Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 1 (страница 50)

Фермент, соединяясь с субстратом, образует короткоживущий фермент-субстратный комплекс (рис. 6.2). В таком комплексе шансы на то, что реакция произойдет, значительно возрастают. По завершении реакции фермент-субстратный комплекс распадается на продукт (или продукты) и фермент. Фермент в реакции не изменяется: по окончании реакции он остается таким же, каким был до нее, и может теперь взаимодействовать с новой молекулой субстрата:

Рис. 6.2. А. Схематическое изображение фермент-субстратного комплекса (субстрат присоединяется к ферменту в активном центре последнего). Б. Положение аминокислотных остатков, образующих активный центр фермента, в первичной структуре ферментного белка

6.1.1. Механизм действия ферментов

Результаты тщательных исследований показали, что молекулы большинства ферментов во много раз больше, чем молекулы тех субстратов, которые атакует данный фермент, и что в контакт с субстратом в фермент-субстратном комплексе вступает лишь очень небольшая часть молекулы фермента — обычно от 3 до 12 аминокислотных остатков. Эту ее часть называют активным центром фермента. Именно здесь происходит связывание субстрата или субстратов (рис. 6.2). Роль остальных аминокислотных остатков, составляющих основную массу фермента, состоит в том, чтобы обеспечить его молекуле правильную глобулярную форму, которая, как мы увидим далее, очень важна для того, чтобы активный центр фермента мог работать наиболее эффективно (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Третичная структура рибонуклеазы. В образовании активного центра участвуют аминокислотные остатки 12 и 119 (остатки гистидина), а также 7 и 41 (остатки лизина). Рибонуклеаза катализирует гидролитическое расщепление рибонуклеиновых кислот до нуклеотидов. (По Kartha, Bello, Harker (1967), Nature, 213, 864.)

Ферменты обладают очень высокой специфичностью. Фишер (Fischer) в 1890 г. высказал предположение, что эта специфичность обусловливается особой формой молекулы фермента, точно соответствующей форме молекулы субстрата (или субстратов). Эту гипотезу часто называют гипотезой "ключа и замка": субстрат сравнивается в ней с "ключом", который точно подходит по форме к "замку", т. е. к ферменту (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Фишеровская гипотеза 'ключа и замка' (1890 г.). Последовательность событий при связывании субстрата с ферментом

Фермент-субстратный комплекс — это "активированное" состояние, ведущее к образованию продуктов реакции. Образовавшиеся продукты по форме уже не соответствуют активному центру. Они отделяются от него (поступают в окружающую среду), после чего освободившийся активный центр может принимать новые молекулы субстрата.

В 1959 г. новую интерпретацию гипотезы "ключа и замка" предложил Кошланд (Koshland). На основании данных, позволявших считать ферменты и их активные центры физически более гибкими, чем это казалось вначале, он высказал мысль о динамическом взаимодействии между ферментом и субстратом. Согласно этому представлению, субстрат, соединяясь с ферментом, вызывает какие-то изменения в структуре последнего. Аминокислотные остатки, составляющие активный центр фермента, принимают определенную форму, которая дает возможность ферменту наиболее эффективным образом выполнять свою функцию (рис. 6.5). Эту гипотезу называют гипотезой индуцированного соответствия. Подходящей аналогией в этом случае может служить перчатка, которая при надевании на руку соответствующим образом изменяет свою форму. С выяснением отдельных деталей механизма различных реакций в эту гипотезу вносятся уточнения. Выяснилось, например, что молекулы субстрата в некоторых случаях несколько изменяют свою форму еще до того, как вступить в соединение с ферментом.

Рис. 6.5. Схема, иллюстрирующая кошландовскую гипотезу 'индуцированного соответствия' А Соединяясь с ферментом, субстрат вызывает в нем изменение, в результате которого активные группы фермента сближаются. Б. Более мелкие или более крупные молекулы не способны взаимодействовать с ферментом. (По J. С. Marsden, С. F. Stoneman (1977), Enzymes and equilibria, Heinemann Educational Books.)

