WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
ENZYMES – BIOLOGICAL ФЕРМЕНТЫ – БИОЛОГИЧЕСКИЕ CATALYSTS: BASIC КАТАЛИЗАТОРЫ: ОСНОВНЫЕ PRINCIPLES OF ACTION ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ N. L. KLYACHKO..

Basic principles of cataly‚ „‰‡‚ ‚ sis and peculiarities of... ‚‡ enzymes as catalysts are discussed. There are Ферменты – особые белки, которые действуют multi-point interactions как катализаторы в биологических системах. К наbetween enzyme and subстоящему времени найдена лишь одна ферментаstrate leading to the тивная реакция небелковой природы, когда молекула РНК катализирует свое собственное разрезание proper orientation and на части. В природном окружении многие ферменты proximity of the reactive функционируют в живых клетках, где одновременно groups around the active протекает множество взаимосвязанных процессов.

Они могут быть выделены из клеток и очищены.

center; transfer of the Именно это обстоятельство явилось важной вехой в reaction to the intramoleпонимании кинетических особенностей и механизcular level; enhancement мов действия многих ферментов. Ферменты – уникальные катализаторы, обладающие непревзойденof the reactivity of the ной эффективностью действия (каталитической reaction transient state.

активностью) и высокой селективностью. Пример эффективности протекания реакции разложения перекиси водорода приведен в табл. 1.

·‰ · ‡‡‡ ·Таблица 1. Энергия активации (Еа) и относительная ско ‰‚fl - рость реакции: 2Н2О2 2Н2О + О2 при отсутствии и в присутствии различных катализаторов ‚ ‡ ‡‡‡‚:

„ ‚‡- Еа, Относительная скорость Катализатор кДж/моль реакции при 300 К ‰‚ ·‡, Без катализатора 70 1 ‚‰fl ·Pt (гетерогенный) 45 2 103 ‡‚ Ионы железа 42 8 103 ‡ ‚ ‡‚ (гомогенный) ‡„ „;

Каталаза (фермент) 7 9 1010 ‚‰ ‡ ‚ ‚fl - В настоящее время известно более 2000 ферментов, многие из которых катализируют одну реак; ‚ ‡цию, то есть превращение одного особого субстрата · (субстраты – это реагенты в катализируемой фер„, ‡‚ ‚ ‡- ментом реакции, претерпевающие превращение) в определенный продукт. Несмотря на колоссальное ‡; ‡·‡fl многообразие как катализируемых ферментами р剄 flfl акций, так и на непохожие по структуре сами фер‡. менты, можно выделить общие их черты и принципы действия.

.

Для того чтобы прошла химическая реакция, нужно, чтобы молекулы столкнулись. Из кинетической, ‹3, © fl.., энергии таких столкновений можно почерпнуть ре. Добавление же порошка оксида хрома (Cr2O3) энергию, необходимую для того, чтобы разорвать приводит к “огненному дождю” из этих частиц.

или ослабить химические связи в молекулах реаген- Идет реакция (экзотермическая, то есть с выделетов. В результате теплового движения за 1 с происхо- нием теплоты), продукты которой содержат NO и дят триллионы столкновений молекул, лишь редкие воду. Оксид хрома, являющийся в реакции каталииз которых приводят к химическому превращению. затором, не изменяется, но направляет реакцию по То есть реагируют только те молекулы, которые в энергетически более выгодному пути с меньшей момент столкновения обладают достаточной сум- энергией активации (см. рис. 1), при более низкой марной энергией. Эта энергия, называемая энерги- температуре в данном случае.

ей активации (Еа), характеризует ту минимальную Важно отметить, что катализатор не расходуется и энергию, которой должна обладать молекула (или не изменяет разности свободных энергий начального молекулы), чтобы вступить в химическую реакцию.

