Составь конспект

Глава 5. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ 100 § 18. Ферментативные реакции. Ферменты Вспомните, какие органические вещества выполняют ферментативную функцию. Какое влияние оказывают ферменты на химические реакции, протекающие в клетке и организме? Любая клетка — животная, растительная, грибная, бактериальная — характеризуется сложной химической деятельностью. В ней происходят сотни химических реакций, которые идут при непосредственном участии ферментов. Важнейшей особенностью химических реакций, протекающих в клетке, является их каталитический характер. Ферментативные реакции. Специализированные белки, катализирующие химические реакции в клетках, называют ферментами (от лат. fermentum — брожение, закваска) или энзимами. Вещество, которое связывается с ферментом для осуществления химической реакции, называют субстратом. Ферменты активизируют субстрат, делают его доступным для проведения химической реакции. Ускоряя химические реакции, эти вещества не влияют на природу конечных продуктов. Небольшое количество фермента может активизировать превращение большого количества субстрата, так как освобождение фермента каждый раз идёт с высокой скоростью. Сравним скорость действия неорганических катализаторов и ферментов. Для гидролиза белка до аминокислот в лабораторных условиях необходимо в течение 10—15 ч кипятить его в 20-процентном растворе соляной кислоты. Если же к белку при комнатной температуре добавить несколько капель фермента трипсина или химотрипсина, входящих в состав желудочного сока, то гидролиз закончится за 60—80 мин. Сопоставим условия этих двух реакций. Фермент действует в мягких условиях, а скорость реакции с его участием во много раз выше, чем в реакции с неорганическим катализатором. Молекулярная масса ферментов колеблется от нескольких тысяч до миллионов. Например, трипсин имеет молекулярную массу 40 000, а синтетаза ВЖК, ускоряющая синтез высших жирных кислот, относится к ферментам-гигантам с молекулярной массой более 1 000 000, причём состоит из целого конвейера белков, объединённых в единую структуру. Как правило, для высокомолекулярных ферментов характерна четвертичная структура. Например, каталаза, содержащаяся в пероксисомах и расщепляющая пероксид водорода, состоит из 6 субъединиц. Строение и свойства ферментов. Ферменты имеют белковую природу, причём представляют собой глобулярные белки. Часто ферменты образуют комплексы с небелковыми компонентами: металлами (марганцем, цинком, железом, медью и др.), низкомолекулярными органическими соединениями, витаминами. Например, в каталазе, расщепляющей пероксид водорода, присутствует железо; витамин PP (никотиновая кислота) является компонентом окислительно-восстановительных ферментов; витамин B1 (тиамин) входит в состав ферментов, отщепляющих углекислый газ. Некоторые ферменты могут следовать один за другим, образуя конвейер, на котором идёт синтез или расщепление химических веществ. Каждый фермент имеет определённое строение. Как и у всех белков, оно зависит от первичной структуры, которая определяет все остальные структуры, т. е. форму молекулы, её пространственную конфигурацию. Результаты исследований показали, что молекулы ферментов во много раз больше молекул веществ, которые они активируют. В реакции непосредственно участвует лишь небольшая часть белка, обычно от 3 до 15 остатков аминокислот. Это каталитическая часть фермента. Остальные аминокислоты белка определяют её конфигурацию, связывают субстрат, присоединяясь к субстрату, присоединяя дополнительные ионы. В сложных белках-ферментах роль каталитического центра может выполнять небелковая часть. Рассмотрим строение фермента. В ферменте различают три центра: субстратный, активный и регуляторный (аллостерический) (рис. 68). Субстратный центр служит «якорной» площадкой для соединения фермента с субстратом. При этом между ними возникают определённые связи, позволяющие ферменту удерживать субстрат. Активный центр фермента является его главной частью. Здесь происходит взаимодействие субстрата, он делается доступным для проведения реакции, проходит собственно реакция, образуются продукты или продукт реакции. Активный и субстратный центры ферментов часто находятся рядом или совпадают. Для работы активного и субстратного центров, т. е. присоединения субстрата и катализа химической реакции, необходима строго определённая форма белка-фермента. Функции активного центра может выполнять небелковый компонент, например витамин, который в этом случае связан с ферментом и составляет единое целое. Фермент сохраняет свою активность до тех пор, пока в нём поддерживается специфическая конфигурация молекулы, а это связано с третичной и четвертичной структурами белка-фермента. Конфигурация белковой молекулы может изменяться таким образом, чтобы обеспечить быстрый доступ веществ в активный центр или, наоборот, затормозить реакцию. Эту функцию выполняет регуляторный, или аллостерический, центр фермента. К этому центру могут присоединяться неорганические ионы, низкомолекулярные вещества, которые заставляют молекулу фермента принять такую форму, которая будет способствовать быстрому соединению с субстратом.

