WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
HOW ENZYMES WORK КАК РАБОТАЮТ ФЕРМЕНТЫ V. I. IVANOV..

‚ - Why are enzymes that effective and specific Because these natural catalysts are molecular Химические реакции в живых организмах осуmachines. Analysis of ществляются при помощи катализаторов – ферментов. Ферменты – это белки, а белки – полимеры, обenzymes in terms of разующиеся из звеньев – аминокислот. Полимерная molecular machine reveals цепочка фермента из нескольких сотен звеньев своhow they work.

рачивается в компактную структуру – глобулу. Ферменты – глобулярные белки. В белках встречаются двадцать типов аминокислот, чередование которых ‰ ‡в белковой цепи определяет специфику фермента, ‡‡ – то есть его биологическую функцию. Сколько в клетке разных ферментов Столько, сколько в ней – ‚ протекает различных химических реакций, то есть, процессов, сопровождающихся разрывом или обра – fl зованием ковалентных связей. По современным оценкам их десятки тысяч. При таком изобилии ес‡. ‡ тественно возникает вопрос: существует ли общий ‚ механизм работы разных ферментов Я постараюсь fl ‚fl fl, ответить на этот вопрос.

‡ ‡·‡. Прежде всего, какие свойства присущи ферментам как катализаторам Таких свойств три.

1. Чрезвычайно высокая эффективность. Это означает, что реакция, без фермента, как правило, вообще не идущая, “мчится” со скоростью несколько тысяч актов в секунду. У некоторых ферментов, например у каталазы, которая разлагает перекись водорода, это число увеличивается до миллиона.

Правда, есть и довольно медленно работающие ферменты, например пепсин, расщепляющий в желудке белки со скоростью лишь десять актов в секунду.

2. Чрезвычайно высокая специфичность по типу реакции. Это означает, что 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.

3. Чрезвычайно высокая специфичность в отношении тех соединений, с которыми индивидуальный фермент должен работать. Даже если какая-то реакция может идти с разными соединениями, данный фермент будет работать только с одним (или немногими). Такие вещества называются субстратами, а свойство фермента работать только с ними – субстратной специфичностью.

Отметим, что упомянутые три свойства решительно отличают ферменты от искусственных катализаторов. Понять, как ферментам это удается – значит разгадать механизм ферментных реакций.

.. © ‚‡‚.., Обсудим подробнее каждое из трех свойств фер- ной системе с соответствующими стадиями в ментов. Когда говорят о высоких скоростях фер- системе конгруэнтной. Тем самым можно вычлементных реакций, надо уточнить, в сравнении с чем нить вклад белка-фермента на каждой стадии реакони высокие. Например, химическая реакция ции. Вообще говоря, могло бы оказаться, что конNaOH + HCl NaCl + H2O идет и без фермента груэнтных систем не существует, а фермент работает со скоростью 1013 актов в секунду (при концентра- не на основе реакций органической химии. Но сейции реагентов в несколько молей). Это больше ско- час, когда конгруэнтные системы в ряде случаев рости любой ферментной реакции! Поэтому важно найдены, такая ситуация представляется невероятпредставлять, какова вообще максимальная ско- ной. Чтобы наше изложение не было столь абстрактрость химической реакции. Она определяется час- ным, вот конкретный пример.

тотой колебаний длины валентной связи. Возьмем, например, молекулу О2: О=О. Чтобы она распалась на атомарный кислород: О=О О + О, двойная Пример удобен тем, что начальное состояние (Lсвязь должна растянуться из-за тепловых колебааминокислота) и конечное (D-аминокислота) имений. Если растяжение окажется недостаточным для ют одинаковую энергию; известен фермент рацемадиссоциации, то следующий подходящий момент за, катализирующий это превращение; есть конгруможет наступить только после сжатия на следуюэнтная модельная система, проводяшая ту же щем периоде колебания. То есть максимальная скореакцию, но без фермента.