6.2. Кофакторы ферментов

Многим ферментам для эффективной работы требуются те или иные небелковые компоненты, называемые кофакторами. Кофакторы были открыты, когда обнаружилось, что есть вещества, присутствие которых совершенно необходимо для проявления каталитической активности ферментов, хотя сами они в отличие от ферментов сохраняют стабильность при довольно высоких температурах. Роль кофакторов могут играть различные вещества — от простых неорганических ионов до сложных органических молекул; в одних случаях они остаются неизменными в конце реакции, в других — регенерируют в результате того или иного последующего процесса. Комплекс фермента с кофактором носит название голофермент, а ферментная часть этого комплекса, без кофактора, называется апоферментом. Кофакторы подразделяются на три типа: неорганические ионы, простетические группы и коферменты. Функцию кофакторов выполняют многие органические молекулы; некоторые из них близки к витаминам. Такая молекула может быть связана с ферментом прочно (в этом случае ее называют простетической группой) или слабо (и тогда ее называют коферментом). И в том и в другом случае эта молекула действует как переносчик групп атомов, отдельных атомов или электронов, которые передаются по всему метаболическому пути от одного метаболита к другому.

6.2.1. Неорганические ионы (активаторы ферментов)

Предполагают, что эти ионы заставляют молекулы фермента или субстрата принять форму, способствующую образованию фермент-субстратного комплекса. Тем самым увеличиваются шансы на то, что фермент и субстрат действительно прореагируют друг с другом, а следовательно, возрастает и скорость реакции, катализируемой данным ферментом. Так, например, активность амилазы слюны повышается в присутствии хлорид-ионов.

6.2.2. Простетические группы (например, ФАД, ФМН, биотин, гем)

Данная органическая молекула занимает такое положение, в котором она может эффективно содействовать каталитической функции своего фермента. Поясним это на примере флавинадениндинуклеотида (ФАД). ФАД содержит рибофлавин (витамин В₂), который является водород-акцепторной частью его молекулы (рис. 6.6). Функция ФАД связана с окислительными путями клетки, в частности с процессом дыхания, в котором ФАД играет роль одного из переносчиков в дыхательной цепи (гл. 11):

Рис. 6.6. Витамин как компонент простетической группы (представлена структура ФАД — флавинадениндинуклеотида)

Конечный результат: 2Н переносятся от А к В. В качестве связующего звена между А и В действует голофермент.

Гем

Гем — это железосодержащая простетическая группа. Его молекула имеет форму плоского кольца, в центре которого находится атом железа (порфириновое кольцо, такое же, как у хлорофилла). Гем выполняет в организме ряд биологически важных функций.

Перенос электронов. В качестве простетической группы цитохромов (см. дыхательную цепь в гл. 11) гем выступает как переносчик электронов. Присоединяя электроны, железо восстанавливается до Fe(II), а отдавая их, окисляется до Fe(III). Гем, следовательно, принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях за счет обратимых изменений валентности железа.

Перенос кислорода. Гемоглобин и миоглобин — два гемсодержащих белка, осуществляющих перенос кислорода. Железо находится в них в восстановленной [Fe(II)] форме (разд. 14.13.1).

Каталитическая функция. Гем входит в состав каталаз и пероксидаз, катализирующих расщепление пероксида водорода до кислорода и воды. Содержится он также и в некоторых других ферментах.

6.2.3. Коферменты (например, НАД, НАДФ, кофермент А, АТФ)

Никотинамидадениндинуклеотид (НАД) (рис. 6.7)

Рис. 6.7. Витамин как компонент кофермента (представлены структуры НАД, НАДФ и АТФ)

НАД — производное витамина, известного под названием "никотиновая кислота", — может существовать как в окисленной, так и в восстановленной форме. В окисленной форме НАД при катализе играет роль акцептора водорода:

где е₁ и е₂ — две различные дегидрогеназы.

Конечный результат: 2Н переносятся от А к В. Здесь в качестве связующего звена между двумя различными ферментными системами е₁ и е₂ действует кофермент.

6.3. Скорость ферментативных реакций

Мерой скорости ферментативной реакции служит количество субстрата, подвергшегося превращению в единицу времени, или количество образовавшегося продукта.

Скорость определяют по углу наклона касательной к кривой на начальной стадии (а на рис. 6.8) реакции. Чем круче наклон, тем больше скорость. Со временем скорость реакции обычно снижается, по большей части в результате снижения концентрации субстрата (см. следующий раздел).

Рис. 6.8. Скорость ферментативной реакции

6.4. Факторы, влияющие на скорость ферментативных реакций

При изучении влияния какого-либо фактора на скорость ферментативной реакции все прочие факторы должны оставаться неизменными и по возможности иметь оптимальное значение. Измерять следует только начальные скорости, как указано выше.

6.4.1. Концентрация фермента

При высокой концентрации субстрата и при постоянстве других факторов, таких, как температура и рН, скорость ферментативной реакции пропорциональна концентрации фермента (рис. 6.9). Катализ осуществляется всегда в условиях, когда концентрация фермента гораздо ниже концентрации субстрата. Поэтому с возрастанием концентрации фермента растет и скорость ферментативной реакции.