Глава 5. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ § 18. Ферментативные реакции. Ферменты 101 окислительно-восстановительных ферментов; витамин B1 (тиамин) входит в состав ферментов, отщепляющих углекислый газ. Некоторые ферменты могут следовать один за другим, образуя конвейер, на котором идёт синтез или расщепление химических веществ. Каждый фермент имеет определённое строение. Как и у всех белков, оно зависит от первичной структуры, которая определяет все остальные структуры, т. е. форму молекулы, её пространственную конфигурацию. Результаты исследований показали, что молекулы ферментов во много раз больше молекул веществ, которые они активируют. В реакции непосредственно участвует лишь небольшая часть белка, обычно от 3 до 15 остатков аминокислот. Это каталитическая часть фермента. Остальные аминокислоты белка определяют её конфигурацию, связывают субстрат, присоединяясь к субстрату, присоединяя дополнительные ионы. В сложных белках-ферментах роль каталитического центра может выполнять небелковая часть. Рассмотрим строение фермента. В ферменте различают три центра: субстратный, активный и регуляторный (аллостерический) (рис. 68). Субстратный центр служит «якорной» площадкой для соединения фермента с субстратом. При этом между ними возникают определённые связи, позволяющие ферменту удерживать субстрат. Активный центр фермента является его главной частью. Здесь происходит взаимодействие субстрата, он делается доступным для проведения реакции, проходит собственно реакция, образуются продукты или продукт реакции. Активный и субстратный центры ферментов часто находятся рядом или совпадают. Для работы активного и субстратного центров, т. е. присоединения субстрата и катализа химической реакции, необходима строго определённая форма белка-фермента. Функции активного центра может выполнять небелковый компонент, например витамин, который в этом случае связан с ферментом и составляет единое целое. Фермент сохраняет свою активность до тех пор, пока в нём поддерживается специфическая конфигурация молекулы, а это связано с третичной и четвертичной структурами белка-фермента. Конфигурация белковой молекулы может изменяться таким образом, чтобы обеспечить быстрый доступ веществ в активный центр или, наоборот, затормозить реакцию. Эту функцию выполняет регуляторный, или аллостерический, центр фермента. К этому центру могут присоединяться неорганические ионы, низкомолекулярные вещества, которые заставляют молекулу фермента принять такую форму, которая будет способствовать быстрому соединению с субстратом. [Рисунок: схема строения фермента в виде фигуры с углублением; цифрами 1, 2, 3 обозначены субстратный, активный и регуляторный центры.] Рис. 68. Схема строения фермента: 1 — субстратный центр; 2 — активный центр; 3 — регуляторный (аллостерический) центр.

Глава 5. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ 102 [Рисунок: схема механизма действия фермента: фермент E соединяется с субстратом S, образуется комплекс E—S, затем E*—S*, затем E*—P, после чего освобождается продукт P, а фермент E восстанавливается; этапы обозначены цифрами 1—5.] Рис. 69. Механизм действия фермента: 1 — фермент (E); 2 — субстрат (S); 3 — фермент-субстратный комплекс (E—S); 4 — фермент-продуктный комплекс (E—P); 5 — продукты реакции (P). Механизм действия фермента. Рассмотрим общий принцип действия ферментов. В начале химической реакции происходит соединение фермента (E) с субстратом (S), образуется фермент-субстратный комплекс (E—S). Далее в активном центре фермента происходят преобразования субстрата, изменяются связи в молекуле субстрата, его конфигурация. Образуется комплекс фермента с видоизменённым субстратом (E*—S*). Затем происходит собственно химическая реакция и образуется фермент-продуктный комплекс (E*—P). После окончания реакции комплекс распадается, освобождается продукт (или продукты), а фермент вновь восстанавливается, каким был до начала реакции (E, P). Теперь он готов к новой ферментативной реакции. Этот процесс можно представить в виде схемы (рис. 69). На скорость ферментативных реакций могут оказывать влияние различные факторы. Известно, что скорость химических реакций зависит прежде всего от концентрации веществ. У ферментативных реакций есть особенность. Их скорость зависит не столько от концентрации субстрата, сколько от концентрации фермента (рис. 70, 1, 2). Таким образом, скорость реакции прямо пропорциональна концентрации