Биохимия ферментов-2

н. А. Н. Коваль

Механизм действия ферментов. Этапы взаимодействия фермента и субстрата.
Гипотезы Э.

Фишера, Д. Кошланда и современные взгляды.
Теория промежуточных соединений. Основы термодинамики катализа. Энергия активации. Энергетический барьер.
Кинетика ферментативных реакций (факторы, влияющие на скорость ферментативных реакций: природа фермента и субстрата, их концентрация, pH, температура, лекарственные препараты и др.). Km – определение, физиологическое значение.
Регуляция активности ферментов. Роль гормонов, цАМФ, активаторов, ингибиторов. Регуляция активности путем химической модификации ферментов (ограниченный протеолиз, фосфорилирование, метилирование и др.). Аллостерическая регуляция и свойства аллостерических ферментов.
Виды ингибирования.

зависит от температуры.
Каждый фермент имеет свой pH-оптимум.
Активность фермента зависит

от концентрации субстратов.
Специфичность: абсолютная и относительная (групповая).

типам каталитических реакций (реакционная специфичность),
к природе соединений - субстратов

(субстратная специфичность).
Высокоспецифичные ферменты (тип А) катализируют расщепление только одного типа связи в субстратах определенной структуры.
Ферменты типа Б обладают ограниченной реакционной специфичностью, но широкой субстратной специфичностью.
Ферменты типа В (с низкой реакционной и низкой субстратной специфичностями) встречаются редко.

Фишер предложил предложил для объяснения специфичности взаимодействия фермента и субстрата

модель «ключа и замка».
Эта модель предполагала существование такого центра как особой структуры и без связи с субстратом.
Д. Кошленд в 1959 г. предложил теорию индуцированного соответствия («рука-перчатка»): т. е. что субстрат навязывает активному центру свою форму, а активный центр в свою очередь подгоняет форму субстрата под свою собственную.
была подтверждена при помощи метода рентгеноструктурного анализа, позволившего построить пространственную модель фермента.

«лилипутов»
В 1954 году была предложена гипотеза связывающая механизм ферментативного каталитического

акта с деформацией и напряжением молекулы субстрата при ее сорбции в активном центра фермента.
Эта гипотеза вошла в науку под названием концепции «дыбы» или «лилипутов».
Первое подчеркивало принудительный характер механической деформации гибкого субстрата жестким ферментом.
Второе название указывает на то, что слабые нековалентные взаимодействия субстрата и активного центра обеспечивают дестабилизацию субстрата и перевод его в высокоэнергетическое переходное состояние.

на механизм ферментативного катализа объединяются в теорию топохимического соответствия и

объединяют все вышеперечисленные взгляды.

Л. Михаэлисом и М. Ментен общая теория ферментативного катализа постулировала,

что фермент Е сначала обратимо и относительно быстро связывается с со своим субстратом S в реакции:
E + S = ES
Образовавшийся при этом фермент-субстратный комплекс ES, не имеющий аналогий в органической химии и химическом катализе, затем распадается в второй более медленной (лимитирующей) стадии реакции:
ES = Е + Р

и субстрата
1 этап: происходит сближение и ориентация субстрата относительно субстратного

центра фермента и его постепенное «причаливание» к «якорной» площадке.
2 этап: напряжение и деформация: индуцированное соответствие - происходит присоединение субстрата, которое вызывает конформационные изменения в молекуле фермента приводящие к напряжению структуры активного центра и деформации связанного субстрата.
3 этап: непосредственный катализ.

+ Q
Представим эту реакцию в виде отдельных новых стадий:
S

+ E = ES = E + P
подстадии:

взаимоотношений в духе «замка и ключа» для объяснения многостадийного каталитического

процесса, Д. Кошланд предположил, что с термодинамической точки зрения ферменты ускоряют химические реакции за счет снижения энергии активации.

для перевода всех молекул моля вещества в активное состояние при

данной температуре, т. е. это та энергия, которая необходима молекуле, чтобы преодолеть энергетический барьер.
Фермент снижает энергию активации путем увеличения числа активированных молекул, которые становятся реакционно-способными на более низком энергетическом уровне, т. е. снижается и энергетический барьер.

G2
GA1
GA2
Энергия активации неферментативной реакции
Энергия активации ферментативной реакции

G1
GA1
GA2
Энергия активации неферментативной реакции
Энергия активации ферментативной реакции


G
t

концентрация E, тем выше скорость реакции.
[E]
V

существует оптимальная область pH (6,9 – 7,0 для большинства ферментов).
Сдвиг

pH приводит к изменению
Поверхностного заряда фермента
Степень ионизации активного центра и субстрата.

pH

V

Оптимум pH

на 10°C скорость реакции возрастает в 2 раза (правило Вант-Гоффа).
После

60-70° C происходит денатурация фермента с потерей его каталитической активности.

t°

V

60-70° C

ферментов график имеет вид гиперболы и описывается уравнением Михаэлиса-Ментен.
При очень

высоких концентрациях субстрата наступает субстратное ингибирование

[S]

V

реакций от концентрации реагирующих веществ стало одним из главных путей

изучения механизма действия ферментов.
В 1905 году французский исследователь Генри впервые высказал ряд предположений, которые были экспериментально подтверждены в 1913 году Леонором Михаэлисом и Мод Ментен (США, Канада).