рость определяется частотой колебания длины валентной связи, которая лежит в инфракрасной Рассмотрим сначала гипотетическую реакцию в области спектра и примерно равна 1013 актов/с. Это вакууме безо всяких катализаторов (рис. 1). Путь предельно высокая скорость. В большинстве случа- реакции таков: ион водорода отрывается от атома ев исходные соединения и продукты реакции разде- углерода С. При этом образуется переходное солены энергетическим барьером, и тогда скорость стояние – карбанион, в котором центральный атом реакции описывается формулой, которая нам при- углерода находится в одной плоскости с тремя атогодится не один раз: мами, соседствующими с этим углеродом. Затем ион водорода вновь присоединяется к центральноE му углероду, но уже с другой стороны плоскости, как ----- = kTexp –-------, (1) показано на рис. 1, а. Левый изомер аминокислоты h RT превратился в правый. Плоский карбанион – на где k – постоянная Больцмана (1,4 10- 16 эрг/град), Т – абсолютная температура, h – постоянная План- а H+ ка (6,6 10- 27 эргс). Отсюда получаем, что комбинация kT/h по порядку величины составляет 1013 акHH H3C COOH тов/с. E – это высота энергетического барьера, H3C COOH H3C COOH отделяющего исходные реагенты от продуктов реC акции. RT – энергия теплового движения, примерC C но 0,6 ккал/моль. Мы видим, что даже при барьере NH2 NH2 NHнулевой высоты (Е = 0) скорость реакции не может LK– D превосходить 1013 актов/с. Поэтому, говоря о высоких скоростях работы ферментов, мы должны за- б даться вопросом: высокие по сравнению с чем Ответ очевиден: по сравнению с соответствующей реакцией, идущей без фермента. Вся сложность в том, что очень часто соответствующие реакции неE ~ 102 ккал/моль известны. Как бы то ни было, будем называть модельной системой такую, в которой без фермента (хотя и в присутствии низкомолекулярных катализаторов) из исходных соединений получаются те же Рис. 1. Путь реакции рацемизации на примере продукты, что и в ферментной реакции. Если сходаминокислоты аланина. а: На первой стадии L-аластво модельной системы столь велико, что процесс нин (слева) после отрыва иона водорода от центидет через те же промежуточные соединения, то горального атома углерода С, находящегося в центре тетраэдра, превращается в “плоский” карбаворят о конгруэнтной модельной системе. (Поясненион К-. На второй стадии ион водорода Н+ вновь ние: сходство предполагает лишь одну и ту же химиприсоединяется к карбаниону К-, но уже с другой ческую структуру, но не обязательно идентичность стороны плоскости. Это ведет к превращению леконформации или ионных форм.) вого изомера L-аланина в правый – D-аланин.



б: Изменение энергии системы по мере превраФундаментальное значение конгруэнтной систещения L-аланина через переходное состояние Кмы заключается в том, что, имея ее, можно сравнив D-аланин. L- и D-изомеры имеют одинаковую вать скорости отдельных стадий реакции в фермент- энергию, но разделены высоким барьером.

, ‹9, вершине энергетической горы (рис. 1, б). От подноH жья, изомеров L и D, высота порядка 102 ккал/моль.

L: R C COOH Она соответствует энергии разрыва ковалентной связи С–Н. Подставив в формулу (1) эту величину, NHполучим, что для аминокислоты такая реакция в среднем может случиться лишь один раз за 1050 лет, H O O C а так как возраст Вселенной 1010 лет, то практически никогда. Барьер слишком высок.

HO P CH2 OH - H2O O Поместим теперь нашу систему в воду. Из рис. OH +H2O видно, что молекула воды, образуя так называемую N CHводородную связь (правда, в данном случае связь Пиридоксальфосфат очень слаба), оттягивает водород, помогая ему ото(ПЛФ) рваться. При этом на вершине появляется ямка, а барьер немного понижается, вероятность реакции H чуть-чуть, но возрастает. А можно ли столь сильно R COOH понизить барьер, чтобы реакция шла с заметной R C COOH C скоростью Да. Нужно только добавить катализатор H N H N посильнее воды. Подсказку дает природа. В клетке C C эта реакция идет с участием витамина В6 – пиридOH OH оксальфосфата (ПЛФ), связанного с ферментом ра- - H2O - H+ +H+ цемазой, но реакцию можно проводить и в лабора+H2O +H+ - H+ торной пробирке безо всякого фермента. В таком N N случае мы имеем конгруэнтную систему:

H Альдимин L-аминокислоты Карбанион K D: R C COOH H K H2O R NHC COOH H H N H O C C OH +H2O +H+ - H2O - H+ N N Альдимин Пиридоксальфосфат D-аминокислоты (ПЛФ) Это истинный катализ, так как в итоге ПЛФ K ПЛФ выходит из процесса неизменным, в то время как L-аминокислота превращается в D-изомер и наобоK Ферм.

