго определенном интервале температуры. Например, нашедший применение в пищевой промышленности фермент от-амилаза, выделенный из плесневого гриба A spengillus oryzae (1,4-а-D-глюканглюконогидролаза; К.Ф. 3.2.1.1) работает в интервале 50-55°С, в то время, как эта же амилаза, полученная из проросшего зерна, расщепляет крахмал до декстринов при оптимальной температуры 60°С.

В отличие от обычных химических катализаторов ферменты, как уже отмечалось, обладают высокой субстратной специфичностью, то есть «обслуживают» они определенный класс соединений и вполне определенную реакцию. Причем, в некоторых случаях проявляется абсолютная специфичность. Например, фермент уреаза (мочевина- амидогидролаза; К.Ф. 3.5.1.5) расщепляет единственное соединение - мочевину, не затрагивая даже производные мочевины (метилмочеви- ну).

Другие ферменты могут действовать на ряд близких по структуре субстратов, то есть на определенный тип связи (абсолютная групповая специфичность).

Например, фермент мальтаза -D-глюкозид-глюкогидролаза; К.Ф. 3.2.1.20) гидролизует в пищеварительном факте млекопитающих не только мальтозу, но и другие субсфаты, имеющие а -гликозидную связь.

Известна также относительная групповая специфичность. Так, липазы и эстеразы расщепляются не только триацилглицеролы (жиры), но и диацилглицеролы, моноацилглицеролы, другие сложные эфиры. А пептидазы расщепляют пептидные связи в различных полипептидах и белках.

Особое значение имеет стереохимическая специфичность ферментов. Например, фумарат-гидратаза (L-малат-гидролиаза) катализирует превращение только фумарата, имеющего, как известно, транс- конфигурацию. Хотя существуют и ферменты, действующие как на цис~, так и гм/?яиоизомеры.

Вариантом стереохимической специфичности является оптическая специфичность - фермент активен по отношению только к одной из форм субстрата - D- или L-конфигурации, а- или /?-аномеру. Примером может служить действие ферментов дрожжевой клетки. Спиртовому брожению подвергается только ct-D-глюкоза, а не соответствующий /i-аномср. Если субстрат является рацемической смесью, то превращению будет избирательно подвергаться только а-форма.

Известны ферменты, вызывающие инверсию при центрах асимметрии - рацемазы (если в молекуле один асимметрический атом) и эпимеразы (если в молекуле несколько центров асимметрии).

Исследование структуры и механизма действия ферментов - важнейшая задача биохимиков. Одним из методов решения таких задач является изучение кинетики ферментативных процессов. При этом исследуется зависимость скорости реакции от природы реагентов (суб- страта и фермента), их концентрации, температуры, pH среды, действия различных добавок (активаторов, ингибиторов) и др. Скорость V ферментативной реакции определяется количеством вещества т прореагировавшего в единицу времени t.

Изменение концентрации во времени выражается графически кинетическими кривыми, которые позволяют вычислять начальные скорости, константы скорости, энергии активации и другие параметры реакции. Константа скорости - это скорость реакции при конценфациях реагентов, равных единице. Обычно пользуются молярной концентрацией субстратов. Однако если в субстрате происходит превращение не одной, а нескольких связей, го его концентрацию выражают числом молей, умноженным на число затронутых связей в молекуле.

Количество ферментов выражают в условных «ферментных единицах». За единицу (Е) любого фермента принимают то его количество, которое катализирует превращение одного микромоля субстрата в минуту при заданных условиях. За меру скорости реакции или активности фермента принимается не общее число превращенных молекул субстрата (белка, полисахарида), а число расщепленных пептидных или гликозидных связей.

Исследование ферментов проводится при стандартных условиях: t°=30°C, pH и концентрация реагентов - оптимальные.

Концентрация раствора ферментов выражается в единицах активности на 1 мл раствора. Удельная активность препарата фермента измеряется числом единиц на 1 мг белка.

В 1972 году комиссия по биохимической номенклатуре предложила для выражения каталитической активности ферментов новую единицу - катал (сокращенно - кат). Катал - это каталитическая активность, обеспечивающая протекание реакции со скоростью 1 моль/с в заданной системе измерения активности. На практике активность выражают чаще всего в микрокаталах (.мккат), нанокагалах (нкат) или гшкокагалах (нкат). При этом скорости реакций выражаются соответственно в микромолях, наномолях и пикомолях в секунду. Старая ферментная единица Е =16,67 нкат. Молекулярная активность фермента (препарата) выражается в каталах на моль фермента, а удельная каталитическая активность - в каталах на килограмм.

Активность фермента можно снизить или вообще свести на-нет с помощью ингибиторов. Теоретический и практический интерес представляет природа и механизм действия ингибиторов.

Известна также способность ферментов «ошибаться» и ассимилировать чужеродные вещества (антиметаболиты), сходные по структуре с субстратом. В этих случаях естественный ход ферментативных процессов нарушаются и образуются аномальные продукты. Классическим примером такого антимегаболизма является замещение нара- аминобензойной кислоты стрептоцидом и другими сульфамидными препаратами в цикле биосинтеза фолиевой кислоты (см. стр. 34), необходимой для жизнедеятельности некоторых патогенных болезнетворных микроорганизмов (бактерий). Подобным образом на некоторые естественные биоциклы влияет замена карбоксильной группы (СООН) на сульфогруппу (SO3H) в никотиновой (см. стр. 29) и пантотеновой (стр. 32) кислотах. Ошибочная подменна в биосинтезе аминокислоты пролила (1) сходной по структуре азетидин-2-карбоновой кислотой (2):

приводит к образованию дефектного фермента, неспособного нормально функционировать.

Действие лекарственных средств, гербицидов, стимуляторов роста и множества биологически активных веществ заключается в том, что они ускоряют или ингибируют тот или иной ферментативный процесс.

Ферментативные процессы лежат в основе многих технологий пищевых технологий (хлебопечение, сыроделие, производство мясных и молочных продуктов), биотехнологий (производство лекарственных препаратов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и др.). Ферменты широко используются в генной инженерии.

Производство ферментативных препаратов интенсивно развивается.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>