и конечного состояний реакции, то есть не влияет на Графически эта величина соответствует величине общие термодинамические характеристики реакции, барьера (образование переходного состояния), ков частности не смещает ее равновесие (изменяя лишь торый необходимо преодолеть для осуществления время выхода в равновесное состояние). Действие химической реакции (соответствует разности уровкатализатора заключается в понижении энергии акней энергий Гиббса переходного и исходного сотивации и означает, что бльшая доля сталкиваюстояний) (рис. 1). В результате многие даже термощихся молекул будет обладать достаточной энергией динамически разрешенные (выгодные) реакции для преодоления барьера свободной энергии перепрактически не идут из-за слишком высокой энерходного состояния и протекания реакции.

гии активации.

За счет чего катализатор может понижать барьер Вспомним реакцию окисления аммиака, кото- свободной энергии (или свободную энергию перерый способен гореть в чистом кислороде (с огром- ходного состояния) Он может взаимодействовать с ным трудом на воздухе) с образованием азота и паров реагентами, давая принципиально иное переходное воды. Реакция идет только при высокой температу- состояние или просто более стабильное (и, следовательно, с более низкой свободной энергией), чем образуемое в некаталитической реакции.

а Переходное Рассмотрим некоторые основные механизмы состояние катализа. Все они могут быть обнаружены при изучении действия ферментов как катализаторов. Пример – реакция гидролиза сложного эфира:

Ea R'COOR" + H2O R'COOH + R"OH. (1) Начальное Эта реакция включает нуклеофильную атаку состояние свободной парой электронов кислорода воды по углеродному остатку карбонила (имеет частичный Конечное + состояние положительный заряд в результате оттягивания электронной плотности на кислородный атом), образование переходного состояния и далее продукб тов реакции. Основные стадии реакции при нейтральных рН выглядят следующим образом:



O- O.

H.

.

Начальное + O C OR" H O+ C OR" состояние H R’ H R’ O O Фермент-субстратный комплекс Конечное + + + H+ O C OR" HO C HO R" состояние H R’ R’ Как видно из представленной схемы, в образуюКоордината реакции щемся переходном состоянии атакующая молекула воды приобретает положительный заряд, а кислоРис. 1. Схематическое представление изменения род карбонильной группы – отрицательный. Такое свободной энергии в ходе химической реакции.

переходное состояние крайне невыгодно, то есть Катализатор уменьшает энергию активации – поего образование требует высокой энергии активанижает барьер свободной энергии: а – пунктирная ции. Это, в свою очередь, означает, что скорость релиния; б – фермент разбивает высокий барьер на несколько более мелких акции будет очень мала.

.. – : Энергия Использование катализатора в данном случае моO жет существенно помочь процессу. Каким образом + R3N C OR" 1. Кислотно-основный катализ (под действием Н+ R’ или ОН-);

O- O а) кислоты могут временно давать протон молекуле эфира:

+ R3N+ C OR" R3N+ C OR" + O OH R’ R’ H2O + H+ C OR" C OR" O O R’ R’ H + ++ R3N C OH H+ R3N C O Протонированная форма эфира (более реакционноспособная) затем атакуется молекулой воды H R’ R’ аналогично схеме без катализатора с той лишь разницей, что переходное состояние недвухзарядное Более того, в этом случае мы видим и двухзарядное (более стабильное, чем предыдущее), следователь- переходное состояние. Тем не менее реакция в прино, для такой реакции требуется меньшая энергия сутствии катализатора идет, а при отсутствии его активации:

практически нет. Причина в том, что катализатор имеет более сильно выраженный нуклеофильный + OH O H H характер, чем атакующая группа (а следовательно, + + действует быстрее), а промежуточное соединение O C OR" H O C OR" более реакционноспособное, чем исходное. ЭфH R’ H R’ фект повышения нуклеофильной способности тех или иных групп весьма ярко проявляется в ферменПродукты тативном катализе. Более того, фермент может одб) основания (ХО- ) могут временно акцептировать новременно использовать несколько различных протон (Н+), помогая стабилизировать двухзарядмеханизмов катализа, повышая эффективность хиное переходное состояние, например таким образом:

мической реакции.