фермента. Однако при увеличении концентрации субстрата она возрастает лишь в начале. Это связано с тем, что число молекул фермента определяет, как быстро будет происходить химическая реакция. Скорость реакции и активность фермента зависят от температуры, причём она понижается как при низких температурах, так и при высоких. При низких температурах слишком мала энергия активации молекул как субстрата, так и фермента. При высоких температурах белки-ферменты денатурируют, т. е. сворачиваются и полностью разрушаются. Оптимальным считается температурный интервал от 30 до 40 °C (рис. 70, 3). На активность фермента и скорость реакции влияет и pH среды (рис. 70, 4, 5). Ферменты активны при различной концентрации ионов H+ и OH-. Большинство из них работают эффективно в узких пределах pH, чаще в нейтральной среде. Сдвиг концентрации ионов водорода может изменить электрический заряд белка-фермента, что приведёт к изменению конфигурации молекулы и падению активности. Некоторые ферменты работают в слабощелочной среде, например амилаза слюны. Фермент желудка пепсин наиболее активен в кислой среде. Перепады pH среды также вызывают денатурацию фермента, но она, как правило, обратима.

Глава 5. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ 104 молекулы и падению активности. Некоторые ферменты работают в слабощелочной среде, например амилаза слюны. Фермент желудка пепсин наиболее активен в кислой среде. Перепады pH среды также вызывают денатурацию фермента, но она, как правило, обратима. Фермент (энзим); центры фермента: субстратный, активный, регуляторный (аллостерический). Вопросы и задания

1. Какова химическая природа ферментов? Охарактеризуйте строение фермента и каждого его центра (см. рис. 68).
2. Объясните последовательность взаимодействия субстрата с ферментом.
3. Как скорость реакции зависит от концентрации фермента и субстрата? Почему при повышении концентрации субстрата скорость реакции возрастает до определённой величины, а далее остаётся неизменной?
4. Рассмотрите график 3 на рис. 70. Как изменяется скорость реакции в пределах 0—40 °C? Какая температура является оптимальной и почему? Как изменяется скорость реакции в интервале от 40 до 60 °C? Ответ поясните.
5. Как изменяется активность фермента в зависимости от pH среды? Почему ферменты работают в основном в среде, близкой к нейтральной, а не в кислых или щелочных средах? Какие ферменты активны в кислой среде?
6. На графике 5 рис. 70 приведены кривые активности трёх ферментов — амилазы слюны, липазы поджелудочной железы и пепсина желудочного сока. Зная, где в пищеварительном тракте находятся эти ферменты, определите, какой график соответствует активности каждого из них. Дополнительная информация Одним из наиболее важных отличий ферментов от неорганических катализаторов является их высокая специфичность. Эту удивительную избирательность изучали многие учёные, в частности немецкий химик-органик Эмиль Фишер. При рассмотрении углеводов мы упоминали о том, что в организме животных и человека отсутствует фермент, расщепляющий целлюлозу, но крахмал и гликоген легко гидролизуются ферментом амилазой. Разница в строении этих углеводов заключается только в том, что в первом случае молекула состоит из остатков β-глюкозы, а в двух других — из остатков α-глюкозы. Э. Фишер, исследуя специфичность ферментов, высказал предположение о наличии в молекуле фермента участка, структура которого соответствует структуре субстрата, т. е. «субстрат подходит к ферменту, как ключ к замку». Это одно из самых важных свойств ферментов. Они строго специфичны к субстрату. Именно этим обусловлено свойство каждого фермента катализировать только определённую реакцию с данным субстратом или группу похожих реакций, т. е. действовать на какую-то определённую химическую связь. Например, фермент трипсин расщепляет как природный белок, так и искусственный полипептид, так как действует исключительно на пептидную связь. Фермент амилаза обладает строгой специфичностью и действует на α-гликозидную связь в молекуле крахмала, так и в молекуле гликогена. Однако есть такие ферменты, которые катализируют реакцию только с одним-единственным веществом. Такие ферменты обладают строгой специфичностью. Например, фермент ацетилхолинэстераза катализирует только реакцию гидролиза ацетилхолина, играющего роль нейромедиатора. Ацетилхолин обеспечивает передачу нервного импульса от одного нейрона к другому через синапс. Сразу после