Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
БХ учебник Николаев.pdf
Скачиваний:
573
Добавлен:
02.05.2015
Размер:
15.53 Mб
Скачать

6 4

Часть I. Строение информационных молекул и матричные биосинтезы

Рис. 2.1. Изменения энергии Гиббса в процессе реакции:

1 — исходное состояние; переходное состояние некатализируемой (2) и катализируемой (3) реак­ ций; 4 — конечное состояние обеих систем; энергия активации некатализируемой (5) и катализируе­ мой (6) реакций; 7 — конечное изменение свободной энергии обеих систем

Энергия активации быстро протекающих катализируемых реакций ниже, чем энергия активации соответствующих некатализируемых реакций. На этом осно­ вании часто говорят, что катализатор снижает энергию активации реакции. Од­ нако надо помнить, что катализируемая реакция — это другая реакция, и было бы точнее говорить, что в присутствии катализатора реакцию с высокой энергией активации заменяет реакция с низкой энергией активации.

Ферменты — это белки, и, подобно всем белкам, они могут избирательно при­ соединять определенные вещества — лиганды. Однако в отличие от прочих бел­ ков фермент катализирует химическое превращение лиганда. Лиганд, подверга­ ющийся химическому превращению, называют субстратом фермента; продукты реакции освобождаются в раствор. Учение о ферментах (энзимология) традици­ онно занимает одно из ведущих мест в биохимии. Это объясняется той важной ролью, которую играют ферменты: любые химические превращения веществ в организме происходят при их участии. Однако есть и другая причина особого внимания к ферментам, не связанная с их биологической ролью. Дело в том, что ферменты, в отличие от большинства других белков, сравнительно легко обнару­ живать и измерять их количество по катализируемой ими реакции. Многие свой­ ства, характерные для всех белков, вначале были изучены на ферментах. Такие понятия, как активный центр, ингибиторы, изоферменты (изобелки), аллостерическая регуляция, возникли и сложились в энзимологии, и лишь позднее они рас­ пространились на другие белки.

СПЕЦИФИЧНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ

Наиболее характерная черта, отличающая ферменты от других катализаторов — высокая специфичность их действия. Активный центр ферментов, как и других белков, образован боковыми группами аминокислотных остатков пептидной цепи. Строение активных центров ферментов, катализирующих разные реакции, различно. Структура активного центра фермента комплементарна структуре его субстрата, вследствие чего данный фермент из множества веществ, имеющихся в

Глава 2. Ферменты

65

живой клетке, присоединяет только свой субстрат. Эту особенность называют субстратной специфичностью фермента. Например, структура активного цент­ ра фермента гистидазы комплементарна структуре аминокислоты гистидина, по­ этому возможно образование фермент-субстратного комплекса гистидаза—гисти­ дин; другие вещества, в том числе аминокислоты, не связываются гистидазой.

Кроме того, часть функциональных групп активного центра ферментов имеет такое строение и реакционную способность, что обеспечивается химическое пре­ вращение субстрата в новые вещества — продукты ферментативной реакции. Каждый фермент катализирует не любое из всех возможных химических превра­ щений субстрата, а какое-либо одно. Назовем это свойство специфичностью пути превращения. Например, гистидаза и гистидиндекарбоксилаза имеют одинаковую субстратную специфичность, но катализируют разные превращения гистидина (рис. 2-2). При действии гистидазы отщепляется аминогруппа (в форме NH3), а при действии гистидиндекарбоксилазы — карбоксильная группа (в форме C O 2).

-NH3

,----j— CH==CH — COOH

 

-CO2

 

 

N NH

м и

 

 

 

I----- , C H = C H — COOH

 

гистидин

--------1

CHr - C H 2

I

 

 

I

 

N NH

 

 

N

NH

м и

уроканиновая

 

 

 

 

2

кислота

гистамин

Рис. 2.2. Реакции, катализируемые гистидазой и гистидиндекарбоксилазой

Различают абсолютную и групповую специфичность ферментов. Фермент с аб­ солютной специфичностью катализирует превращение какого-либо одного субстра­ та. Например, фумараза катализирует только реакцию фумаровой кислоты с водой:

COOH COOH

I

 

I

CH

 

нс— он

II

+ H9O - >

I

 

CH

CH9

I

 

I

2

COOH

 

COOH

фумаровая

яблочная

кислота

кислота

Ферменты с групповой специфичностью катализируют однотипные превраще­ ния сходных по строению веществ. Например, липаза ускоряет гидролиз жиров (триацилглицеринов) на глицерин и жирные кислоты:

H9C — О — CO— R

H9C - O H

I

2I

НС— О — CO— R + ЗН,О - »

Н С — OH + 3RCOOH

I

I

H2C - O - C O - R

H2C - O H

Ж иры — это группа соединений, отдельные представители которых различа­ ются природой жирно-кислотных остатков (радикалов R). Липаза расщепляет жиры, включающие разные жирно-кислотные остатки. Другой пример групповой

66

Часть I. Строение информационных молекул и матричные биосинтезы

специфичности — действие ферментов, гидролизующих пептиды и белки: многие из этих ферментов расщепляют пептидные связи, образованные разными ами­ нокислотами.

