Параграф 5. Ферментативный катализ

Автор текста – Анисимова Е.С. Авторские права защищены. Продавать текст нельзя. Курсив не зубрить.

Замечания можно присылать по почте: exam_bch@mail.ru https://vk.com/bch_5

Параграф № 5: «Ферментативный катализ». См. п.6 и 4.

Сокращение АЦ – это активный центр.

5. 1. Механизмы ферментативного катализа

– это то, как фермент работает, за счет чего фермент ускоряет реакцию.

Как и любой катализатор, фермент снижает энергию активации. Точнее, при участии фермента реакция протекает другим поспособом, нежели без участия фермента, и при этом другом способе требуется меньшее количество энергии для активации.

Фермент создает для реакции условия.

Первые два механизма катализа из представленных далее связаны в основном со связывающим участком активного центра, а 3-й и 4-й – с каталитическим участком активного центра.

1-й механизм ферментативного катализа: « с б л и ж е н и е и о р и е н т а ц и я »

Чтобы реакция произошла, молекулы субстратов должны встретиться, сблизиться в пространстве.

Фермент «устраивает» это сближение субстратов, связывая их в своем активном центре. При этом связываются строго определенные субстраты – те, чьи свойства соответствуют свойствам активного центра.

В реакцию вступает не вся молекула субстрата, а определенные группы; нужно, чтобы при сближении субстратов реагирующие группы оказались рядом и чтобы они были правильно сориентированы – так, чтобы легче вступали в реакцию.

Все изложенное называется механизмом «сближение и ориентация» (имеется в виду – субстратов в активном центре).

2-й механизм ферментативного катализа: « д е ф о р м а ц и я и н а п р я ж е н и е »

Реакция заключается в том, чтобы одни вещества превратить в другие, то есть изменить состав молекул или их структуру. Для этого нужно одни связи между атомами разрушить, а новые – образовать.

Разрушение связей облегчается (требует меньше энергии), когда происходит напряжение связей – это может произойти за счет деформации молекулы субстрата при ее связывании в активном центре.

Эти явления называются механизмом «деформация и напряжение». Имеется в виду – деформация молекул субстратов при их связывании в активных центрах и возникающее при этом напряжение связей, облегчающее их разрушение и поэтому ускоряющее реакцию.

3-й механизм катализа: к и с л о т н о – о с н о в н ы й катализ.

Протеканию реакции способствует наличие в среде Н+ – так обозначаются протоны (ядра атомов водорода).

Ускорению реакции способствует положительный заряд протонов, потому что он притягивается к разным отрицательным группам (даже если у них частичный отрицательный заряд) – например, к двойным связям.

Откуда «берутся» протоны в среде? – Протоны появляются в среде обычно при диссоциации («распаде») некоторых групп: например, группы -СООН (карбоксильной).

От -СООН группы ядро атома водорода (Н+) отсоединяется, а электрон атома водорода остается у группы («на» атоме кислорода), придавая ей отрицательный заряд (все это и называется диссоциацией).

Группа СООН после диссоциации обозначается так: СОО–.

Группы, которые способны отдавать в среду протоны, называются кислыми (потому что протоны в среде и делают среду кислой, в том числе делают кислыми на вкус соки фруктов), а вещества с кислыми группами называются кислотами (есть другое понятие кислот, но в этой теме это не имеет значения).

В неорганической химии в качестве источников протонов часто используют неорганические кислоты – серной, азотную. Но молекула фермента «не перенесла бы» присутствия больших количеств неорганических кислот (подверглась бы денатурации).

Но неорганические кислоты молекуле фермента и не нужны. Потому что в активном центре молекулы фермента есть свои источники протонов (то есть – есть свои кислоты): это группы -СООН и -NH3+.

Эти протон/донорные группы принадлежат радикалам аминокислотных остатков, из которых состоит активный центр (АЦ). Протон-донорная группа -СООН есть в радикалах аспартата и глутамата (аспартиле и глутамиле). А протон-донорная группа -NH3+ есть в радикале лизина (лизиле). Похожая по свойствам группа есть в радикале аргинина (аргиниле).

Наряду и источниками протонов (кислотами) протеканию реакции (катализу) способствует наличие акцепторов протонов (оснований) – то есть групп, которые способны присоединять протоны.

В активных центрах ферментов функцию акцепторов протонов выполняют группы -NH2 и -СОО–.

-NH2 группа входит в состав тех же радикалов, что и -NH3+, то есть лизина и аргинина. Потому что это два разных состояния одной и той же группы: -NH2 до присоединения протона (до протонирования) и -NH3+ – после присоединения протона Н+.

-СОО–, как уже говорилось, образуется при диссоциации СООН группы и принадлежит радикалам аспартата и глутамата.

Катализ, связанный с участием в реакции кислот и оснований, называется кислотно-основным катализом.

4-й механизм катализа: к о в а л е н т н ы й или н у к л е о ф и л ь н о - э л е к т р о ф и л ь н ы й катализ.

Протеканию реакции способствуют вещества (группы), которые способны притягивать положительно-заряженные группы или отрицательно-заряженные группы.

Вещества или группы, притягивающиеся к положительному заряду, называются «любителями ядра» (потому что ядра атомов заряжены положительно): НУКЛЕОФИЛАМИ.

Притягивающиеся к отрицательному заряду группы или вещества называются «любителями электронов» (потому что электроны заряжены отрицательно): ЭЛЕКТРОФИЛАМИ.

