Молекулярная биофизика (стр. 20 )

Катализатор, замедляющий реакцию, называется ингибитором.

Как уже говорилось выше, биологические катализаторы белковой природы называют ферментами.

Поскольку катализатор не входит в состав как исходных веществ,

так и продуктов реакции, то он не может оказать влияние на изменение

энергии Гиббса G. Следовательно, он не может вызвать протекание

реакций, для которых в данных условиях G0, а может лишь ускорить

скорость реакции в том случае, если G 0 (рисунок 121). В состоянии равновесия (G0) катализатор в равной степени ускоряет как прямую, так и обратную реакции.

Рисунок 121 – Влияние катализатора на величину энергетического барьера

Механизм действия катализатора связан с тем, что он образует

промежуточные соединения с исходными веществами и тем самым изменяют путь реакции, причем новый путь характеризуется меньшей высотой энергетического барьера, т. е. меньшими энергиями активации Ea Ea по сравнению с Ea в исходной (некатализируемой) реакции (рисунок 122).

Рисунок 122 – Влияние катализатора на энергетический профиль реакции:

а – энергетический профиль в отсутствие катализатора; б – энергетический профиль вприсутствии катализатора

Поэтому встречающееся зачастую утверждение о том, что катализатор снижает энергию активации, не корректно, так как реакция в присутствии катализатора не идентична исходной реакции. Просто это совершенно иная реакция, имеющая более низкий активационный барьер.

Каталитическая активность A характеризует изменение скорости

данной реакции, w, при введении в реакционную систему катализатора.

Если реакция протекает вблизи состояния равновесия и является двухсторонней, то за меру каталитической активности принимают скорость протекания реакции в прямом направлении. Удельной каталитической активностью называется каталитическая активность, отнесенная к единице массы катализатора.

Селективностью (избирательностью) катализатора называется его способность ускорять один из возможных путей реакции, если она может протекать по разным направлениям с образованием различных продуктов.

Промежуточное химическое взаимодействие реагентов с катализатором может протекать слитно (рисунок 123(а))или раздельно (рисунок 123(б)).

Рисунок 123 – Энергетический профиль реакции: а – при каталитическом

слитном процессе; б – при каталитическом раздельном процессе

При комплексном каталитическом процессе в состав активированного

комплекса входят катализатор и все реагирующие вещества. Так элементарная реакция без катализатора протекает через один активированный комплекс, а в присутствии катализатора – через  другой активированный комплекс  РИС.

Увеличение скорости реакции при этом достигается в результате уменьшения энергии активации. При раздельном механизме каталитический процесс осуществляется поэтапно, в виде нескольких стадий. Энергетический профиль характеризуется при этом несколькими максимумами (активированные _комплексы отдельных стадий) и минимумами (продукты промежуточного взаимодействия).

Например, для случая, приведенного на рисунке 123(б), В каждой последовательной стадии меняется число только часть связей, поэтому энергии активации таких разрывов E2 и E2 заметно меньше энергии активации некатализируемой реакции E1 .

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что изучает энзимология?

2. Что такое ферменты?

3. Какова роль ферментов в клеточном метаболизме?

4. Что такое рибозимы?

5. Что такое субстрат?

6. Что называется апоферментом?

7. Что называется кофактором?

8. Что называется холоферментом?

9. В чём сходство и различие апофермента и кофактора?

10. В чём сходство и различие апофермента и холофермента?

11. В чём сходство и различие кофактора и холофермента?

12. Какие виды кофакторов вы знаете?

13. Что называется коферментом?

14. Что называется простетической группой?

15. Может ли апофермент быть простетической группой? Почему?

16. В чём отличие биокатализаторов от небиологических катализа-

торов?

177

17. Чем активность ферментов отличается от активности небиологи-

ческих катализаторов?

18. В каких единицах измеряется активность фермента?

19. Что называется числом оборотов ферментативной реакции?

20. Что называется удельной активностью ферментативной реакции?

21. Что называется молярной активностью ферментативной реакции?

22. Сколько международных единиц ферментативной активности со-

ставляет один катал?

23. Что называется специфичностью действия фермента?

24. Что такое субстратная специфичность ферментов?

25. Чем специфичность ферментов отличается от специфичности не-

биологических катализаторов?

26. Что такое специфичность пути превращения ферментов?

27. Почему способность к регуляции отличает ферменты от небиоло-

гических катализаторов?

28. В каком температурном диапазоне работает большинство фер-

ментов? Сравните с условиями работы небиологических катали-

заторов.

29. При каких значениях рН работает большинство ферментов?

Сравните с условиями работы небиологических катализаторов.

30. При каком давлении работает большинство ферментов? Сравните

с условиями работы небиологических катализаторов.

31. Приведите примеры преобразования ферментами энергии из од-

ной формы в другую.