рот – ведь реакция обратима. Замечательно, что ско0 рость превращения уже достаточно высока – около L A A D сотни минут, чему соответствует частота 10- 4 актов/с.

Ход реакции Подставим эту частоту в формулу (1). Получаем для высоты барьера 101 ккал/моль, то есть катализатор Рис. 2. Изменение энергии по ходу процесса: в ПЛФ понизил барьер в 10 раз. Правда, при этом некатализируемой реакции (К), в водной среде путь реакции стал более сложным: вдобавок к кар(К Н2О), в конгруэнтной системе с катализатором баниону появились новые промежуточные соедипиридоксальфосфатом (К ПЛФ) и ферментом ранения – альдимины.

цемазой (К ферм.). L и D – зеркальные изомеры аланина; К – ключевой интермедиат карбанион, Можно ли утверждать, что мы имеем дело с искоторый стабилизирован водородной связью с водой (К Н2О), в ковалентном соединении с ката- кусственным “ферментом” Нет, нельзя, потому что лизатором пиридоксальфосфатом (К ПЛФ) и на ни одно из трех отличительных свойств ферментов, ферменте (К ферм.). А – альдимин, промежуточсформулированных в начале статьи, здесь не проявное соединение, появляющееся в конгруэнтной и ляется: 1) скорость работы фермента в миллионы раз ферментной системах. Обратите внимание, как меняется высота барьера Е. больше, чем в бесферментной конгруэнтной системе.. Энергия Е, ккал/моль с ПЛФ; с ферментом рацемазой она 104 актов /с; низкомолекулярные помощники называются ко2) специфичность по типу реакции отсутствует: ферментами. Многие ферменты обходятся без кокроме рацемизации, идут и другие процессы; 3) ес- ферментов, но все ферменты имеют так называетественно, нет и субстратной специфичности: в то мый активный центр – место, где протекает время как каждый тип рацемазы работает с одним химическая реакция, катализируемая ферментом.

типом аминокислоты, в модельной конгруэнтной Кофермент, если он есть у фермента, находится в системе “субстратом” может служить любая. Поды- активном центре.

тожим сказанное в таблице:

Химический механизм этой реакции с участием ПЛФ был предложен в нашей стране А.Е. БраунКонгруэтная Некатализирумодельная Фермент штейном и М.М. Шемякиным (1952 г.) и независиемая реакция система мо Д. Метцлером, М. Икавой и Э. Снеллом в США (1954 г.):

Скорость 10- 57 актов/с 10- 4 актов/с 104 актов/с Барьер E 102 E ~ 101 E ~ H O ккал/моль ккал/моль ккал/моль C H Мы видим, что сильные ковалентные взаимоOH - H2O действия в конгруэнтной системе, то есть химичес+ R' C COOH +H2O кие реакции, уменьшают энергетический барьер на N порядок величины. В то же время различие между NHконгруэнтной системой и ферментом характеризуАминокислота Пиридоксальфосфат ется относительно малым энергетическим интерва(ПЛФ) лом, который может быть преодолен нековалентными взаимодействиями: электростатическими, H гидрофобными и водородными связями. С точки зрения физики фермент – это малое возмущение в R' C COOH R' C COOH конгруэнтной системе. Вывод очень важный. Из H N N него следует, что ферментный катализ – проблема C H2C не химическая, а физическая. Фермент не создает - H2O +H2O “новой химии”, он лишь меняет уровни энергии промежуточных соединений конгруэнтной систе+H2O - H2O мы с помощью невалентных взаимодействий. При Альдимин Кетимин этом работа фермента состоит в том, чтобы эти энергетические уровни стали приблизительно (с NHточностью до нескольких ккал/моль) одинаковыми.





H2C Образно говоря, фермент, используя невалентные OH (физические) взаимодействия, шлифует профиль +H2O энергии вдоль пути реакции так, чтобы шероховато- + R' C COOH - H2O сти не превышали нескольких ккал/моль (см. рис. 2).

N O Как это делается, рассмотрим на примере хорошо изученного фермента трансаминазы.

Пиридоксаминфосат Кетокислота Аспартат-глутамат трансаминаза, о которой (ПМФ) пойдет речь, катализирует реакцию Возникающий таким образом пиридоксамин+ R CH COOH R' C COOH фосфат (ПМФ) потом реагирует с другой кетокислотой в обратной реакции, причем кетокислота NH2 O превращается в соответствующую аминокислоту.