OДействие ферментов, как и других катализаторов, как уже сказано выше, заключается в понижеX O.H.O C OR" нии свободной энергии активации реакции. ОднаR’ ко картина протекания реакции в присутствии фермента (профиль изменения свободной энергии) 2. Электростатический катализ. Переходное совыглядит сложнее, чем для обычных катализаторов стояние можно стабилизировать электрическим по(см. рис. 1, б).

лем иона, например положительно заряженный карбоний-ион (переходное состояние в случае катаОгромную роль в катализе ферментами играет лиза ферментом – лизоцимом) стабилизируется то, что, собственно, происходит до начала химичесэлектрическим полем отрицательно заряженной кой реакции, а именно образование так называемокарбоксильной группы остатка аспарагиновой кисго фермент-субстратного комплекса (первый лолоты. Конечно, энергия электростатического взаикальный минимум на рис. 1, б). Почему Дело в том, модействия двух точечных зарядов зависит от что в этом случае реагирующие частицы оказываютсвойств среды (диэлектрической постоянной), в кося сближенными и сориентированными до начала торой это взаимодействие происходит. В водной собственно химической реакции. Высокий барьер среде это взаимодействие слабое, однако в органисвободной энергии разбивается на несколько меньческих растворителях, а также в активных центрах ших, первый из которых, показанный на рис. 1, б, ферментов оно может вносить существенный вклад.

характеризует неизбежные энергетические потери 3. Ковалентный катализ (электрофильный или при сближении и ориентации молекул, связанные с нуклеофильный). Роль ионов меди в предыдущем затормаживанием их поступательного и вращательпримере, помогающих оттянуть электроны из реакного движений. То есть в ферментативном катализе ционного центра, можно обсуждать как форму элекосуществляется перевод реакции во внутримолекутрофильного катализа.

лярный режим. Что дает такой перевод, отражает Катализатор нуклеофильной природы, наприприведенный в качестве примера гидролиз аспирина.

мер третичный амин, имеющий неподеленную пару 4. Внутримолекулярный катализ. Гидролиз эфирэлектронов на атоме азота, казалось бы, ничем не отличается от исходного реагента некаталитичес- ной связи в случае аспирина ускоряется за счет внукой реакции (1), в данном случае молекулы воды: тримолекулярного общеосновного катализа:

, ‹3, состав активного центра одного из представителей H O сериновых протеаз (ферменты, участвующие в гидO H ролизе белков, расщепляющие пептидную связь, и C O- COдругих соединений, играющие важную роль в пере+ O C CH3 OH CH3CO2H варивании пищи) – химотрипсина наряду с собстO венно катализатором – серином-195 (Ser-195)1 вхоОказывается, что простой перевод реакции гидродят остатки гистидина-57 (His-57) и аспарагиновой лиза эфирной связи во внутримолекулярный режим кислоты-102 (Asp-102). Более того, в состав активприводит к увеличению ее скорости в 100 раз. Как и ных центров многих ферментов входят и непосредза счет чего осуществляется такой перевод в ферственно участвуют в катализе ионы металлов, как, ментах например, ион цинка в молекуле карбоангидразы Ферменты, как и все белки, строятся из амино(фермент, катализирующий реакцию гидратации кислот, в пространстве они организованы (свернудвуокиси углерода и дегидратации бикарбоната) ты) особым образом (третичная и четвертичная или ион железа в уже упоминавшейся каталазе.





структуры белка) (см. статью Н.К. Наградовой Причем в последнем случае ион железа находится в “Внутриклеточная регуляция формирования насоставе сложного органического соединения – гема, тивной пространственной структуры белков”: Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 7). прочно связанного с белком. Схематическое изобВысокая каталитическая активность ферментов ражение некоторых групп, входящих в состав активобеспечивается функционированием специального ных центров ферментов, приведено на рис. 2, 3.

участка – сложноорганизованного активного центра, в состав которого входят аминокислотные остат- Номера, стоящие после обозначения аминокислоты, ки, часто весьма удаленные друг от друга в первичуказывают положение этой аминокислоты в полипептидной полипептидной последовательности. Так, в ной цепи.

