Молекулярная биофизика (стр. 27 )

заряженным кислородным атомом белка, появившемся в результате

диссоциации спиртовой группы серина активного центра. Связь между С

(ацетила) и О (холина) разрывается с образованием в качестве промежуточного соединения ацетилсерина. Холин уходит, а отщепляющийся от серина протон связывается кислородным атомом диссоциированной гидроксильной группы тирозина, и первоначальное состояние тирозина в активном центре восстанавливается.

Гидролиз ацетилсерина начинается с диссоциации молекулы воды за

счёт взаимодействия протона с имидазольным кольцом гистидина активного центра. Освободившийся гидроксил атакует сложноэфирную связь

ацетилсерина. Результатом гидролиза является освобождение уксусной

кислоты. Протон (Н+), временно связанный с азотом имидазольной группы His, освобождается и вновь связывается с О Ser. Так восстанавливается исходное состояние всех трёх аминокислотных остатков активного центра.

Образовавшиеся холин и уксусная кислота освобождаются из

активного центра за счёт диффузии (рисунок 153(в)).

Все описанные выше процессы протекают более или менее одновременно. Гидролиз ацетилхолина происходит благодаря согласованному действию всех функциональных групп активного центра. Течение реакции определяется расстояниями между отдельными участками активного центра.

Модельные опыты, проведенные с аналогами субстратов, показывают, что реакция протекает наиболее благоприятно, если основная группа гистидина находится на расстоянии 0,5 нм от СОО–, и если тирозин расположен в 0,25 нм от боковой цепи серина. Это ещё раз доказывает важность конформации активного центра для проявления активности.

Ацетилхолинэстераза локализована в синаптической щели, её молекулярная масса – 260000 Да, субъединичная структура – 22 . Фермент характеризуется поразительно высоким числом оборотов, а именно, 25000 с–1. Это означает, что одна молекула ацетилхолина расщепляется за 40 мкс. Такое высокое число оборотов ацетилхолинэстеразы имеет очень важное значение для быстрого восстановления поляризованного состояния постсинаптической мембраны. Синапсы способны передавать тысячу импульсов в секунду только потому, что постсинаптическая мембрана восстанавливает свою поляризованность за доли миллисекунды.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какие компоненты полипептидной цепи формируют активный

центр фермента лактатдегидрогеназа?

2. Какую реакцию катализирует фермент лактатдегидрогеназа?

3. Какую функцию выполняет НАДН в каталитическом цикле лак-

татдегидрогеназы?

4. Какую биологическую роль выполняет ацетилхолин?

272

5. Какие компоненты полипептидной цепи формируют активный

центр фермента ацетилхолинэстераза?

6. Какую реакцию катализирует фермент ацетилхолинэстераза?

7. Какую функцию выполняет аминокислота серин в каталитической

реакции расщепления ацетилхолина ацетилхолинэстеразой?

8. Какую реакцию катализируют сериновые протеазы?

9. Какие компоненты полипептидной цепи формируют активный

центр сериновых протеаз?

10. Как устроен субстрат-связывающий центр сериновой протеазы?

11. Чем отличается ферментативная реакция расщепления поли-

пептидной цепи сериновой протеазой от аналогичной нефермен-

тативной реакции?

12. Какие особенности ферментативной реакции расщепления поли-

пептидной цепи сериновой протеазой обеспечивает энтальпийный

катализ? И какие – энтропийный катализ?

13. Чем отличаются специфические сайты субстрат-связывающего

кармана в химотрипсине, трипсине и эластазе?

14. Для чего в катализаторах совмещается локальная точность распо-

ложения отдельных аминокислот с достаточно произвольной

структурой основной части белковой глобулы?

15. В состоянии ли ферменты, которые имеют полностью различную

первичную структуру, катализировать подобные реакции?

16. В состоянии ли белки, которые имеют различную третичную

структуру, выполнять подобные биохимические функции?

17. Сколько ферментов принимает участие в гликолизе?

18. Образуются ли во время гликолиза нефосфорилированные

вещества?

19. Что такое субстратное фосфорилирование?

20. Сколько молекул АТФ синтезируется при гликолизе одной моле-

кулы глюкозы?

КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ

Главный признак, отличающий живое от неживого, это движение,

постоянное развитие во времени. Особенности протекания во времени

метаболических процессов в живых организмах представляют собой

сложную суперпозицию индивидуальных кинетических характеристик

тех ферментов, которые входят в состав определённых метаболических

цепей. Исследование количественных закономерностей развития биологических процессов на молекулярном уровне во времени с участием

ферментов составляет предмет ферментативной кинетики. Среди задач

ферментативной кинетики главными являются выяснение БИОФИЗИЧЕСКИХ механизмов, определяющих скорости и природу ферментативных преобразований, выявление их лимитирующих стадий, количественное описание протекания ферментативных реакций во времени с использованием молекулярных представлений и базовых законов физической и химической кинетики.

