Материал: Ферменты

ББК 28.072 О 39

УДК 577.15

Рецензенты:

А.И. Божков,д-р биол.наук, профессор,Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина,

В.В.Давыдов,д-р мед.наук, профессор,ИОЗДП АМН Украины, Р.Д. Сытник,д-р техн.наук, профессор, НТУ "ХПИ".

Учебное пособие включает основные понятия и представления теории регулирования ферментативных процессов, формальную кинетику ферментативного катализа, примеры регулирования биокаталитических процессов и методы исследования ферментативныхреакций.

Предназначено для студентов специальностей биотехнологического профиля, а

ВСТУПЛЕНИЕ

Раздел" Кинетика ферментативных реакций", завершающий в курсе "Ферментативный катализ", изучается после разделов "Теоретические основы биокатализа" и "Механизмы ферментативных процессов". Практические задания, выносимые на экзамен, основываются главным образом на материале раздела "Кинетика ферментативных реакций".

Предметом раздела "Кинетика ферментативных реакций", как и всей учебной дисциплины "Ферментативный катализ", являются биофизические и биохимические механизмы ферментативных процессов в живой клетке и методы контроля и управления скоростью протекания и специфичностью биокаталитических процессов. Научную основу курса "Ферментативный катализ" составляют физика и биофизика, общая, органическая, аналитическая, физическая химия и биохимия, молекулярная биология и общая промышленная биотехнология.

Методическими основами курса являются лекции, в которых излагаются основные положения каждого раздела, практические занятия и самостоятельная работа студентов, которая является основным способом усвоения материала в свободное от аудиторных занятий время.

Для самостоятельной работы выделяется более половины общего объема времени, предназначенного для изучения данной дисциплины. Самостоятельная работа проводится по всем темам, которые входят в дисциплину. В процессе самостоятельной работы студент учится самостоятельно приобретать знания, которые затем используются в ходе выполнения индивидуальной самостоятельной работы, практических занятий,при подготовке к выполнению контрольных работ и к экзамену.

Настоящее пособие подготовлено на основе работ [1–17] таким образом, чтобы максимально облегчить усвоение раздела "Кинетика ферментативных реакций" и обеспечить учебнометодическую основу для выполнения практических заданий и подготовку к экзамену по курсу "Ферментативный катализ" студентам специальности 092901 "Промышленная биотехнология".

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭНЗИМОЛОГИИ

Ферменты (от латинского fermentum – закваска ), энзимы (от греческого en – "в" и zyme – "закваска") или биокатализаторы, –это вещества биологического происхождения, ускоряющие химические реакции.

Для того чтобы не смешивать слова различных языков, принято называть науку, изучающую ферменты и катализируемые ими реакции, энзимологией (от греческих слов en, zyme, logos).

Организованная последовательность процессов обмена веществ – метаболизм – возможна при условии, что каждая клетка обеспечена собственным генетически заданным набором ферментов.

В живой клетке множество разнообразных соединений, но реакции между ними не беспорядочны, а образуют строго определенные, характерные для данной клетки метаболические пути –согласованные последовательности реакций.

Индивидуальность клетки в большой степени определяется уникальным набором ферментов, который она генетически запрограммирована производить. Нехватка какого-либо фермента или какой-нибудь его дефект могут иметь очень серьезные отрицательные последствия для организма.

Регуляция метаболических процессов ферментами обеспечивает соответствие обмена веществ измененным условиям.

Почти все ферменты являются белками. Однако, известны также каталитически активные нуклеиновые кислоты –рибозимы .

Вещество, на которое действует фермент, называется субстратом (от латинского substratum – подстилка,основа).

4

Существуют сложные двух- и многокомпонентные ферменты, содержащие как белковые,так и небелковые компоненты.

Апоферментом (apoenzyme) называется белковый компонент такого сложного фермента.

Кофактором (cofactor) называется небелковый компонент сложного фермента.

Ферментативной активностью обладает только комплекс апоферменткофактор, который называется холоферментом( holoenzyme).

Апофермент + кофактор=холофермент

Apoenzyme + cofactor = holoenzyme

Кофакторы можно разделить на две группы: (1) металлы (как правило – ионы металловZn 2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+, Cu2+, K+, Na+) и (2) сложные органические соединения.

Органические небелковые кофакторы называются коферментами (coenzymes). Источником коферментов часто служат витамины.

Тип связи между ферментом и коферментом может быть различным. Иногда они существуют отдельно и связываются друг с другом во время протекания реакции. Многие коферменты легко отделяются от холофермента и служат переносчиками отдельных атомов или групп атомов,отщепляемых ферментом от субстрата.

В других случаях кофактор и фермент связаны постоянно и иногда прочными ковалентными связями. В последнем случае небелковая часть фермента называется простетической группой (prosthetic group).

