Биологический каталог




Основы энзимологии

Автор В.К.Плакунов

амом деле катализатор вступает во взаимодействие с реагирующими веществами и направляет реакцию по новому пути с низкой энергией активации (рис. 9).

Следует учитывать, что в энергии активации присутствует не только энтальпийная (ДН, тепловая) составляющая, но и энтропийная (AS, мера упорядоченности системы). Высокая энтальпийная составляющая свидетельствует о том, что для формирования переходного состояния необходимо существенное ослабление химических связей. Для многих химических реакций механизм акти-

24

Координата реакции

Рис. 9. Диаграмма переходного состояния химической реакции: Н0 — энтальпия (тепловая энергия) исходных субстратов; Н, — энтальпия продуктов реакции; ДН" = К^-Нд—энергия активации некатализируемой реакции; ДН'г=Н3- Н0 —то же для катализируемой реакции, причем дН" > ДН"; ДН = Н„- Н, —тепловой эффект реакции: если дН > 0 — реакция экзэргоническая (экзотермическая, протекает самопроизвольно с выделением тепла), если ДН < 0 — реакция эндэргоническая (эндотермическая, требует затраты энергии)

вации молекул, по-видимому, сходен, так как ДН для них практически совпадает и составляет около 50 кДж • моль"1. Высокая энтропийная составляющая встречается реже и означает, что в процессе формирования переходного состояния молекулы должны принять строго определенную конформацию.

Таким образом, правильное определение понятия катализатор можно сформулировать следующим образом.

Катализатором называется вещество, ускоряющее химическую реакцию, но само в этой реакции не расходующееся. Функция катализатора состоит в том, что он реагирует с исходными веществами, образуя промежуточное соединение (новое переходное состояние), которое подвергается дальнейшему превращению с пониженной энергией активации. В результате образуются продукты реакции и регенерируется катализатор.

Следует напомнить, что катализатор только ускоряет достижение равновесия в химической реакции, но не изменяет его no-

lb

ложения (т. е. соотношения субстрата и продуктов). Присутствие катализатора не вызывает термодинамически невозможной реакции и не влияет на выход продуктов, поскольку катализатор не взаимодействует с продуктами реакции:

Некатализируемая . _ч _>г» к . реакция р [д]'

Катализируемая , , г . *> .у ,*t >р + ря,

к.-И.

реакция ( ^ т1 г д|

Из этих уравнений следует, что константа равновесия реакции (Кр) не зависит от присутствия катализатора, а следовательно, изменению константы скорости прямой реакции в присутствии катализатора всегда сопутствует соответствующее изменение константы скорости обратной реакции. При этом соблюдается принцип микроскопической обратимости, т.е. механизм обратной химической реакции должен быть строго обратным механизму прямой реакции. В отношении ферментов это означает, что прямая и обратная реакции должны протекать в одном и том же активном центре фермента.

3.2. Сравнение химического и ферментативного катализа

Механизмы химического и ферментативного катализа принципиально не различаются. Однако при нормальных «физиологических» условиях (рН и температуре) в водных растворах ферменты значительно более эффективны (сильнее снижают свободную энергию переходного состояния)^ чем обычные химические катализаторы. Кроме того, ферменты, как правило, катализируют только один из возможных путей превращения субстратов, тогда как в ходе обычных химических реакций образуется смесь продуктов.

Еще более существенным моментом является то, что ферменты обладают чрезвычайно высокой стереоспецифтностью, раз-личая, например, оптические изомеры и даже изотопы одного и того же элемента. Это связано с особенностями структуры активных центров ферментов и конформационной «гибкостью» их молекул. Д. Кошланд сформулировал концепцию индуцированного соответствия, согласно которой при связывании специфического субстрата происходит такое изменение конформации фермента, которое перемещает каталитические группы в положение, обеспечивающее эффективное протекание реакции.

26

Доказательства конформационных изменений в молекуле фермента при взаимодействии с субстратом получены методами ядерного магнитного резонанса и рентгеноструктурного анализа. Например, при взаимодействии карбоксипептидазы Л с «плохими» (отличающимися по химической структуре) субстратами происходит перемещение остатков двух аминокислот: тирозина и глутаминовои кислоты, которые предположительно участвуют в каталитическом процессе, на 15 и 2А соответственно. Этих перемещений достаточно для проявления макрофизических изменений: растрескивания кристаллов фермента при добавлении субстрата.

Такие конформационные изменения могут быть имитированы веществом, не являющимся субстратом данного фермента. Отсюда становятся понятными факты стимулирующего (ингиби-рующего) влияния молекул, не участвующих непосредственно в ферментативной реакции. Например, формиат ускоряет перенос аминогруппы с аланина на 2-оксоглутарат с участием трансами-назы, тогда как при использовании в качестве донора аминогруппы глутамата формиат оказывает отрицательное воздействие (см. схему на рис. 10).

Глутамат

"ooc-chnh'-ch^h^-coo"

Алании Формиат

ooc-chnh)*-ch3 нсоо"

Трансаминаза

Рис.10. Влияние формиата на активность трансаминазы В молекуле фермента предполагается существование двух центров связывания субстрата (для цвиттерионной и анионной частей). Когда субстратом служит аланин, один центр остается свободным, а формиат, связываясь с ним, обеспечивает оптимальную конформацию фермента. Глутамат сам перекрывает оба центра, а формиат в этом случае конкурирует за анионный центр с глутаматом и снижает активность фермента

Насколько велика специфичность действия ферментов? Рассмотрим некоторые примеры.

1. Фермент уреаза обладает практически абсолютной специфичностью к своему субстрату мочевине; только при замене одного из атомов водорода в аминогруппе на ОН сохраняется частичная активность:

0==С

/МН2

ч

X

о==с

ччн3

Активный субстрат

NH,

xNHOH Слабоактивный субстрат

/NHOH

0==С

^NHOH Неактивный субстрат

27

2. Фермент сукцинатдегидрогеназа допускает замену только одного атома водорода в СН2-груПпе на атом С1 (но не других галоидов или ОН).

3. Встречается групповая специфичность ферментов, например в отношении стереоизомеров. Так, оксидазы-D-аминокислот малоспецифичны в отношении химической природы аминокислоты, но не действуют на их L-изомеры.

Известны примеры необычайно высокой специфичности.

4. Ферменты могут «различать» атомы изотопов одного и того же элемента, причем скорость реакции выше в случае более легких изотопов. Этот эффект особенно заметно проявляется в случае более тяжелых, чем Н, элементов (S, Р). На этом, в частности, основано определение «биогенного» или «абиогенного» происхождения продуктов круговорота углерода, серы, фосфора.

5. Некоторые ферменты обладают настолько высокой стерео-специфичностью, что могут «различать» две одинаковые группы в симметричной молекуле субстрата, а также каждый из атомов водорода', входящих в состав СН2-группы. Например, реакция взаимопревр

страница 7
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

Скачать книгу "Основы энзимологии" (0.9Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(15.09.2019)