Молекулярная биофизика (стр. 19 )

дородных хвостах липидов на их температуру плавления?

5. В чем заключается адаптационное изменение химического соста-

ва биомембран при продолжительном понижении температуры

окружающей среды?

6. С чем связан первичный механизм криоповреждений (поврежде-

ний при охлаждениях) биологических мембран?

7. Каким образом фазовый переход биомембраны из жидкокристал-

лического в гель-состояние может обеспечивать терморецепцию

клеток?

8. Какие четыре вида межмолекулярных взаимодействий определя-

ют состояние липидов в биомембранах?

9. Какую роль играют гидратационные силы при взаимодействии

фосфолипидных мембран между собой?

10. Каким образом лабильная система водородных связей между мо-

лекулами липидов блокирует дестабилизирующее действие элек-

тростатических сил отталкивания полярных головок липидов?

11. Каким образом различие в длине углеводородных хвостов в моле-

кулах фосфолипидов связано с числом фазовых переходов, кото-

рые наблюдаются в мембране, состоящей из этих фосфолипидов?

12. Какие три вида липид-белковых взаимодействий существуют в

биомембранах?

13. Как взаимодействие белков с липидными монослоями влияет на

функционирование белков? Приведите примеры.

14. Что такое аннулярные липиды, и как они влияют на функциони-

рование мембранных белков?

15. Активность каких мембранных ферментов зависит от присутствия

липидного окружения?

16. В каких клеточных процессах проявляются белок-белковые взаи-

модействия в виде циклов агрегации-дезагрегации белков?

17. Какие три типа явлений могут лежать в основе агрегационных

белок-белковых взаимодействий в биомембранах?

МЕХАНИЗМЫ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ

Жизнедеятельность организмов представляет собой одновременное

и согласованное функционирование огромного количества ферментов, их

ассоциатов и комплексов в различных клетках, тканях и органах организма, которые осуществляют метаболические преобразования и преобразуют энергию, создавая в результате своего функционирования необходимые метаболиты, силы и потоки.

При ферментативных превращениях происходит множество взаимосвязанных процессов и явлений на пути превращения субстрата в продукт биохимической реакции под действием фермента.

В молекулярном смысле под механизмом понимают молекулярные

события, стимулирующие превращение одних молекул в другие. Реальные механизмы ферментативных процессов, объясняющие работу конкретных ферментов, могут различаться чрезвычайно, но все ферментативные реакции имеют ряд общих особенностей, изложению которых и посвящен данный раздел курса.

Для описания сложных неравновесных процессов, обеспечивающих

функционирование ферментов, необходимо сначала корректно определить фундаментальные физические и физико-химические понятия и постулаты, на которых будет основываться дальнейшее изложение.

Глава 9Катализ и биокатализ

9.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭНЗИМОЛОГИИ

Ферменты (от латинского fermentum – закваска), энзимы (от греческого en – "в" и zyme – "закваска") или биокатализаторы, – это вещества биологического происхождения, ускоряющие химические реакции. Для того, чтобы не смешивать слова различных языков, принято называть науку, изучающую ферменты и катализируемые ими реакции, энзимологией (от греческих слов en, zyme, logos –?, ???, ?????).

Организованная последовательность процессов обмена веществ – метаболизм – возможна при условии, что каждая клетка обеспечена собственным генетически заданным набором ферментов. В живой клетке

множество разнообразных соединений, но реакции между ними не беспорядочны, а образуют строго определенные, характерные для данной клетки метаболические пути – согласованные последовательности реакций.

Индивидуальность клетки в большой степени определяется уникальным набором ферментов, который она генетически запрограммирована производить. Нехватка какого-либо фермента или какой-нибудь его дефект могут иметь очень серьезные отрицательные последствия для организма. Регуляция метаболических процессов ферментами обеспечивает соответствие обмена веществ измененным условиям.

Почти все ферменты являются белками. Однако, известны также каталитически активные нуклеиновые кислоты – рибозимы. Вещество, на которое действует фермент, называется субстратом (от латинского substratum – подстилка, основа).

Существуют сложные двух - и многокомпонентные ферменты, содержащие как белковые, так и небелковые компоненты. Апоферментом (apoenzyme) называется белковый компонент такого сложного фермента.

Кофактором (cofactor) называется небелковый компонент сложного фермента.

Ферментативной активностью обладает только комплекс апофермент–кофактор, который называется холоферментом (holoenzyme)

Апофермент + кофактор = холофермент.

Кофакторы можно разделить на две группы:

1) металлы (как правило – ионы металлов Zn2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+,

Cu2+, K+, Na+),

2) сложные органические соединения.

Органические небелковые кофакторы называются коферментами

(coenzymes). Источником коферментов часто служат витамины.