32. В чём сходство и различие гомогенного и гетерогенного катали-

тических процессов?

33. Как изменяется путь реакции при наличии в системе катализа-

тора?

34. В чём сходство и различие слитного и раздельного каталитиче-

ских процессов?

Глава 11Специфика ферментативных реакций

11.1. ФЕРМЕНТ?СУБСТРАТНЫЙ КОМПЛЕКС

Рассмотрим бисубстратную ферментативную реакцию фермента E

с субстратами A и B с образованием продуктов C и D. Нас будут интересовать специфические особенности, которые отличают ферментативную реакцию от такой же, но некаталитической, реакции, которая протекает в водном растворе без участия катализаторов (рисунок 124).

Рисунок 124 – Некаталитическая реакция (в отсутствие фермента)

Вещества A и В в растворе окружены оболочкой из молекул воды

(гидратной оболочкой) и под действием теплового движения перемещаются случайным образом. Они могут вступать в реакцию друг с другом

только в  случае, когда сталкиваюся и находятся в оптимальной  ориентации,

что маловероятно и происходит редко. Для образования продуктов C и D

возникший комплекс AВ образует переходное состояние, что требует, как правило, значительной энергия активации Ea. Поскольку это возмлжно только для части комплексов AВ, достижение переходного состояния – ещё более редкий случай, чем возникновение комплекса.

В растворе большая часть энергии активации расходуется на удаление гидратных оболочек между A и В, в результате, в отсутствие катализатора, образование продуктов происходит крайне редко и скорость реакции – незначительна, даже когда реакция термодинамически допустима.

А вот участие ферментов существенно повышает "эффективность"

образования переходного состояния (рисунок 125). Ферменты специфически связывают реагенты (свои субстраты) в активном центре.

Рисунок 125 – Схема ферментативной реакции

Активным центром называется специфический участок молекулы фермента, в которой происходит связывание и превращение субстрата. Связывание субстратов в активном центре приводит к тому, что  субстраты ориентируются таким образом, что приобретают оптимальное положение для образования переходного состояния (рисунок 125(1–3)).

Сближение и необходимая ориентация реагентов значительно повышают вероятность образования комплекса AB. Кроме того, связывание субстрата в активном центре приводит к удалению гидратной оболочки субстрата. Поэтому в активном центре фермента во время катализа создаются совершенно другие условия, чем в растворе (рисунок 125(3–5)). В следствие этого, переходное состояние в случае ферментативной реакции характеризуется меньшей энергии активации.

Еще одним важным фактором биокатализа является стабилизация переходного состояния вследствие взаимодействия между аминокислотными остатками белка и субстратом (рисунок 125(4)).

Кроме того, многие ферменты во время катализа переносят специфические группы атомов с субстрата или на субстрат. Особенно часто

осуществляется перенос протонов. Этот ферментативный кислотно-основной катализ значительно более эффективен, чем обмен протонов с кислотами и основаниями в растворе. Часто функциональные группы ковалентно присоединяются к аминокислотам фермента. Это явление называют ковалентным катализом.

Таким образом, отличие ферментативных реакций от неферментативных заключается в том, что в ходе ферментативных реакций

образуется фермент-субстратный комплекс, в котором происходит:

1) сближение и ориентация субстратов,

2) исключение из реакционной области молекул воды,

3) стабилизация переходного состояния,

4) перенос группы атомов.

Все эти события и действия происходят в активном центре фермента. В нем специфические аминокислоты располагаются для формирования оптимальной конформации и для стабилизации переходного состояния молекулы субстрата.

Для примера на рисунке 126 в левой части приведена схема фермент-субстратного комплекса: цитохром Р450–камфора. В правой части рисунка 126 показан активный центр этого комплекса.

Рисунок 126 – Фермент-субстратный комплекс цитохром Р450–камфора (слева) исхема активного центра этого комплекса (правая часть рисунка).

Рисунок 127 – Схема фермента лизоцим (ЕС 3.2.1.17). Вверху изображены

компоненты активного центра; внизу – номера их положений в первичной структуреполипептидной цепи

Цитохромом Р450 называют группу гемсодержащих монооксигеназ,

активный центр которых формируется из фрагментов полипептидной цепи,

в том числе из отдельных аминокислот, содержащих разнообразные

функциональные группы. Некоторые из них принимают участие в сорбции субстрата на ферменте, другие – катализируют его химическое превращение.  К каталитически активным радикалам белка относятся нуклеофильные группы (имидазол гистидина, гидроксильная группа серина или тирозина, тиольная группа цистеина, ?-аминогруппа лизина, ионизированные карбоксилы аспарагиновой и глутаминовой кислот и др.) и электрофилы (ион имидазола, неионизованные карбоксильные группы, ионы металлов и т. п.).