Главная > Разное > Биология и квантовая механика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

9.2. Биокатализаторы — ферменты

Одно наиболее важных свойств всех живых организмов (бактерий, растений и животных) состоит в способности к обмену веществ. Обменом веществ, или метаболизмом, называется химическая деятельность клеток, обеспечивающая их существование, рост, возбудимость, подвижность, воспроизведение, приспособление к изменяющимся условиям. Обмен веществу всех живых организмов осуществляется при помощи особых молекул — биологических катализаторов.

Катализом называется явление ускорения химической реакции без изменения ее общего результата. Биологические катализаторы синтезируются клетками и называются ферментами. Некоторые ферменты состоят только из белка, обычно свернутого в глобулу. Многие другие ферменты состоят из двух компонентов. Основная непременная компонента состоит из полипептидных цепей (белок) и называется апоферментом. Вторая компонента состоит из органических молекул меньших размеров и называется коферментом. В этом случае каталитическое действие проявляет только совместная система: апофермент и кофермент. Часто в состав коферментов входят ионы некоторых элементов (магний, железо, кобальт, медь и др.), тогда их называют простетическими группами. Каталитическое действие некоторых ферментов проявляется только в присутствии некоторых ионов ( и др.).

Хопкинс одним из первых обратил внимание на центральную роль ферментов в катализе химических реакций в клетке. В 1929 г. за открытие стимулирования роста витаминами ему была присуждена Нобелевская премия. Витамины обычно входят в состав более крупной молекулы, функционирующей в качестве кофермента.

Молекулы, подвергающиеся действию ферментов, называются субстратами. Образующиеся в результате каталитической реакции вещества называются продуктами. Название ферментов связывается с реакцией, которую они катализируют. Обычно фермент называют именем субстрата, на который он действует, с прибавлением суфикса «аза». Например, фермент, расщепляющий сахарозу на глюкозу и фруктозу, называется сахаразой.

Ферменты отличаются от обычных катализаторов в неживой природе исключительно высокой эффективностью и большой специфичностью.

Во многих случаях фермент катализирует только одну вполне определенную реакцию. Клетка средних размеров содержит около 3000 различных ферментов. Каждый из них катализирует отдельную химическую реакцию. Многие ферментативные процессы представляют собой последовательность нескольких реакций, в которых образуются промежуточные продукты.

Субстрат образует связь с небольшим вполне определенным участком поверхности фермента, который называется активным центром. Однако за каталитические свойства ответственна вся огромная молекула фермента. Белки, действующие как ферменты, имеют относительную молекулярную массу от 10 до 100 тысяч дальтон. Еще большие значения относительных молекулярных масс соответствуют случаям, когда фермент состоит из нескольких белковых субъединиц.

Субстратами обычно являются соединения с относительной молекулярной массой от 100 до 1000 дальтон. Иногда ферменты действуют на очень большие молекулы, такие как ДНК, целлюлоза и др. При этом только малая часть этих молекул присоединяется к активному центру фермента. При связи фермента с субстратом образуется промежуточный комплекс, который затем распадается на первоначальный фермент и продукты реакции.

Ферментативная активность является одной из наиболее важных биологических функций глобулярных белков. Контролируемые ферментами реакции лежат в основе всех явлений жизни: роста, дыхания, мышечного сокращения, проведения нервного возбуждения, пищеварения, фотосинтеза, фиксации азота и др. Ферменты регулируют (ускоряют и замедляют) все биологические процессы: биосинтез других молекул и самих ферментов, процесс запасания и использования химической энергии, процесс перемещения ионов через мембраны в сторону увеличения концентрации и т. д.

Фермент не может вызвать новых реакций. Он лишь ускоряет те реакции, которые возможны и без участия фермента, однако без фермента они происходят исключительно медленно из-за больших энергетических барьеров.