Притяжение нуклеофилов к положительному заряду обусловлено тем, что сами нуклеофилы имеют отрицательный заряд (хотя бы частичный).

В активных центрах ферментов функцию нуклеофилов, имеющих отрицательный заряд, выполняют радикалы лизина, аргинина и гистидина, потому что у них есть группы с частичным отрицательным зарядом «на» атомах азота (за счет НЭП: Не поделенной Электронной Пары на атоме азота). Например, -NH2 группа лизина.

Все эти радикалы являются нуклеофилами до тех пор, пока не присоединят к себе Н+, то есть в непротонированном виде. Например, -NH2 после присоединения Н+ превратится в -NH3+, потому что после присоединения Н+ все они приобретают положительный заряд и становятся электрофилами.

Притяжение электрофилов к отрицательно заряженным группам обусловлено положительным зарядом электрофилов.

В активных центрах ферментов роль электрофилов, имеющих положительный заряд, выполняют положительно заряженные группы NH3+ радикалов лизина и аргинина, а также ионы металлов.

Катализ, обусловленный участием нуклеофилов и электрофилов, называется ковалентным или нуклеофильно-электрофильным.

Обратите внимание: один и тот же радикал может быть и электрофилом, и нуклеофилом.

Например, радикал лизина с группой NH2 является нуклеофилом, а с той же группой в состоянии -NH3+ (после протонирования) является электрофилом.

Кроме того, группа NH3+ может быть донором протонов в кислотно-основном катализе. То есть один и тот же радикал может участвовать в нескольких видах катализа и выполнять разные функции за счёт того, что его группа может быть в разных состояниях.

Здесь должна быть таблица «К и с л о т ы и о с н о в а н и я в а к т и в н ы х ц е н т р а х ферментов», а пока её можно посмотреть в отдельном файле.

5-й механизм катализа:

Ионы металлов выполняют разные функции при работе ферментов. Например, участвуют в формировании конформации, при которой появляется активный цент (то есть – активной третичной структуры), входят в состав активного центра.

Катализ, обусловленный участием ионов металлов, называют металло-ионнным.

6 механизм катализа:

В водной среде молекулы субстратов окружены молекулами воды, которые притягиваются к полярным группам и образуют оболочки, которые называют гидратными.

Чтобы молекулы субстратов могли вступить в реакцию, гидратные оболочки нужно удалять. И на это удаление тратится значительная доля энергии активации. Протеканию реакций в АЦ ферментов очень способствует и то, что при связывании субстратов в АЦ происходит удаление гидратных оболочек.

Это тоже является фактором, ускоряющим реакцию.

Здесь должна быть таблица «Нуклеофилы и электрофилы в активных центрах ферментов». Пока её можно посмотреть в отдельном файле.

5. 2. И з о ф е р м е н т ы .

«Изос» означает «такой ж, так же». Изоферменты – это группа ферментов, которые катализируют одну и ту реакцию.

Всё остальное у изоферментов может отличаться: например, могут состоять из разных субъединиц, находиться в разных тканях (это важно для диагностики – см. далее), иметь разные Км (Константы Михаэлиса).

Пример изоферментов – ферменты, катализирующие дегидрирование лактата (п.32). Они называются лактат/дегидрогеназами (сокращенно – ЛДГ).

Молекулы ЛДГ состоят из 4-х субъединиц, то есть являются тетрамерами (структура – четвертичная).

При этом субъединицы (СЕ) бывают двух типов: Н («аш», «сердечная») и М («эм» «мышечная»). (СЕ Н и М кодируются разными генами).

Если Вы нарисуете несколько комбинаций из 4-х кружочков и заполните кружочки буквами Н и М, то у Вас получится 5 комбинаций – 5 ЛДГ.

Расположите ЛДГ в порядке увеличения количества М и уменьшения количества Н – Вы получите ЛДГ в порядке от ЛДГ1 до ЛДГ5.

Существует 5 тетрамеров ЛДГ: в ЛДГ1 все 4 СЕ типа Н, в ЛДГ2 – 3Н и 1M, в ЛДГ3 – 2Н и 2М, в ЛДГ 4 – 1Н и 4М, в ЛДГ5 все 4 СЕ типа М.

ЛДГ есть в каждой клетке организма, но в разных тканях – разные изоферменты: ЛДГ 1 находится в миокарде, а ЛДГ5 – в скелетных мышцах и в печени.

Эта информация важна для диагностики: обнаружение в крови внутриклеточного фермента указывает на повреждение клеток, в которых этот фермент должен находиться. Потому что появление внутриклеточного фермента в крови – результат его утечки из клеток.

Фермент обнаруживают в крови по его активности, то есть по скорости катализируемой реакции, которую наблюдают «в пробирке», в которую помещена сыворотка: чем больше скорость реакции, тем больше молекул ферментов находится в крови (при прочих равных условиях), тем большее количество клеток разрушено.

Если в крови обнаружен ЛДГ1, то это указывает на повреждение миокарда: на инфаркт или на миокардит, причем чаще оказывается, что у человека инфаркт миокарда.

Если в крови обнаружен ЛДГ5, то это указывает на повреждение печени (гепатит или др.) или скелетных мышц (уточнить диагноз можно при осмотре пациента или с помощью других лабораторных тестов).

Здесь должна быть таблица «И з о ф е р м е н т ы Л Д Г» в отдельном файле, а пока она в отдельном файле.