Ферментативный катализ и его особенности

Практически все биохимические реакции как у простейших одноклеточных, так и у растений и животных носят каталитиче­ский характер. В качестве катализаторов биохимических реак­ций выступают ферменты.

Ферменты (энзимы) - это белковые молекулы, которые катализируют химические реакции в живых системах.

Каталитической активностью обладает не вся молекула фер­мента, а лишь определенный ее участок, называемый активным центром. Субстрат, попадая в активный центр, активируется и претерпевает строго определенные химические превращения. Наряду с активным центром в структуре фермента имеется аллостерический центр, назначение которого узнавать субстрат и способствовать его размещению в активном центре.

Ферменты по химическому строению могут быть разделены на простые и сложные. У простых ферментов активный центр сфор­мирован только белковой молекулой, а у сложных активный центр содержит небелковую составляющую, обеспечивающую каталитическую активность фермента. В сложных ферментах металло-протеинах (цитохромы, карбоангидраза, нитрогеназа, гемоглобин и др.) небелковая составляющая называется кофактором. Кофак­тор содержит катионы d-металлов, прочно (ковалентно) связан­ные с белком. В тех сложных ферментах, в которых небелковый фрагмент удерживается белком в основном за счет межмолеку­лярных взаимодействий и поэтому обычно слабо связан, он на­зывается коферментом. Коферментами являются сложные органические соединения: НАД, ФАД, KoQ (разд. 9.3.3) и кофермент А(разд. 19.2.3).

В ряде случаев молекулы ферментов, катализирующие одну и ту же реакцию, но в разных тканях, имеют отличия в составе бел­кового компонента, тогда их называют изоферментами (изоэнзимами). Например, лактатдегидрогеназа, окисляющая молочную кислоту, состоит из 5 изоферментов. Изменение соотношения изо-ферментов в отдельных тканях и органах является одним из спосо­бов регуляции действия ферментов в организме.

Ферменты и их каталитическая активность характеризуются следующими специфическими свойствами.

Размер. Относительная молекулярная масса ферментов со­ставляет от 10⁵ до 10⁷, это означает, что по размеру молекулы ферментов близки коллоидным частицам (гл. 27). Поэтому фер­менты нельзя четко отнести ни к гомогенным, ни к гетероген­ным катализаторам и их выделяют в самостоятельный класс ультрамикрогетерогенных катализаторов, имеющих активный и аллостерический центры.

Высокая каталитическая эффективность. Отличитель­ной особенностью любого фермента является его чрезвычайно высокая каталитическая эффективность. Так, время полупревращения для реакции разложения мочевины при температуре 25 °С составляет 10⁹ с, а в присутствии фермента уреазы оно снижается до 10~⁴ с, т. е. уменьшается в 10¹³ раз. Каталитиче­ская активность ферментов во много раз превосходит актив­ность обычных катализаторов. Например, 1 моль фермента алкогольдегидрогеназы за 1 с при температуре 25 °С способствует превращению 720 моль этанола в уксусный альдегид. Промыш­ленный катализатор (1 моль) за 1 с даже при температуре 200 °С позволяет окислить только 1 моль этанола.

Высокая специфичность. Каждый фермент катализирует только определенную химическую реакцию. При этом некоторые ферменты практически полностью специфичны только для опре­деленного субстрата и не оказывают каталитического действия на вещества, молекулы которых очень близки по строению моле­куле субстрата. Например, фермент уреаза чрезвычайно эффек­тивно катализирует гидролиз мочевины, но не катализирует гид­ролиз замещенных мочевин (например, N-метилмочевины). Для объяснения такой высокой специфичности используется теория ключ в замке. Согласно этой теории структура активного цен­тра фермента является точным шаблоном структуры молекулы субстрата (табл. 5.1), который в результате взаимодействия с ферментом превращается в продукты реакции.

Другой случай представляют собой ферменты со сравнительно широкой специфичностью в отношении субстрата. Так, фермен­ты фосфатазы способны катализировать дефосфорилирование (отделение остатков фосфорной кислоты) широкого спектра фос­фатов вне зависимости от их состава. Это объясняется теорией индуцированной приспособляемости фермента и субстрата. Со­гласно этой теории субстрат, взаимодействуя с аллостерическим центром фермента, вызывает изменение конформации фермента, и в то же время в молекуле субстрата также происходят некоторые необходимые изменения. В результате индуцированной при­способляемости фермента и субстрата формируется переходный комплекс фермент - субстрат, который в дальнейшем распадает­ся на фермент и продукты реакции (табл. 5.1).

Вследствие высокой специфичности ферментов в обратимых процессах при определенных условиях они обычно увеличивают скорость только реакции, идущей в нужном направлении. В этом заключается одно из отличий ферментативного катализа от про­стого катализа.

Необходимость строго определенных условий. Ферменты про­являют наивысшую каталитическую эффективность при определен­ной температуре (36-38 °С) (табл. 5.1) и при определенном значе­нии показателя кислотности среды рН (разд. 7.5). При температуре выше оптимальной начинается инактивация белковой молекулы вследствие изменения ее конформации, т. е. пространственной ор­ганизации молекулы. При более низкой температуре протекание ферментативной реакции может затрудняться, например, из-за увеличения вязкости клеточных и межклеточных жидкостей.