ОСОБЕННОСТЬ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ КИНЕТИКИ

Основные трудности при исследовании ферментативных процессов

сопряжены не с их экспериментальным изучением (что часто имеет место), а с аналитическим выражением получаемых результатов. Иногда аналитическое выражение имеет настолько сложный вид, что это не позволяет объяснить исследуемый процесс.

ДАЛЕЕ СМ ВСТАВКУ

EA, EB, EAB, EPQ, EP и EQ – обозначают на рисунке 160разные возможные комплексы фермента с субстратом (субстратами) и продуктом (продуктами). Математические выражения, описывающие эту модель не пригодны ни для каких практических целей.

Рисунок 160 – Общая схема бисубстратной ферментативной реакции

Леонор Михаэлис(Leonor Michaelis) и Мод Ментен (Maud Leonora

Menten) предложили оригинальный подход, который в рамках стационарной кинетики позволил существенным образом упростить описание кинетики ферментативных реакций.

ГИПОТЕЗА О СТАЦИОНАРНОСТИ

Рассмотрим, как Михаэлис и Ментен с помощью разумных упрощений получили кинетическую схему, пригодную для анализа огромного числа ферментативных реакций.

1. Первое упрощение. Считаем, что в реакции участвует только

один субстрат S, с которым взаимодействует фермент E.

2. Второе упрощение. Считаем, что в реакции образуется только

одно промежуточное соединение. В этом случае кинетическую схему

процесса можно записать в виде СМ РИСУНОК, где k1,k2,k?1,k?2 – константы скоростей соответствующих реакций.

СМ ДАЛЕЕ ВСТАВКИ

Рисунок 167 – График Лайнуивера-Берка

РЕГУЛЯЦИЯ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ АКТИВНОСТИ

С учетом обратной реакции схема Михаэлиса-Ментен регулирует количество продукта, поскольку скорость его образования падает с ростом его концентрации. Такая "естественная" "само"-регуляция происходит во всех ферментативных реакциях, в которых катализируется превращение субстрата в продукт.

Однако, как известно, существуют другие типы регуляции ферментативной активности, основанные на присутствии в системе химических соединений, эффекторов, самих по себе не являющихся субстратами или продуктами, однако способных связываться с молекулой фермента на участках, которые, вообще говоря, могут быть удалены от каталитического активного центра фермента. Действие таких внешних регуляторов (эффекторов) обеспечивает эффективный контроль за скоростями ферментативных реакций и служит средством биохимического отклика системы на изменение внешних условий путем изменения скоростей соответствующих ферментативных реакций.

Внешние регуляторы ферментативных реакций можно разделить на

две группы.

В первую группу входят внешние регуляторы, которые неспецифичны в структурном отношении – их активность коррелирует с некоторыми феноменологическими физико-химическими свойствами, такими как, например:

-поверхностное натяжение в их растворах,

-растворимость,

-степень ионизации

в большей степени, чем с присутствием в их структуре каких-либо специ-

фических функциональных химических группировок.

Примеры таких веществ – лекарственные вещества-анестетики

общего действия, такие, как хлороформ или диэтиловый эфир, физиоло-

гическая активность которых коррелирует с размером их молекул и с рас-

творимостью в органических неполярных растворителях.

К другому подвиду первой группы веществ относятся некоторые

наркотические и возбуждающие агенты, такие как пикротоксин или

димфлин, действие которых основано на неспецифическом связывании с

внешним слоем мембран и изменении ионной проницаемости синаптических мембран (нервных синапсов).

Вторую группу составляют эффекторы, действие которых основано на изменении ими каталитического действия ферментов в результате специфического взаимодействия эффектора с молекулой фермента. Благодаря тому, что скорости обычных химических реакций намного ниже скоростей каталитических реакций, избирательность действие таких специфических эффекторов обеспечивает эффект "химического усиления", благодаря которому всего несколько молекул эффектора существенным образом влияют на выход продукта в масштабах клетки.

Эффекторы ферментативных реакций принято разделять на ингибиторы и активаторы. Ингибиторы разделяют на обратимые и необратимые.

Обратимые ингибиторы не вносят в молекулу фермента какихлибо изменений после своей диссоциации. Необратимые ингибиторы необратимо модифицируют целевой фермент.

Различают конкурентное, неконкурентное и бесконкурентное ингибирование. Конкурентным называется ингибирование, при котором молекула ингибитора подобна молекуле субстрата (аналог субстрата) (табли-

ца 12(2)). Она блокирует активный центр фермента и полностью предотвращает связывание фермента с субстратом. Субстрат и ингибитор конкурируют за место связывания на ферменте.

Тип регуляции фермент-субстратного комплекса

1 В отсутствии ингибирования

2 Конкурентное ингибирование

3 Аналог переходного состояния

4 Неконкурентное ингибирование

5 Суицидные субстраты

6 Аллостерическоеингибирование

Аналоги переходного состояния (таблица 12(3)) также действуют как конкурентные ингибиторы. Например,  малоновая (а), щавелево-уксусная (б) иглутаровая (в) кислоты ингибируют фермент сукцинатдегидрогеназу,