Комплекс фермент + субстрат существует временно — порядка нескольких миллисекунд. Он не влияет на равновесие реакции между начальным и конечным продуктом, определяемое только разностью их свободных гиббсовских энергий. Однако благодаря образованию комплекса фермента с субстратом скорость протекания реакций увеличивается во много раз. Например, гидролиз мочевины

хотя и сопряжен с выделением энергии около 0,6 эВ, в обычных условиях происходит крайне медленно, так как требует большой энергии активации. Фермент уреаза ускоряет эту реакцию в 101 раз.

Обычно эффективность фермента с повышением температуры возрастает, а затем резко падает, так как происходит денатурация белка. Для температур ниже температуры денатурации зависимость константы скорости реакции от температуры выражается эмпирической формулой (закон Аррениуса)

где Е — энергия активации одного моля субстрата, или энергетический барьер реакции; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура.

Согласно формуле (913), каталитическое действие фермента на химическую реакцию сводится формально к уменьшению энергии активации — снижению энергии потенциального барьера. Это весьма условное определение действия фермента. Оно не отражает молекулярного механизма протекания процесса ферментативного катализа, как и любое другое рассмотрение, использующее феноменологическое термодинамическое описание с помощью параметров равновесных состояний. Полное понимание явления возможно только на пути объединения термодинамического описания с описанием на молекулярном уровне структурных преобразований, происходящих с молекулами фермента, субстрата и продуктов реакции.

Согласно законам термодинамики, при постоянном давлении и температуре в химической реакции распада молекулы С на млекулы А и В устанавливаются равновесные молярные концентрации , определяемые изменением стандартной гиббсовской свободной энергии 1

с помощью формулы

(9.4)

Рис. 19. Энергетическая схема реакции при отрицательном изменении стандартной гиббсовской свободной энергии и энергетическом барьере Е.

где К — константа равновесия реакции. При отрицательном значении распад молекулы С энергетически выгоден (рис. 19).

Если первоначальные концентрации не удовлетворяют равенству (9.4), то реакция будет происходить до тех пор, пока оно не установится. Однако законы термодинамики не могут определить время установления равновесия в системе. В ряде случаев из-за большого потенциального барьера реакции с большим отрицательным изменением стандартной свободной энергии годами и десятилетиями не могут достичь равновесия.

Если бы не было энергии активации, то все химические реакции в живых организмах немедленно пришли бы в равновесие. Все белковые молекулы распались бы на аминокислоты, и живые существа деградировали бы с переходом в наиболее вероятное состояние, соответствующее минимуму свободной гиббсовской энергии. Ферменты необходимы для регулиропании как скорости реакций, так и последовательности их осуществления.

Как отмечалось, ферменты могут ускорять только энергетически возможные реакции, т.е. реакции, протекающие при постоянных давлении и температуре с уменьшением свободной гиббсовской энергии. Большое значение в живой природе имеют контролируемые ферментами реакции с повышением свободной гиббсовской энергии, если они сопрягаются с другими реакциями, компенсирующими повышение свободной энергии реакций первого типа. В качестве примера такой сопряженной реакции с компенсацией увеличения свободной энергии рассмотрим реакцию синтеза Сахаровы — тростникового или свекловичного сахара — из молекул глюкозы и фруктозы Эту реакцию можно записать в виде

Самопроизвольно эта реакция может протекать только справа налево с выделением 0,24 эВ свободной гиббсовской энергии. Чтобы ее обратить, надо компенсировать это изменение свободной энергии.

Биологические организмы для этого используют молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), которые в водной среде, теряя одну и в своих фосфатных групп (см. § 15), превращаются в молекулы адопозиндифосфата (АДФ),

с изменением свободной энергии эВ, достаточным для компенсации увеличения свободной энергии реакции (9.5).

Чтобы осуществить реакцию синтеза сахарозы, надо осуществить ее одновременно с реакцией (9.6). Это сопряжние достигается с помощью промежуточного состояния, каким является молекула глюкозамонофосфата (молекула глюкозы с присоединенной к ней фосфатной группой). Осуществляется реакция сипгеза сахарозы с помощью ферментов, обеспечивающих достаточную скорость последовательных реакций следующего типа:

Таким образом, положительное изменение свободной энергии при синтезе сахарозы оказалось скомпенсированным отрицательным изменением при превращении молекулы АТФ в молекулу АДФ. Молекула сахарозы в растворе находится в метастабильном состоянии и не распадается быстро из-за большого потенциального барьера. Аналогичный принцип сопряжения реакций лежит в основе синтеза белков из аминокислот и ряда других химических реакций в живых системах.

