Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Ферментативный катализ

Ферментами или энзимами называют белковые молекулы, которые катализируют биохимические реакции, протекающие в живых организмах. Термины «фермент» (от лат. «fermentum» - закваска) и «энзим» (от греч. «zymosis» - содержащийся в дрожжах), известны с древних времен, когда еще не было и речи о каталитических процессах.

Начало научному изучению ферментов положил русский химик К.С. Кирхгоф, исследовавший реакцию превращения крахмала в глюкозу. В 1814 г. он установил, что эту реакцию могут катализировать те только разбавленные кислоты, но и вытяжка из проросших семян ячменя (которая, как впоследствии выяснилось, содержала фермент амилазу).

Представления о природе ферментативного катализа были развиты такими учеными, как И. Берцелиус, Э. Мичерлих, Э. Фишер.

Ферментативный катализ занимает среднее положение между гомогенным и гетерогенным катализом. Ферменты находятся в коллоидном или высокомолекулярном состоянии с молекулярной массой от 104. Размер глобул составляет 20 и более ангстрем. Поэтому ферментативный катализ часто характеризуют как микрогетерогенный.

Общий механизм действия ферментов принципиально не отличается от действия других гомогенных и гетерогенных катализаторов. Особенность его в том, что, благодаря длительному естественному отбору в ходе эволюции, ферменты активнее, эффективнее и селективнее, чем большинство катализаторов небиологического происхождения.

Вещество, подвергающееся превращениям под действием фермента, называют субстратом.

Основы кинетики ферментативных реакций разработаны Л. Миха- элисом совместно с М. Ментен (1913 г.). Согласно теории Михаэлиса- Ментен первым этапом любого ферментативного процесса является обратимая реакция между ферментом F и субстратом S. В результате этой реакции образуется промежуточный фермент-субстратный комплекс FS (комплекс Михаэлиса). На втором этапе фермент-субстратный комплекс практически необратимо распадается на продукт реакции Р с выделением исходного фермента.

Наблюдаемая скорость процесса равна скорости образования продукта Р:

Применяя метод квазистационарных концентраций к комплексу Михаэлиса, можно записать:

откуда

Учтем уравнение материального баланса, согласно которому текущая концентрация фермента [F] равна разности начальной концентрации [F]о и концентрации фермента, связанного в комплекс Михаэлиса [FS]:

Тогда уравнение (3.26) запишется как

Поделим обе стороны выражения (3.28) на кг [FS]:

^ lt + к2

Дробь Км ~ т в уравнении (3.29) называют константой Ми-

к1

хаэлиса:

откуда

По своему физическому смыслу константа Михаэлиса численно равна концентрации субстрата, при которой активность фермента вдвое меньше максимально возможной.

Таким образом, скорость ферментативной реакции равна

При малых концентрациях субстрата в знаменателе выражения (3.31) можно пренебречь [S] по сравнению с Км:

реакция идет по первому порядку.

Если концентрация субстрата велика, то можно пренебречь Км по сравнению с [5], тогда

порядок реакции - нулевой.

Общая скорость реакции будет тем больше, чем слабее идет процесс распада комплекса на исходные вещества, то есть чем меньше константа к_. Максимальное значение vrmax скорость примет в случае, если к_ i = 0. В этом случае весь фермент превратится в промежуточный комплекс и уравнение материального баланса (3.27) можно записать как

Тогда уравнение (3.24) примет форму

Или, с учетом уравнения (3.30),

Уравнение (3.34) носит название уравнения Михаэлиса-Ментен.

Кроме концентраций фермента и субстрата на скорость ферментативной каталитической реакции сильно влияют такие факторы, как температура и pH среды. Так как ферменты - это белки, присутствующие и работающие в живых организмах, то их активность наиболее высока при физиологически нормальных условиях. Для большей части ферментов человека оптимальной температурой является 37-38°С.

