Биологический катализ: ферменты, коферменты, аллостерический центр и кинетика реакций

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).

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.

Скорость ферментативной реакции (v) зависит от концентрации субстрата [S] и описывается гиперболическим уравнением Михаэлиса — Ментен (1913 г.):

Параметры уравнения:

• Максимальная скорость V_max — предельная скорость реакции при полном насыщении всех активных центров фермента субстратом;

• Константа Михаэлиса K_m — концентрация субстрата, при которой скорость реакции достигает половины от максимальной (v = 0.5 V_max). Константа K_m характеризует сродство (аффинность) фермента к субстрату:

ЧЕМ МЕНЬШЕ K_m, 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). V_max НЕ МЕНЯЕТСЯ (можно преодолеть избытком субстрата), K_m УВЕЛИЧИВАЕТСЯ;

2. Неконкурентное ингибирование: ингибитор связывается вне активного центра, повреждая каталитический механизм. V_max СНИЖАЕТСЯ, K_m НЕ МЕНЯЕТСЯ.

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).