ПЛФ при этом выступает промежуточным акцепто+ R C COOH R' CH COOH;

ром аминогруппы, а общая реакция переаминироO NHвания разбивается на две полуреакции:

R = HOOC–(CH2)2 для глутаминовой и -кетоглуRCHNH2COOH + ПЛФ = RCOCOOH + ПМФ, таровой кислот, R'COCOOH + ПМФ = R'CHNH2COOH + ПЛФ.

R' = HOOC–CH2 для аспарагиновой и щавелевоуксусной кислот, -кетоглутаровая и щавелевоуксусСравним скорости соответствующих стадий ная кислоты относятся к классу кетокислот.

ферментной и конгруэнтной систем. Рассмотрим первую стадию – образование альдимина. В конгру энтной системе скорость его появления определить Как и рацемазы, трансаминазы используют в нетрудно: продукт имеет интенсивный желтый цвет.

качестве помощника пиридоксальфосфат. Такие Трудность в другом. Оба исходных участника, и, ‹9, ПЛФ, и аминокислота, в растворе представляют со- правильно ориентированы вдоль, как говорят, кобой смесь различных ионных форм: ординаты реакции; остальные столкновения будут малорезультативными. Расчет вероятности праH O H O H O вильного столкновения и дает примерно 0,01.

C C C Итак, мы приходим к очень важному выводу.

O O OH Различие в скоростях первой стадии модельной реакции и той же стадии ферментной реакции можно полностью объяснить, если поставить два условия:

N N N 1) в активном центре фермента реагенты принимаH H ют наиболее реакционноспособные формы; 2) в акАнион Биполярный ион Катион тивном центре фермента реагенты ориентируются вдоль координаты реакции. Каждое из этих действий требует энергии. Единственный способ полуH H чить ее – позаимствовать часть энергии связывания R C COO R C COOH реагентов с белком. Добиться этого можно, связывая их с белком по боковым группировкам. Кроме NH3 NHтого, такое “многоточечное” связывание позволяет Биполярный ион Нейтральная форма сориентировать реагенты вдоль координаты реакции, то есть выполнить и второе требование.

Реакционная способность ионных форм не одинакова, то есть скорость образования альдимина за- Какой величины энергия может быть таким сповисит от того, какие ионные формы в данном акте собом позаимствована Зададим вопрос иначе:

реагируют. Например, наиболее активной является энергия какой величины нас бы устроила Как мы нейтральная форма аминокислоты. Но ее содержа- уже показали, перепад энергий при переходе от ние в водном растворе невелико: в нем больше всего конгруэнтной системы к ферментной составляет биполярной формы. порядка 101 ккал/моль (рис. 2). Значит, именно такую величину нам должно дать многоточечное свяПоэтому наблюдаемая скорость будет всего зывание реагентов в активном центре фермента.

лишь усредненной величиной. И вот это, казалось Это вполне обеспечивают нековалентные взаимобы, усложняющее обстоятельство, как мы сейчас действия: ионные, гидрофобные (то есть взаимное увидим, позволяет сделать очень важные выводы о притяжение химических группировок, отталкиваюмеханизме работы фермента. Т. Брюс и его коллеги щих от себя воду), водородные связи.

в США, проводя реакцию при различных рН, смогли рассчитать константы скоростей для каждого со- Большинство ферментных реакций, включая начетания ионных форм аминокислоты и ПЛФ. Для ши примеры рацемизации и переаминирования, реакции нейтральной формы аминокислоты проходят через много стадий. Поэтому фермент дол(RNH2) с каждой из трех ионных форм ПЛФ полу- жен выполнять требования 1 и 2 на каждой стадии чились следующие значения (для простоты округ- многостадийной реакции. Это очень непростое усляю цифры до порядка величины): k(анион) = ловие. Ведь разные стадии – это разные химические 102/моль мин, k(биполярный ион) = 104/моль реакции. Но условия, оптимальные для одной реакмин, k(катион) = = 106/моль мин. Поскольку реак- ции, не обязаны совпадать с оптимальными условиция бимолекулярная, в значения констант скорости ями для другой реакции. Каким образом фермент входит концентрация. мог бы “переключать условия” от стадии к стадии Возможный ответ подсказывает работа конвейера.

А какова скорость этой же стадии реакции – обЕсли на какой-то стадии при многостадийном проразования альдимина – в реакции с ферментом цессе изготовления изделия надо вставить болт, то трансаминазой Ее определили итальянцы П. Фана предшествующей стадии должно быть сделано селла и его коллеги: k(фермент) = 108 /моль мин.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.