Биологический катализ: ферменты, коферменты, аллостерический центр и кинетика реакций
Строение ферментов (апофермент, кофактор, кофермент), активный и аллостерический центры, кинетика Михаэлиса — Ментен (Km, Vmax), конкурентное и неконкурентное ингибирование.
Ферменты (энзимы) — высокоспецифичные белковые катализаторы, ускоряющие биохимические реакции в живых клетках в миллионы и триллионы раз (на 10⁶ - 10¹⁴) при физиологических температурах (37 °C) и нейтральном pH.
Механизм действия: фермент снижает энергию активации (Ea) реакции — энергетический барьер, необходимый для перехода молекул субстрата (S) в активированное переходное состояние. При этом свободная энергия реакции ΔG и термодинамическое равновесие НЕ ИЗМЕНЯЮТСЯ (фермент ускоряет достижение равновесия, но не сдвигает его).
Строение фермента:
• Простые ферменты — состоят исключительно из полипептидной цепи (пепсин, трипсин);
• Сложные ферменты (холоферменты) — состоят из белковой части (апофермента) и небелкового кофактора:
1. Ионы металлов (кофакторы): Zn²⁺ (карбоангидраза), Fe²⁺ (цитохромы), Mg²⁺ (гексокиназа);
2. Коферменты — органические производные водорастворимых витаминов (НАД⁺ и НАДФ⁺ из ниацина/витамина PP, ФАД из рибофлавина B₂, Кофермент A из пантотеновой кислоты B₅).
Активный центр фермента содержит контактный участок (связывание субстрата) и каталитический участок (непосредственный разрыв и образование химических связей).
Энергия активации (Ea)
Холофермент
Историческая эволюция представлений о механизме связывания субстрата:
1. Модель «ключа и замка» Эмиля Фишера (1894 г.): активный центр фермента жестко комплементарен форме молекулы субстрата до реакции (как жесткий ключ подходит к замку). Не объясняла динамику катализа и аллостерическую регуляцию;
2. Модель «руки и перчатки» (индуцированного соответствия) Дэниела Кошланда (1958 г.): активный центр фермента конформационно гибок. Первичное связывание субстрата индуцирует конформационные изменения фермента, деформируя связи в субстрате и подгоняя каталитические группы точно в положение, необходимое для реакции.
Индуцированное соответствие
«Ключ — замок»
Скорость ферментативной реакции (v) зависит от концентрации субстрата [S] и описывается гиперболическим уравнением Михаэлиса — Ментен (1913 г.):
Параметры уравнения:
• Максимальная скорость Vmax — предельная скорость реакции при полном насыщении всех активных центров фермента субстратом;
• Константа Михаэлиса Km — концентрация субстрата, при которой скорость реакции достигает половины от максимальной (v = 0.5 Vmax). Константа Km характеризует сродство (аффинность) фермента к субстрату:
ЧЕМ МЕНЬШЕ Km, ТЕМ ВЫШЕ СРОДСТВО фермента к субстрату (фермент эффективно работает даже при микроскопических концентрациях вещества в клетке).
Регуляция ферментативной активности в клетке осуществляется через аллостерические центры и ингибиторы:
• Аллостерический центр — пространственно обособленный участок фермента, связывание с которым регуляторной молекулы (эффектора) вызывает конформационные изменения активного центра:
1. Аллостерические активаторы — повышают сродство к субстрату и скорость реакции;
2. Аллостерические ингибиторы — понижают сродство (отрицательная обратная связь / ретроингибирование: конечный продукт метаболического пути тормозит первый фермент цепи);
• Типы ингибирования:
1. Конкурентное ингибирование: ингибитор структурно похож на субстрат и конкурирует с ним за активный центр (малонат конкурирует с сукцинатом). Vmax НЕ МЕНЯЕТСЯ (можно преодолеть избытком субстрата), Km УВЕЛИЧИВАЕТСЯ;
2. Неконкурентное ингибирование: ингибитор связывается вне активного центра, повреждая каталитический механизм. Vmax СНИЖАЕТСЯ, Km НЕ МЕНЯЕТСЯ.
Аллостерический центр
Конкурентный ингибитор
Графические зависимости скорости ферментативной реакции на ЕНТ:
• Температурный оптимум большинства ферментов человека — 37-40 °C. При понижении до 0 °C скорость падает (но денатурации нет, обратимо); при нагревании выше 45-50 °C происходит ТЕРМИЧЕСКАЯ ДЕНАТУРАЦИЯ белка, и активность падает до нуля необратимо;
• Оптимум pH специфичен для каждого фермента:
1. Пепсин желудка: оптимум в резко кислой среде (pH 1.5 - 2.0);
2. Слюнная амилаза: в нейтральной/слабощелочной среде (pH 6.8 - 7.2);
3. Трипсин двенадцатиперстной кишки: в щелочной среде (pH 8.0 - 8.5).
Запомните для ЕНТ
Пепсин активен ТОЛЬКО в кислой среде (pH ~2)! В щелочной среде кишечника пепсин полностью денатурирует и теряет активность.
- 1. Природа биокатализа и строение активного центра ферментов~5 мин
- 2. Гипотезы фермент-субстратного взаимодействия: Фишер vs Кошланд~5 мин
- 3. Кинетика ферментативных реакций Михаэлиса — Ментен (Km и Vmax)~5 мин
- 4. Аллостерическая регуляция и типы ингибирования ферментов~5 мин
- 5. Ловушки ЕНТ: Влияние температуры и pH на активность ферментов~5 мин
