Архив WinRAR / 1-30 / 10 механизм действия ферментов

10. Механизм действия ферментов.

Механизм действия ферментов. Практически наступила пора задать главный вопрос энзимологии. Почему собственно в присутствии ферментов скорость реакции возрастает? Сегодня абсолютного ответа наукой не найдено. Принято выделять сегодня две стороны проблемы. 1. Термодинамический аспект 2. Структурно - кинетический Термодинамический аспект. Каждая молекула любого вещества обладает определенным уровнем внутренней энергии. Этой энергии как правило недостаточно для того, чтобы вещество вступало в реакцию с другими веществами. В то же время достаточно поднять уровень внутренней энергии до определенного предела, как вещество начинает взаимодействовать со своим окружением т.е. реагировать с ним. Минимальный уровень внутренней энергии необходимый для перехода молекулы вещества в реакционно-способное состояние явл.- энергетическим барьером реакции. По количеству энергии кот. необходимо сообщить молекуле для перехода ее в реакционное состояние получило назв. - энергии активации (ед. измер. - ккал / моль или Кдж/ моль) Чем больше эн. актив. а, следовательно чем выше энергетический барьер реакции тем медленнее пройдет реакция. Почему? С увеличением энергии активации вероятность перехода молекул субстрата в реакционно-способное состояние резко снижается. Как можно уменьшить энергию активации? Величину энергии активации можно уменьшить двумя приемами. 1. Увеличение среднего уровня внутренней энергии путем повышения температуры. 2. Попытка снизить энергетический барьер реакции. КАК ЕГО СНИЗИТЬ? Снижение его возможно только путем снижения изменение структуры субстрата Ферменты ускоряют ход химической реакции, снижая энергетический барьер реакции. Однако тем самым уменьшают энергию активации. За счет проведения реакции, но обходному пути с образованием ES комплексов. Следует подчеркнуть, что ферменты снижают энергию активации значительно больше, чем катализаторы небиологической природы. Например, реакция гидролиза сахарозы до глюкозы и фруктозы. Е актив. = 32 Ккал/молъ. В присутствии кислоты снижается до 25, а в присутствии сахоразы до 9. Реакции при кот. происходит выделения энергии получили названия экзоорганические. Эти реакции могут идти самопроизвольно. Ферменты катализируют только экзоораническне реакции. Реакции эндоорганические требуют использование энергии макроэргических соединенний СРУКТУРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ СТОРОНА ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИЗМА. Снижение энергетического барьера говорит о том, что при взаимодействии фермента с субстратом происходит изменение структуры реагирующих молекул, причем это такие изменения которые способствуют протеканию определенных реакций. Что такое химическая реакция? Это перестройка иногда разрыв одной - двух редко трех связей. Дело в том, что реакции, протекающие в организме человека многоступенчатые, т.е. метаболические пути в ходе которых идет, предположим, идет расщепление глюкозы, включают в себя множество реакций. Тогда становится ясно, что ослабление прочности перестраиваемой связи будет способствовать протеканию реакции. Эта цепь логических рассуждений должна привести вас к мысли о том, что ферменты, взаимодействующие с субстратом так перестраивают структуру этого субстрата, что определенные связи в субстрате становятся менее прочными, а значит более уязвимыми к действию реагентов. А как ослабить прочность связи ? Каким образом достигается ферментами ослабление прочности связи? Это ослабление может достигаться двумя путями. 1 Путь это изменение электронной плотности путем перераспределения конкретной связи. 2 Путь это изменение пространственной структуры молекулы субстрата. С этих позиций можно выделить несколько эффектов которые в той или иной мере объясняет ускорение хода реакция ферментами. 1- й эффект. Уже сам факт связывания фермента с субстратом в активном центре приводит к изменению электронной структуры субстрата и поэтому уже сам факт связывания есть начало катализа. 2-ой эффект. Связанная молекула субстрата оказывается в активном центре в сфере действия каталитических групп (функциональные группы: карбоксильная амидная, имидозольное ядро гистидина и т.д.) эти функциональные группы еще более деформируют электронную структуру субстрата, а перераспределение электронной плотности в молекуле субстрата ослабляет, перестраивая связь. 3-й эффект. В активном центре ферментов присутствуют функциональные группировки радикалов аминокислот, которые обладают кислотными и основными свойствами. От их действия к одной части молекулы субстрата будут присоединяться протоны а от другой ее части протоны будут отщепляться иначе говоря будет работать механизм кислотно-основного катализа Особенно часто это имеет место у ферментов в активном центре которых находятся такие группировки как имидозолъное ядро гистидина. карбоксильные группы в радикалах аспартата и глутомата и аминогруппы лизина. 4-й эффект. Определяет перестройку субстрата после соединения его к активному центру. В некоторых случаях (например, при действии таких ферментов как трипсин, который расщепляет пептидные связи белков) между молекулами субстрата и группировок центра возникают ковалентные связи. Мы с вами говорили, что между центром активным и субстратом обычно возникает нековалентные связи. Тем не менее между некоторыми ферментами имеют ковалентные связи. Образование ковалентной связи сопровождается в выраженным изменениями структуры субстрата. Это изменение происходит именно такое, которое ускоряет реакцию. 5-й эффект. Молекула субстрата находясь в водной фазе обычно окружена гидратной оболочкой. Связываясь с активным центром, а активный центр большинства ферментов представляет собой щель, как правило субстрат теряет данную гидратную оболочку, причем диэлектрическая постоянная активного центра обычно ниже по сравнению с водной фазой. Отсюда дегидратация и изменение диэлектрической постоянной окружающей среды, несомненно, оказывают влияние па молекулу субстрата и каталитические группировки активного центра, т.е. в значительной степени способны снизить энергетический барьер реакции, а значит и возможность протекания этой реакции при обычных условиях, т.е. при низкой температуре и нормальном давлении 6-й эффект. Молекула субстрата, связываясь с группировками активного центра может подвергаться пространственным искажениям. И, наконец, к ускорению реакции в присутствии фермента имеют отношение 2 кинетически структурных момента. 1-Скорость реакции по закону действующих масс растет с увеличением концентрации принудительно в результате их связывания (например, речь идет о реакции конденсации - их 2 молекул образуется одна молекула) вот это принудительно сближение эквивалентно многократному повышению их концентрации (в свободных системах - системах, не имеющих катализаторов- 2- Для того чтобы молекулы прореагировали, они должны столкнуться друг с другом, причем в определенном пространственном соотношении. Подсчитано что в среднем такая, оптимальная взаимная ориентация достигается не чаще одного раза на 100 случайных соударений. В активном же центре ферментов молекулы сближаются в оптимальное для протекание ориентации, что способствует ускорению реакции. Эти два кинетических эффекта известны под названием эффектов сближения (1) и пространственной ориентации.