Тип связи между ферментом и коферментом может быть различным. Иногда они существуют отдельно и связываются друг с другом во время протекания реакции. Многие коферменты легко отделяются от холофермента и служат переносчиками отдельных атомов или групп атомов, отщепляемых ферментом от субстрата. В других случаях кофактор и фермент связаны постоянно и иногда прочными ковалентными связями. В последнем случае небелковая часть фермента называется простетической группой (prosthetic group).

9.2. СПЕЦИФИКА БИОКАТАЛИЗАТОРОВ

Ферменты отличаются от других катализаторов тремя уникальными свойствами:

-высокой эффективностью действия,

-специфичностью действия,

=способностью к регуляции.

Скорость ферментативных реакций обычно в 106–1012 раз выше, чем скорость соответствующих неферментативных реакций. Пример эффективности протекания реакции разложения перекиси водорода с участием фермента каталазы приведен в таблице 8.

Таблица 8 – Эффективность протекания реакции разложения переки-

си водорода

Специфичностью действия фермента называется его способность

выбирать определенный субстрат и катализировать строго специфическую реакцию.

Для ферментов характерны:

а) высокая субстратная специфичность – даже если какая-то реакция может идти с разными соединениями, данный фермент будет работать только с одним субстратом,

б) специфичность пути превращения (специфичность по типу реакции) – данный фермент катализирует только ту реакцию, для которой он предназначен. Например, фермент декарбоксилаза, отщепляющий карбоксильную группу аминокислоты, не будет отщеплять аминогруппу той же аминокислоты. Для этого есть фермент трансаминаза.

Так, например, трипсин (EC 3.4.21.4) катализирует разрыв пептидной связи только с карбоксильной стороны от аминокислотных остатков аргинин (Arg) или лизин (Lys) (рисунок 119). Тромбин (EC 3.4.21.5) – фермент, который участвует в процессе сворачивании крови, разрывает только аргинин-глицин (Arg-Gly) связь в определенной пептидной последовательности.

Рисунок 119 – Специфичность ферментов: а – трипсин разрывает связь со

стороны карбоксильной группы от аргинина или лизина, б – тромбин специфичноразрывает связь аргинин-глицин

Другой пример высокоспецифичного ферментного катализатора –

ДНК-полимераза (EC 2.7.7.7), которая синтезирует ДНК в строгом соотетствии последовательностью нуклеотидов в другой ДНК, которая

используется как "эталон" (или шаблон, template). ДНК-полимераза "ошибается" (вставляет "ошибочный" нуклеотид) реже, чем один раз на миллион синтезов.

Каталитическая активность многих ферментов может изменяться в

зависимости от концентрации веществ-регуляторов больше, чем от концентрации их субстратов. Возможность регулирования активности ферментов делает их своеобразными организаторами обменных процессов в

клетке.

Особенностью ферментативных реакций являются мягкие условия

протекания – температура ~37С; нормальное атмосферное давление;

близкое к нейтральному значение pH. В противоположность этому для

эффективного химического катализа часто требуются высокие температу-

ра и давление, а также экстремальные значения pH.

Уникальным свойством ферментов как биокатализаторов является

то, что некоторые из них могут преобразовывать энергию из одной формы в другую. Например, фермент миозин преобразует энергию химических связей АТФ в механическую энергию мышечных сокращений. "Насосы" в биологических мембранах, которые можно рассматривать как ферменты, которые перемещают субстрат через мембрану, а нехимически изменяют его, создают градиенты химического или электрического потенциала, используя энергию АТФ.

Например, на рисунке 120 представлена Ca2+-АТФаза (EC 3.6.1.38), которая используя энергию гидролиза АТФ на АДФ и неорганический фосфат Pi для транспорта ионов Са2+ через мембрану, создает тем самым градиент ионов Са2+.

Молекулярные механизмы подобных ферментов-преобразователей

энергии включают в себя "конвейер" элементарных стадий – связывание

иона, механическое перемещение, освобождение иона, – что сопровождается взаимным превращением различных форм энергии.

Важно, что перечисленные особенности ферментов, отличающие их от других типов катализаторов, объясняются особенностями пространственной

организации глобулярных ферментных белков. Именно взаимное расположение в пространстве различных звеньев полипептидных цепей и ко-

факторов и их пространственное перемещение в ходе ферментативной реакции объясняют особенности и многообразие ферментов.

Рисунок 120 – Фермент Ca2+-АТФаза преобразующий энергию, используя

энергию гидролиза АТФ для транспорта ионов Са2+ через мембрану, создает градиентионов Са2+

9.3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИЧЕСКОГО КАТАЛИЗА

Катализом называется явление изменения скорости химической реакции в присутствии катализаторов. Катализ называется положительным, если скорость реакции увеличивается, и отрицательным, если скорость уменьшается. Катализ называется гомогенным, если реагенты и катализатор находятся в одной фазе, и гетерогенным, если – в разных фазах.

Катализатором называется вещество, которое участвует в химической реакции и изменяет её скорость, но не входит в состав конечных продуктов и остается неизменным после завершения химической реакции.