Большинство ферментов способно работать в интервале температур от 0 до 40°С. В этой области скорость ферментативной реакции подчиняется законам кинетики и повышается примерно в два раза на каждые 10 градусов. Однако зависимость скорости реакции от температуры проходит через максимум (рис. 3.12), поскольку при высоких температурах происходит термическая денатурация белковых молекул. Следует отметить, что существуют и термостабильные ферменты, например, Taq- полимераза бактерии Thermus aquaticus, которая сохраняет активность до 95°С.

Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры

Рис. 3.12. Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры

Зависимость скорости ферментативной реакции от pH среды

Рис. 3.13. Зависимость скорости ферментативной реакции от pH среды: 1 - пепсин, 2 - трипсин, 3 - щелочная фосфатаза

Влияние pH на активность ферментов связано с изменением диссоциации ионогенных групп ферментного белка. Для каждого фермента существует оптимальное значение pH, при котором фермент наиболее активен (рис. 3.13). В этой области pH конформация активного центра фермента оптимальна. При значительном отклонении от оптимального значения pH может происходить денатурация белка. Для большей части ферментов в человеческом организме оптимальными являются значения pH близкие к нейтральным. Для ферментов, работающих в кислых условиях среды (например, в желудке) оптимальны кислые значения pH.

Селективность действия ферментов, являющаяся биологически необходимым их свойством, связана с особенностями строения. Молекулы ферментов, как правило, во много раз больше молекул субстрата.

На поверхности ферментов существуют активные центры, которые часто представляют в виде углубления или щели. В этом углублении находятся участки, отвечающие за адсорбцию субстрата и участки, непосредственно участвующие в каталитической реакции.

Каталитические участки по своей химический природе таковы, что могут катализировать целый ряд субстратов. Селективность обеспечивают адсорбционные участки. Их называют также связывающими центрами, контактными или якорными площадками. В результате ферментативные процессы способны протекать с выходом целевого продукта, близким к 100%.

Ферментативный катализ проходит через ряд этапов (рис. 3.14).

На первом этапе происходит сближение субстрата и фермента, при этом субстрат определенным образом ориентируется относительно активного центра фермента. Второй этап - образование ферментсубстратного комплекса (FS), который в дальнейшем деформируется и превращается в нестабильный комплекс фермент-продукт. Третий этап - распад комплекса фермент-продукт и его десорбция, выход продуктов реакции из активного центра фермента.

В 1890 г. Э. Фишер предложил гипотезу «ключ-замок», объясняющую специфичность действия ферментов. Согласно этой модели пространственная конфигурация активного центра должна точно соответствовать ферменту (рис. 3.14, а).

Гипотеза «ключ-замок» не может объяснить некоторые факты. И фермент, и субстрат - не жесткие, а гибкие молекулы. Они могут изменять свою геометрию, в частности, при изменении pH, а гипотеза «ключ- замок» предполагает жесткость структуры.

Соответствие фермента и субстрата

Рис. 3.14. Соответствие фермента и субстрата: а - гипотеза «ключ- замок», б - гипотеза «рука-перчатка»

В 1958 г. Д. Кошланд предложил модификацию модели Фишера - теорию «индуцированного соответствия», или гипотезу «рука- перчатка» (рис. 3.14, б). Согласно этой гипотезе фермент как бы «обволакивает субстрат, принимая необходимую для связывания субстрата пространственную ориентацию. Субстрат входит в фермент как рука в перчатку (а перчатка изначально не является по форме точным слепком руки). То есть фермент в обычное время находится в неактивной R-форме (от «relaxe»), в момент присоединения субстрата переходит в активную, или «напряженную» Т-форму (от «tensile»).

Развитием гипотезы Кошланда является гипотеза топохимическо- го соответствия. Она дополняет модель «рука-перчатка» положением об «узнавании» ферментом той части субстрата, которая не претерпевает изменений при катализе. Предполагается, что между этой частью субстрата и ферментом возникают водородные связи, точечные взаимодействия.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>