прохождения ацетилхолина через синаптическую щель вещество должно гидролизоваться, чтобы освободить нейрон для следующего импульса. Фермент ацетилхолинэстераза обладает строгой специфичностью. На активность ферментов могут влиять различные низкомолекулярные вещества. Катализаторами активности ферментов являются ионы ряда металлов, которые могут соединяться с ферментом в аллостерическом центре, изменять его конфигурацию и повышать активность. Некоторые ферменты работают только в присутствии определённых ионов (рис. 71). Ряд низкомолекулярных соединений — ингибиторов, наоборот, замедляет или совсем прекращает работу ферментов. Ингибирование может быть двух типов: конкурентное и неконкурентное. При конкурентном ингибировании низкомолекулярное вещество, похожее по строению на субстрат, занимает его место в активном или субстратном центре фермента. Ингибитор не может реагировать с ферментом и блокирует доступ настоящего субстрата, являясь его конкурентом. Неконкурентный ингибитор не похож на субстрат и не может занять его место в активном центре фермента. Но он легко присоединяется к аллостерическому центру фермента и изменяет его конфигурацию. Активный центр в результате такого присоединения видоизменяется и не способен проводить ферментативную реакцию с субстратом. На свойстве ингибирования ферментов основано действие многих ядов и лекарственных препаратов. Некоторые ферменты полностью ингибируются ионами тяжёлых металлов — ртути, мышьяка, свинца. Они образуют комплексы с сульфидными группировками и вызывают необратимую денатурацию фермента.

Глава 5. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ § 18. Ферментативные реакции. Ферменты 105 расщепляет как природный белок, так и искусственный полипептид, так как действует исключительно на пептидную связь. Фермент амилаза обладает строгой специфичностью и действует на α-гликозидную связь в молекуле крахмала, так и в молекуле гликогена. Однако есть такие ферменты, которые катализируют реакцию только с одним-единственным веществом. Такие ферменты обладают строгой специфичностью. Например, фермент ацетилхолинэстераза катализирует только реакцию гидролиза ацетилхолина, играющего роль нейромедиатора. Ацетилхолин обеспечивает передачу нервного импульса от одного нейрона к другому через синапс. Сразу после прохождения ацетилхолина через синаптическую щель вещество должно гидролизоваться, чтобы освободить нейрон для следующего импульса. Фермент ацетилхолинэстераза обладает строгой специфичностью. На активность ферментов могут влиять различные низкомолекулярные вещества. Катализаторами активности ферментов являются ионы ряда металлов, которые могут соединяться с ферментом в аллостерическом центре, изменять его конфигурацию и повышать активность. Некоторые ферменты работают только в присутствии определённых ионов (рис. 71). Ряд низкомолекулярных соединений — ингибиторов, наоборот, замедляет или совсем прекращает работу ферментов. Ингибирование может быть двух типов: конкурентное и неконкурентное. При конкурентном ингибировании низкомолекулярное вещество, похожее по строению на субстрат, занимает его место в активном или субстратном центре фермента. Ингибитор не может реагировать с ферментом и блокирует доступ настоящего субстрата, являясь его конкурентом. Неконкурентный ингибитор не похож на субстрат и не может занять его место в активном центре фермента. Но он легко присоединяется к аллостерическому центру фермента и изменяет его конфигурацию. Активный центр в результате такого присоединения видоизменяется и не способен проводить ферментативную реакцию с субстратом. На свойстве ингибирования ферментов основано действие многих ядов и лекарственных препаратов. Некоторые ферменты полностью ингибируются ионами тяжёлых металлов — ртути, мышьяка, свинца. Они образуют комплексы с сульфидными группировками и вызывают необратимую денатурацию фермента. [Рисунок: схема действия ингибиторов и активаторов на фермент: 1 — неконкурентный ингибитор B присоединяется к ферменту и изменяет его; 2 — конкурентный ингибитор B блокирует активный центр; 3 — активатор A изменяет конфигурацию фермента и облегчает присоединение субстрата.] Рис. 71. Действие ингибиторов и активаторов на фермент: 1 — действие неконкурентного ингибитора B приводит к изменению фермента; 2 — конкурентный ингибитор B блокирует активный центр; 3 — действие активатора A изменяет конфигурацию фермента и облегчает присоединение субстрата.