Итак, если реакция не может протекать самопроизвольно, то подключение новой реакции с большим выделением свободной энергии Гиббса может вызвать эту реакцию, если обе реакции имеют общий промежуточный компонент. Скорость течения таких реакций определяется соответствующими ферментами.

При осуществлении энергетически невыгодных реакций в клетках используется сопряжение их с реакцией (9.6) гидролиза молекул АТФ. Сопряжение этой реакии с другими осуществляется путем передачи фосфатной группы. Такой процесс называется фосфорилированием. Процесс фосфорилирования — перенос фосфатной группы — играет важную роль в сопряжении химических реакций типа сборки макромолекул из мономеров.

Для объяснения специфики работы ферментов Фишер в 1891 г. предложил гипотезу жестких шаблонов, или статической системы «ключ — замок», согласно которой фермент может выполнять каталитические действия только в том случае, когда форма субстрата точно соответствует форме реактивного центра фермента. Объясняя некоторые факты, эта гипотеза не могла объяснить многие особенности ферментативных реакций.

Вопрос о структурном соответствии фермента и субстрата подробно изучен в работах А. А. Баландина [5,6], развившего так называемую мультиплетную теорию каталива.

Для объяснения механизма действия фермента Эринг, Ламри и Спайке (126) в 1954 г. предложили механизм «дыбы». Процесс разрыва некоторых связей в молекуле субстрата они объясняют натяжениями, возникающими в субстрате при его одновременном присоединении в нескольких местах фермента. При этом трудно объяснить освобождение продуктов реакции, поскольку для разрыва связи путем натяжения необходимо прочное присоединение субстрата к ферменту.

Широкое применение методов флуоресцентных и спиновых меток позволило установить [187], что присоединение субстрата к активному центру фермента может существенно изменить окружение метки, присоединенной в другом месте фермента. Было доказано, что локальные микрохимические изменения белковой молекулы — присоединение низкомолекулярного лиганда 1, окисление или восстановление иона переходного металла в активном центре и т. п. - способны приводить к существенным конформационным перестройкам биополимеров. Гипотеза нестатического, а индуцированного структурного соответствия между ферментом и субстратом активно развивалась Кошландом [179].

Согласно современным представлениям молекулы фермента и субстрата являются динамическими системами. Они меняют свою структуру в процессе создания комплекса фермент субстрат и в процессе его распада на фермент и продукты реакции. Следовательно, соответствие фермента и субстрача является динамическим, а не статическим типа «ключ — замок».

Каталитическое и регуляторное действие ферментов в значительной степени определяется их трехмерной структурой и «гибкостью», т. е. возможностью перестройки. «Гибкость», или «податливость», формы фермента обусловлена сравнительно малым энергетическим барьером для скручивания белкового каркаса вокруг ординарных связей. По оценкам Шераги, этот барьер равен 0,03 эВ для связи эВ для связи и около 0,13 эВ для связи С-С в боковых цепях (радикалах). Поворот вокруг связи С-N в пептидной группе, вызывающий нарушение ее плоского строения, требует 0,9 эВ. Согласно расчетам Рамачандры и Сасихеран, изменение длины ковалентной связи в белковой молекуле на 0,1 А требует 0,22 эВ энергии, а изменение угла между связями на 5е требует около 0,01 В энергии.

Процесс каталитического действия фермента начинается с присоединения субстрата к поверхности фермента в области активного центра. В присоединении могут участвовать как вторичные силы (ионные, вандерваальсовм, водородные), так и ковалентные. Для каталитического действия необходима строго определенная

ориентация субстрата по отношению к ферменту, которая осуществляется присоединением не в одной точке, а в некоторой области поверхности фермента. При этом возможна конформационная перестройка как этой области фермента, так и удаленных от нее частей. Образующиеся конформации системы фермент субстрат определяются минимумом свободной энергии Гиббса этой системы.