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Какие вещества называются ферментами?

2.Что изучает энзимология?

3.Какие вещества называются субстратами?

4.В чем сходство и различие между апоферментом и кофактором?

5.Какие ферменты называют холоферментами?

6.Какие кофакторы называются коферментами?

7.Что называется простетической группой фермента?

5

2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИЧЕСКОГО КАТАЛИЗА

Катализом называется явление изменения скорости химической реакции в присутствии катализаторов.

Катализатором называется вещество, которое участвует в химической реакции и изменяет ее скорость, но не входит в состав конечных продуктов и остается неизменным после завершения химической реакции.

Катализатор,замедляющий реакцию,называется ингибитором.

Как уже говорилось выше, биологические катализаторы белковой природы называют ферментами.

Поскольку катализатор не входит в состав как исходных веществ, так и продуктов реакции, то он не может оказать влияние на изменение энергии Гиббса G . Следовательно, он не может вызвать протекание реакций, для которых в данных условиях G >0 , а может лишь ускорить скорость реакции в том случае, если G < 0 (рисунок 1).

В состоянии равновесия ( G = 0) катализатор в равной степени ускоряет как прямую,так и обратную реакции.

6

Механизм действия катализаторов связан с тем, что они образуют промежуточные соединения с исходными веществами и тем самым изменяют путь реакции, причем новый путь характеризуется меньшей высотой энергетического барьера, т. е. меньшими энергиями активации

(рисунок 2).

Поэтому встречающееся зачастую утверждение о том, что катализатор снижает энергию активации, не корректно, так как реакция в присутствии катализатора не идентична исходной реакции. Просто это совершенно иная реакция,имеющая более низкий активационный барьер.

а –энергетический профиль в отсутствие катализатора, б – энергетический профиль в присутствиикатализатора

Каталитическая активность A характеризует изменение скорости данной реакции, w ,при введении в реакционную систему катализатора

A = wK − w0 .

Часто скорость реакции без катализатора, w0 , настолько мала, что

вторым слагаемым пренебрегают:

A = wK .

Если реакция протекает вблизи состояния равновесия и является двухсторонней, то за меру каталитической активности принимают скорость протекания реакции в прямом направлении.

7

Удельной каталитической активностью называется каталити-

ческая активность, отнесенная к единице массы катализатора. Селективностью (избирательностью) катализатора называется его

способность ускорять один из возможных путей реакции, если она может протекать по разным направлениям с образованием различных продуктов.

Промежуточное химическое взаимодействие реагентов с катализатором может протекать слитно (рисунок 3(а )) или раздельно (рисунок 3(б)).

При слитном каталитическом процессе в состав активированного комплекса входят катализатор и все реагирующие вещества. Так элементарная реакция

A + B →D + E

без катализатора протекает через активированный комплекс AB≠ A + B → AB≠ →D + E ,

а в присутствии катализатора – через активированный комплекс ABK≠ A + B + K →ABK≠ →D + E + K .

Увеличение скорости при слитном механизме достигается в результате уменьшения энергии активации.

При раздельном механизме каталитический процесс осуществляется поэтапно,в виде нескольких стадий.

8

Энергетический профиль реакционного пути характеризуется при этом несколькими максимумами (активированные комплексы отдельных стадий) и минимумами( продукты промежуточного взаимодействия). Например,для случая, приведенного на рисунке 3(б)

A + K →AK≠ →AK ,

AK + B → AKB≠ →D + E + K .

В каждой последовательной стадии рвется только часть старых связей, поэтому энергии активации таких разрывов E2′ и E2′′ заметно меньше энергии активации некатализируемой реакции E1 .

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Какое явление называется катализом?

2.Чем отличаются положительный и отрицательный катализ?

3.Какое вещество называется ингибитором?

4.Каков механизм ускорения химической реакции катализатором?

5.Что называется каталитической активностью катализатора?

6.Дайте определение селективности катализатора.

7.Чем различаются слитный и раздельный каталитические процессы?

3. МУЛЬТИСУБСТРАТНЫЕ РЕАКЦИИ

Большинство ферментативных реакций в биологических системах являются мультисубстратными. Рассмотрим особенности мультисубстратных реакций на примере бисубстратной реакции типа A + B →C + D . Схематически такого типа реакции представлены на рисунке4.

Большинство таких реакций заключается в переносе функциональных групп, таких как фосфорильная ( PO3− ) или группа аммония, NH+4 , от одного субстрата к другому. В окислительно-восстановительных реакциях между субстратами переносятся электроны.

Мультисубстратные реакции условно разделяют на два класса:

1)реакции с образованием тройного комплекса (реакции последовательного замещения (sequential displacement ));

2)"пинг- понг"-реакции (реакции двойного замещения (double

displacement)).

9