а в Arg-109 His-195 Asp-168 H3C CH CH+ NH.

. H3C CH.

N.

CH3. C O.

.

H.

N Fe N......R N C O......H N+ N H O H N C OOC (CH2)2 CH CHH2N C Субстрат O O (пируват)..

.. O NADH...

OOC (CH2)2 CH..

.

.

H2N NH+ H г + C NHArg-Гем Lys-б Гидрофобный "карман" Cys-..

..

..

..

.. S..

..

R’.

.

.

H R N C O.......Zn2+.......N His-..

..

H..

..

..

R" CONH2 HO S Ser-48 Cys-Субстрат Рис. 2. Активный центр фермента может организовываться из аминокислотных остатков полипептидной цепи – лактатдегидрогеназа (а) или содержать ионы металлов – алкогольдегидрогеназа (б) или ионы металлов в составе сложных органических молекул – гем (в). Гем в состоянии белковой молекулы (г).. – : а Субстрат O lle-C X + NH3 R CH.

.....N NH....O O. :O H.

O C COON C CHAsp-194 R CHH.

Asp-Ser-.

.

.

His-Гидрофобный O "карман" C NH Ser-б O...R C Y...R OC O H O H O Y + RCO.Y H + N N N N N N H HH Свободный Фермент-субстратный Переходное фермент комплекс состояние реакции -YH -RCOOH +H2O O...R C OH...R O-...R C C O O H O OH O O H H + H N N N N N N HH H Ацил-фермент (промежуточное ковалентное соединение с субстратом) Рис. 3. Схема строения активного центра химотрипсина (а) и механизм катализируемой им реакции (б) Выше мы выяснили, что для успешного нуклео- мукополисахаридов, являющихся основным комфильного катализа необходимо, чтобы катализатор понентом клеточной стенки некоторых бактерий) и был сильным нуклеофилом, по крайней мере более участвующая в расщеплении простой эфирной свясильным, чем исходный реагент. В то же время хи- зи углеводов. И тем не менее ферментативный катамические группы, формирующие активный центр лиз по своей эффективности превосходит все извефермента, сами по себе, как правило, являются сла- стные катализаторы. Почему Пример того, как это, быми катализаторами соответствующих реакций. по-видимому, происходит в молекуле химотрипсина, Например, в уже упоминавшихся сериновых проте- приведен на рис. 3. Остатки Ser-195, His-57 и Asp-102, азах эффективная атака амидной связи происходит оказавшиеся рядом в активном центре фермента, под действием слабонуклеофильной алифатичес- принимают в этом участие. Субстрат связывается с кой гидроксильной группы. Другой пример – кар- соответствующими группами активного центра так, боксильная группа, находящаяся в активном цент- что соответствующий углеродный атом оказываетре лизоцима (фермент, катализирующий гидролиз ся в положении, удобном для атаки катализатора, ‹3, (Ser-195). Повышение нуклеофильности серина восстановления пирувата в лактат), для которой запроисходит при помощи гистидина (основный ка- фиксировано перемещение в пространстве куска тализатор), оттягивающего на себя протон. Образу- аминокислотной последовательности белка, состоющийся на имидазоле гистидина положительный ящего из значительного числа остатков (наблюдаюзаряд стабилизируется отрицательным зарядом кар- щееся при связывании субстрата и приводящее к побоксильной группы аспарагиновой кислоты, дей- явлению взаимодействий групп активного центра ствующей как электростатический катализатор. фермента, удаленных в свободном ферменте).

Отрицательный заряд тетраэдрического промежуАналогичные изменения могут происходить и в точного комплекса стабилизируется водородными молекуле субстрата, направленные на то, чтобы связями с Gly-193 и Ser-195. His-57 действует затем способствовать образованию переходного состояуже как кислотный катализатор, облегчая выделения. Стабилизация же переходного состояния – это ние первого продукта и т.д. Таким образом, действие движущая сила реакции. Таким образом, взаимофермента представляет собой хорошо отлаженную в действие между ферментом и переходным состояпространстве и времени систему.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.