Для каждой ферментативной реакции существует оптимальное значение рН среды, причем отклонение рН в любую сторону от этого значения приводит к резкому снижению активности. За­висимость ферментативной реакции от рН определяется кислотно-основными свойствами белковой молекулы, а также изменени­ем ее конформации вследствие изменений в ионизации отдель­ных групп вблизи активного центра.

Влияние активаторов и ингибиторов. В организме для ре­гуляции ферментативных процессов используются активаторы и ингибиторы. Активаторами ферментов часто бывают катионы металлов: Mg²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, Со²⁺, К+, а иногда - анион С1, ко­торые, реагируя с ионизированными группами фермента, облег­чают образование фермент-субстратного комплекса.

Важную роль в действии фермента играет аллостерическая регуляция его активности. В основе ее лежит взаимодействие фермента с молекулой определенного вещества, в результате из­меняется структура фермента, что приводит к увеличению либо снижению каталитической активности фермента.

Ингибиторы тормозят действие ферментов, при этом следует различать обратимое и необратимое ингибирование фермента.

Обратимое ингибирование ферментов наблюдается при взаимо­действии с катионами металлов-токсикантов: H g2+, Pb2+, Cd2+, As³⁺ (разд. 10.5) или с ингибиторами белковой природы, которые за счет белок-белковых взаимодействий закрывают или инактивируют активный центр ферментов. При обратимом ингибировании ингибитор находится в равновесии с ферментом и его действие можно устранить с помощью антидотов или избытка субстрата.

При необратимом торможении ингибитор, обладающий струк­турным сходством с субстратом, блокирует активный центр фер­мента, надолго выводя его из строя. К таким веществам отно­сятся многие инсектициды и отравляющие вещества.

В организме вместо инактивированных молекул фермента син­тезируются новые молекулы. За счет этого организм реализует еще одну возможность регулирования хода ферментативных процессов. Особенности кинетики ферментативных реакции. Для каждой ферментативной реакции промежуточной стадией явля­ется присоединение к активному центру фермента (Е) молекулы субстрата (St) с возникновением фермент-субстратного комплек­са ([ESt]), который в дальнейшем распадается на продукты ре­акции (Р) и молекулу фермента:

где - константы скоростей отдельных стадий (в указанных стрелками направлениях).

В этой цепи последовательно протекающих обратимых про­цессов лимитирующей (наиболее медленной) стадией является процесс распада фермент-субстратного комплекса на продукты реакции и фермент, а первая стадия обычно протекает сравнитель­но быстро, т. е. k1 > k2.

Образование фермент-субстратного комплекса приводит к пе­рераспределению электронов в молекуле субстрата. Это в свою очередь уменьшает прочность разрываемых связей и, соответст­венно, приводит к значительному уменьшению энергии актива­ции. Так, при некаталитическом разложении пероксида водорода Н2О2 величина Е_а = 75 кДж/моль, а в присутствии каталазы энергия активации снижается до 7 кДж/моль, что приводит к увеличению константы скорости реакции в 4 • 10¹⁰ раз.

При данной концентрации фермента скорость реакции зави­сит от концентрации субстрата. Графически зависимость скоро­сти реакции от концентрации субстрата представляет гиперболу (табл. 5.1). Причем при низких концентрациях субстрата реак­ция имеет по субстрату первый порядок (n_st = 1), а при высо­ких - нулевой (n_st = 0). При этом скорость реакции становится максимальной (v_mах)- Достижение реакцией предельной скорости объясняется наличием в среде определенной концентрации фер­мента и тем, что все его активные центры оказываются заняты­ми. Эти обстоятельства приводят к тому, что последующий рост концентрации субстрата уже не вызывает изменения концентра­ции фермент-субстратного комплекса в системе. Поэтому макси­мальная скорость ферментативной реакции зависит от концен­трации фермента в системе. Следует обратить внимание на то, что форма кинетической кривой ферментативной реакции подоб­на изотерме адсорбции (разд. 26.4.1).

Впервые кинетическое описание ферментативных процессов сделали Л. Михаэлис и его сотрудница М. Ментен, которые пред­ложили уравнение:

Км - константа Михаэлиса,учитывающая величины констант скоростей отдельных реакций (k1,k-1,k2), численно равна такой концентрации субстрата, при которой скорость ферментативной реакции равна половине максимальной (v_max/2) (табл. 5.1). Ве­личина Kм для данной ферментативной реакции зависит от ти­па субстрата, рН реакционной среды, температуры и концен­трации фермента в системе. В первом приближении реакция протекает тем быстрее, чем меньше Км.

Таким образом, механизм ферментативных реакций включа­ет, по крайней мере, две стадии, а их скорость при данной тем­пературе и кислотности среды зависит от концентрации и суб­страта, и фермента, причем при заданной концентрации фермента скорость реакции достигает соответствующего предельного зна­чения. Кроме того, на скорость ферментативных реакций влияет присутствие активаторов и ингибиторов данного фермента.