Пространственная структура стереоизомеров вещества различна, поэтому ак­ тивный центр фермента, комплементарный одному стереоизомеру, не обязательно будет комплементарен и другим стереоизомерам. В связи с этим многие ферменты катализируют превращение лишь одного из стереоизомеров — стереоспецифич­ ность. Например, малеиновая кислота, являющаяся ¾wc-изoмepoм фумаровой кис­ лоты (рис. 2.3), не может быть субстратом фумаразы.

фумаровая кислота

малеиновая кислота

Рис. 2.3. Строение фумаровой (а) и малеиновой (б) кислот

Большинство ферментов, участвующих в превращениях аминокислот, действу­ ет лишь на L-изомеры аминокислот, а ферменты, катализирующие превращения углеводов, — на D-изомеры углеводов.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ СОПРЯЖЕННЫЕ ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ РЕАКЦИИ

Ферменты, как и другие катализаторы, не изменяют состояния равновесия, а лишь ускоряют его достижение. Например, если внести фумаразу в раствор фума­ ровой кислоты, то можно зарегистрировать реакцию фумарат -» малат*; если же внести тот же фермент в раствор яблочной кислоты (малат), то можно наблюдать реакцию малат -» фумарат. И в том и в другом случае достигается равновесное состояние, при котором отношение [фумарат] / [малат] = */ Напомним, что хи­ мические реакции самопроизвольно протекают в направлении, которое связа­ но с уменьшением в системе свободной энергии AG (энергии Гиббса) —экзергони- ческие реакции. Реакции, связанные с увеличением свободной энергии (эндергонические реакции), не могут протекать самопроизвольно. Ho все же они возможны, если имеются внешний источник и механизм использования энергии; при этом общая энергия Гиббса системы эндергонической реакции и системы, по­ ставляющей энергию, уменьшается.

В качестве меры возможности и направления реакции обычно используют изменение стандартной свободной энергии реакции AG0 — термин, применяемый для описания изменений в условиях, когда концентрации исходных веществ и продуктов реакции поддерживаются на уровне I м ол ь/л (AG без надстрочного индекса 0 — изменение свободной энергии при любых условиях). Если известна

константа равновесия реакции К

, то можно вычислить и AG0:

L

г

равн’

*Кислоты в тканях находятся главным образом в ионизированной ф орм е, поэтому в биохи­ мии для их обозначения часто пользуются названиям и ионов (к тому же более коротки ­ ми): глутамат (глутаминовая кислота), аспартат (аспарагиновая кислота), фумарат (фумаровая кислота), 2-оксоглутарат (2-оксоглутаровая кислота) и т.д.

Глава 2. Ферменты

67

Рассмотрим реакцию А -» В. Для этой реакции Кравн = [В] / [А], где [А] и [В] — концентрации веществ А и В в состоянии равновесия. Это уравнение позволяет предсказать направление, в котором будет протекать реакция:

если K ubh > I, т о AG0 < 0, и реакция будет протекать самопроизвольно (А -» В)

 

с освобождением энергии, которая может быть трансформирована в рабо­

 

ту (экзергоническая реакция);

 

 

если Кравн = I, то AG0 = 0, и реакция будет в равновесии (A ^ В);

если К

ранн

< I, то AG0> 0, прямая реакция А -* В невозможна без внешнего

 

 

’ г

г

^

источника энергии (эндергоническая реакция), но будет протекать обрат­ ная реакция В -* А.

В цепи последовательных реакций (например А - * Б - * В - * Г - * Д ) величины AG0 суммируются, и даже если для некоторых реакций AG0 > 0 (эндергонические реакции), но суммарная величина < 0, то исходный субстрат пройдет всю цепочку превращений.

АТФ — источник энергии для эндергонических реакций

В живой клетке источником энергии для эндергонических реакций чаще всего служит экзергоническая реакция гидролиза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). АТФ представляет собой производное аденина, рибозы и ф осф орной кислоты (рис. 2.4).

? ? ?

CH2- O — P— O-P— O-P— он

он он он

а | 3 у

Рис. 2.4. Строение АТФ

При гидролитическом отщеплении у-фосфатного остатка или пирофосфатного остатка (гидролизуется связь между а- и (3-фосфатными остатками) освобожда­ ется значительное количество энергии, около 50 кДж/моль:

А ТФ + H 2O -* А ДФ + H 3P O 4

+ энергия (AG0 - -50кД ж /м оль).

А ТФ + H 2O -» А М Ф + H 4P 2O

7+ энергия (AG0 = -50кД ж /м оль).

(здесь АДФ — аденозиндифосфорная кислота; АМФ — аденозинмонофосфорная кислота). Гидролизуемые в этих реакциях связи называют высокоэнергетически­ ми (макроэргическими) и обозначают знаком ~ (тильда). Отметим, что энергия освобождается при любых реакциях гидролиза, но в меньших количествах, чем при гидролизе макроэргических связей (подробнее об этих связях см. в гл. 8).

Рассмотрим следующий пример. Глутамин в водном растворе самопроизволь­ но гидролизуется с образованием глутамата и аммиака (рис. 2.5). AG0 этой реак­ ции составляет -15 кД ж /м оль; равновесие сильно смещено вправо (реакция

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.