Гиббсон и Шерага отмечают, что при определении устойчивой конформации надо учитывать и вклад, вносимый в свободную энергию колебаниями атомов относительно равновесных положений. вклад зависит от «мягкости» колебаний и гибкости структуры. Такой учет в некоторых случаях может изменить относительную роль нескольких устойчивых состояний.

Представление о гибкости формы ферментов указывает, что малые молекулы и ионы, не вступая сами в химическую реакцию, могут изменить форму фермента так, что будет способен выполнять каталитическую функцию с соответствующим субстратом. Этим можно объяснить тот факт, что некоторые ферменты активны только в присутствии определенных катионов: и др. Эти ионы называются коферментами. Иногда в качестве активаторов — коферментов — выступают сложные органические соединения. В некоторых случаях такие молекулы, присоединенные далеко от активного центра, могут вызывать нужное его изменение. Нужное индуцированное изменение перемещается по ферменту «подобно ряду падающих домино».

Таким образом, согласно гипотезе о конформационном преобразовании ферментов, должны существовать «регуляторные» молекулы, не участвуя в химической реакции, могут контролировать активность ферментов, изменяя их форму. В биологических системах наиболее важной группой таких молекул являются гормоны. Выделяясь в малых количествах, они играют исключительную роль в процессах регуляции в клетке. Поскольку гормоны не расходуются, они могут оказывать действие снова и снова. Иногда, как в случае адреналина, первоначальные гормоны индуцируют образование вторичных молекул, которые и действуют как регуляторы работы ферментов, изменяя их форму.

Все гормоны — органические вещества. Некоторые из них — белки, другие — более простые соединения (аминокислоты и стероиды). Гормоны синтезируются в клетках некоторых органов (эндокринные железы) живого организма. Путем диффузии или с потоком крови они переносятся к другим частям организма, где регулируют и координируют действие клеток даже при ничтожно малых концентрациях. Таким образом, гормоны обеспечивают химическую координацию во всем организме, дополняя координацию, осуществляемую нервной системой. В отличие от

быстрой регуляции со стороны нервной системы, регуляция гормонами осуществляется медленно и длительно.

Некоторые молекулы, присоединяясь к ферментам, изменяют их форму так, что нарушается либо каталитическая функция, либо функция присоединения. Такие молекулы называются ингибиторами. Если ингибиторы образуют с ферментом стойкое соединение, то их действие необратимо.

В некоторых случаях ингибитор прекращает каталитическую функцию фермента путем присоединения к активному центру. В этом случае говорят, что происходит конкурентное ингибирование. Если место активного центра и место присоединения ингибитора расположены на разных участках поверхности фермента, то говорят о неконкурентном ингибировании.

Место на поверхности фермента, к которому присоединяется регулирующая молекула — активатор или неконкурентный ингибитор, называется регулирующим, или аллостерическим центром. Название «аллостерический» было введено французским биохимиком Моно. Оно означает «другое место». Конформациенное изменение аллостерического центра при присоединении регулирующей молекулы вызывает изменение активного центра.

Данные о конформационных изменениях ферментов при присоединении регулирующих молекул и субстратов получаются в результате исследований химических изменений и рентгенографических спектров. Такие исследования показали, что в ряде случаев изменение формы передается вдоль белковой молекулы на расстояния порядка 40—60 А. Существенно, что в глобулярном ферменте передача изменения формы направлена в определенную область (активный центр), при этом другие области остаются неизменными. Величина смещений атомов в активном центре порядка 1—10 А.

По-видимому, рецепторные белковые молекулы, входящие в органы чувств (зрение, обоняние, вкус, слух и др.), также меняют свою конформацию под влиянием внешних воздействий (свет, молекулы, звуковые колебания и др.), что и приводит к возникновению соответствующих нервных импульсов.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление