Белок-фермент: описание, роль, свойства, функция и особенности

Строение ферментов

Субстратом
(S) называют вещество, химические
превращения которого в продукт (Р)
катализирует фермент (Е). Тот участок
поверхности молекулы фермента, который
непосредственно взаимодействует с
молекулой субстрата, называется АКТИВНЫМ
ЦЕНТРОМ ФЕРМЕНТА.

АКТИВНЫЙ
ЦЕНТР ФЕРМЕНТА

Активный
центр фермента образован из остатков
аминокислот, находящихся в составе
различных участков полипептидной цепи
или различных полипептидных цепей,
пространственно сближенных. Образуется
на уровне третичной структуры
белка-фермента.

В его пределах
различают АДСОРБЦИОННЫЙ УЧАСТОК (центр)
и КАТАЛИТИЧЕСКИЙ УЧАСТОК (центр). Кроме
того, вне активного центра фермента
встречаются особые функциональные
участки; каждый из них обозначают
термином АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЙ ЦЕНТР.

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ
ЦЕНТР — это та область (зона) активного
центра фермента, которая непосредственно
участвует в химических преобразованиях
субстрата. Формируется он за счет
радикалов двух, иногда трех аминокислот,
расположенных в разных местах полипептидной
цепи фермента, но пространственно
сближенных между собой за счет изгибов
этой цепи. Например, каталитический
центр «серин-гистидиновых» ферментов
формируется за счет радикалов аминокислот
серина и гистидина. Если фермент является
сложным белком, то в формировании
каталитического центра нередко участвует
простетическая группа молекулы фермента
(кофермент). Коферментную функцию
выполняют все водорастворимые витамины
и жирорастворимый витамин K. (подробнее
о коферментной функции витаминов:
пособие «Ферменты», стр.11).

АДСОРБЦИОННЫЙ
ЦЕНТР — это участок активного центра
молекулы фермента, на котором происходит
сорбция (связывание) молекулы субстрата.
Он формируется одним, двумя, чаще тремя
радикалами аминокислот, которые обычно
расположены рядом с каталитическим
центром. Главная его функция — связывание
молекулы субстрата и передача этой
молекулы каталитическому центру в
наиболее удобном положении (для
каталитического центра). Эта сорбция
происходит ТОЛЬКО ЗА СЧЕТ СЛАБЫХ ТИПОВ
СВЯЗЕЙ и потому ЯВЛЯЕТСЯ ОБРАТИМОЙ. По
мере формирования этих связей происходит
конформационная перестройка адсорбционного
центра, которая приводит к более тесному
сближению субстрата и активного центра
фермента, более точному соответствию
между их пространственными конфигурациями.
Такое соответствие — не заранее «готовое»,
а формирующееся в ходе взаимодействия
— американский ученый Кошленд положил
в основу теории ИНДУЦИРОВАННОГО
СООТВЕТСТВИЯ (или «НАВЕДЕННОГО»
СООТВЕТСТВИЯ), которая преодолела
ограниченность существовавшей ранее
теории КЛЮЧА И ЗАМКА (жесткого соответствия
структуры субстрата структуре
адсорбционного центра).

Очевидно,
что именно структура адсорбционного
центра определяет субстратную
специфичность фермента, то есть требования
фермента к молекуле химического вещества,
чтобы она могла стать для него подходящим
субстратом.

Некоторые
вещества, обладающие подходящими
характеристиками (то есть похожие на
субстрат), могут тоже связываться с
адсорбционным центром фермента. Но если
в их молекуле нет такой химической
связи, на которую может воздействовать
каталитический центр данного фермента,
то химических превращений этого вещества
не произойдет. Занимая активный центр
фермента, такие молекулы блокируют его
работу, то есть являются ОБРАТИМЫМИ
ИНГИБИТОРАМИ данного фермента (обратимыми,
потому что связаны с ферментом слабыми
типами связей). Повышая концентрацию
субстрата, их можно ВЫТЕСНИТЬ из
адсорбционного центра. Поэтому такие
ингибиторы называют КОНКУРЕНТНЫМИ. Они
конкурируют с истинным субстратом
данного фермента за обладание его
адсорбционным центром.

АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ
ЦЕНТРАМИ называют такие участки молекулы
фермента вне его активного центра,
которые способны связываться СЛАБЫМИ
ТИПАМИ СВЯЗЕЙ (значит — обратимо) с тем
или иным веществом (лигандом). Причем
такое связывание приводит к такой
конформационной перестройке молекулы
фермента, которая распространяется и
на активный центр, облегчая, либо
затрудняя (замедляя) его работу.
Соответственно такие вещества называются
АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ АКТИВАТОРАМИ или
АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ ИНГИБИТОРАМИ данного
фермента.

Термин
«аллостерический» (то есть «имеющий
иную пространственную структуру»)
появился в связи с тем, что эти эффекторы
по своей пространственной конфигурации
совсем не похожи на молекулу субстрата
данного фермента (и потому не могут
связываться с активным центром фермента).
Было сделано заключение, что и
аллостерический центр не похож по своей
структуре на активный центр фермента.

Аллостерические
центры найдены не у всех ферментов. Они
есть у тех ферментов, работа которых
может изменяться под действием гормонов,
медиаторов и других биологически
активных веществ. Некоторые искусственно
синтезированные лекарства обладают
биологической активностью потому, что
их молекулы комплементарны аллостерическому
центру некоторых ферментов организма.

СПЕЦИФИЧНОСТЬ
ФЕРМЕНТОВ

Различают
два главных вида специфичности ферментов:
СУБСТРАТНУЮ СПЕЦИФИЧНОСТЬ и СПЕЦИФИЧНОСТЬ
ДЕЙСТВИЯ.

СУБСТРАТНАЯ
СПЕЦИФИЧНОСТЬ.

Это
способность фермента катализировать
превращения только одного определенного
субстрата или же группы сходных по
строению субстратов. Определяется
структурой адсорбционного участка
активного центра фермента.

Различают
3 типа субстратной специфичности:

1)
АБСОЛЮТНАЯ субстратная специфичность
— это способность фермента катализировать
превращение только одного, строго
определенного субстрата.

2)
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ субстратная специфичность
— способность фермента катализировать
превращения нескольких, сходных по
строению, субстратов.

3)
СТЕРЕОСПЕЦИФИЧНОСТЬ — способность
фермента катализировать превращения
определенных стереоизомеров.

Например,
фермент оксидаза L-аминокислот способен
окислять все аминокислоты, но относящиеся
только к L-ряду. Таким образом, этот
фермент обладает относительной
субстратной специфичностью и
стереоспецифичностью одновременно.

СПЕЦИФИЧНОСТЬ
ДЕЙСТВИЯ.

Специфичность
действия — это способность фермента
катализировать только определенный
тип химической реакции.

В
соответствии со специфичностью действия
все ферменты делятся на 6 классов. Классы
ферментов обозначаются латинскими
цифрами. Название каждого класса
ферментов соответствует этой цифре.

КЛАССИФИКАЦИЯ
ФЕРМЕНТОВ

Структура: цепь из тысяч аминокислот

Все ферменты являются белками, но не все белки – ферменты. Как и другие протеины, энзимы состоят из аминокислот. И что интересно, на создание каждого фермента уходит от ста до миллиона аминокислот, нанизанных, словно жемчуг на нить. Но эта нить не бывает ровной – обычно изогнута в сотни раз. Таким образом, создается трехмерная уникальная для каждого фермента структура. Меж тем, молекула энзима – сравнительно крупное образование, и лишь небольшая часть его структуры, так называемый активный центр, участвует в биохимических реакциях.

Каждая аминокислота соединена с другой определенным типом химической связи, а каждый фермент имеет свою уникальную последовательность аминокислот. Для создания большинства из них используются примерно по 20 видов. Даже незначительные изменения последовательности аминокислот могут кардинально менять внешний вид и «таланты» фермента.

Теории катализа.

Для объяснения механизма каталитических реакций были предложены три группы теорий: геометрические, электронные и химическая

В геометрических теориях основное внимание обращено на соответствие между геометрической конфигурацией атомов активных центров катализатора и атомов той части реагирующих молекул, которая ответственна за связывание с катализатором. Электронные теории исходят из представления, что хемосорбция обусловливается электронным взаимодействием, связанным с переносом заряда, т.е

эти теории связывают каталитическую активность с электронными свойствами катализатора. Химическая теория рассматривает катализатор как химическое соединение с характерными свойствами, которое образует химические связи с реагентами, в результате чего формируется нестабильный переходный комплекс. После распада комплекса с высвобождением продуктов катализатор возвращается в исходное состояние. Последняя теория считается сейчас наиболее адекватной.

На молекулярном уровне каталитическую газофазную реакцию можно представить следующим образом. Одна реагирующая молекула связывается с активным центром катализатора, а другая взаимодействует с ней, находясь непосредственно в газовой фазе. Возможен и альтернативный механизм: реагирующие молекулы адсорбируются на соседних активных центрах катализатора, а потом взаимодействуют друг с другом. По-видимому, именно таким образом протекает большинство каталитических реакций.

Другая концепция предполагает, что существует связь между пространственным расположением атомов на поверхности катализатора и его каталитической активностью. Скорость одних каталитических процессов, в том числе многих реакций гидрирования, не зависит от взаимного расположения каталитически активных атомов на поверхности; скорость других, напротив, существенно изменяется при изменении пространственной конфигурации поверхностных атомов. В качестве примера можно привести изомеризацию неопентана в изопентан и одновременный крекинг последнего до изобутана и метана на поверхности катализатора Pt-Al2O3.

История открытия

Энзим в переводе с греческого означает «закваска». А открытию этого вещества человечество обязано голландцу Яну Баптисту Ван-Гельмонту, жившему в XVI веке. В свое время он весьма заинтересовался спиртовым брожением и в ходе исследования нашел неизвестное вещество, ускоряющее этот процесс. Голландец назвал его fermentum, что в переводе означает «брожение». Затем, почти тремя веками позже, француз Луи Пастер, также наблюдая за процессами брожения, пришел к выводу, что ферменты – не что иное, как вещества живой клетки. А через некоторое время немец Эдуард Бухнер добыл фермент из дрожжей и определил, что это вещество не является живым организмом. Он также дал ему свое название – «зимаза». Еще несколькими годами позже другой немец Вилли Кюне предложил все белковые катализаторы разделить на две группы: ферменты и энзимы. Причем вторым термином он предложил называть «закваску», действия которой распространяются вне живых организмов. И лишь 1897 год положил конец всем научным спорам: оба термины (энзим и фермент) решено использовать как абсолютные синонимы.

Энергетика.

Любая химическая реакция может протекать лишь при условии, что реагенты преодолеют энергетический барьер, а для этого они должны приобрести определенную энергию. Как мы уже говорили, каталитическая реакция X Y состоит из ряда последовательных стадий. Для протекания каждой из них необходима энергия E, называемая энергией активации. Изменение энергии вдоль координаты реакции представлено на рис. 1.

Рассмотрим сначала некаталитический, «тепловой» путь. Чтобы реакция смогла осуществиться, потенциальная энергия молекул X должна превысить энергетический барьер Eт. Каталитическая же реакция состоит из трех стадий. Первая – образование комплекса Х-Кат. (хемосорбция), энергия активации которой равна Еадс. Вторая стадия – перегруппировка Х-Кат. Y-Кат. с энергией активации Екат, и наконец, третья – десорбция с энергией активации Едес; Еадс, Екат и Едес много меньше Ет. Поскольку скорость реакции экспоненциально зависит от энергии активации, каталитическая реакция протекает значительно быстрее тепловой при данной температуре.

Катализатор можно уподобить инструктору-проводнику, который ведет альпинистов (реагирующие молекулы) через горный хребет. Он проводит одну группу через перевал и затем возвращается за следующей. Путь через перевал лежит значительно ниже того, который лежит через вершину (тепловой канал реакции), и группа совершает переход быстрее, чем без проводника (катализатора). Возможно даже, что самостоятельно группа вообще не смогла бы преодолеть хребет.

Специфика воздействия

Состоящие из остатков аминокислот белки-ферменты обеспечивают одну либо несколько однотипных реакций (каждый).

К примеру, жиры внутри клеток и в пищеварительном тракте расщепляются липазой. Это водорастворимый фермент, не действующий на белки и полисахариды. В то же время вещество, расщепляющее гликоген или крахмал, не оказывает никакого эффекта на жиры.

Интересно, что каждый молекула фермента осуществляет от нескольких тысяч до миллионов действий в минуту. В ходе этих процессов белок не расходуется вообще. Наоборот, он образует симбиоз с реагирующими веществами, ускоряя их превращения. После окончания он выходит из реакции в неизменном виде.

Кислотный катализ.

Каталитическая активность большого класса катализаторов обусловливается их кислотными свойствами. Согласно И.Брёнстеду и Т.Лоури, кислота – это соединение, способное отдавать протон. Сильные кислоты легко отдают свои протоны основаниям. Концепция кислотности получила дальнейшее развитие в работах Г.Льюиса, который дал определение кислоты как вещества, способного принимать электронную пару от вещества-донора с образованием ковалентной связи за счет обобществления этой электронной пары. Эти идеи вместе с представлениями о реакциях с образованием карбений-ионов помогли понять механизм разнообразных каталитических реакций, особенно тех, в которых участвуют углеводороды.

Силу кислоты можно определить с помощью набора оснований, изменяющих цвет при присоединении протона. Оказывается, некоторые промышленно важные катализаторы ведут себя как очень сильные кислоты. К ним относится катализатор процесса Фриделя – Крафтса, такой, как HCl-AlCl2O3 (или HAlCl4), и алюмосиликаты. Сила кислоты – это очень важная характеристика, поскольку от нее зависит скорость протонирования – ключевого этапа процесса кислотного катализа.

Активность таких катализаторов, как алюмосиликаты, применяющихся при крекинге нефти, определяется присутствием на их поверхности кислот Брёнстеда и Льюиса. Их структура аналогична структуре кремнезема (диоксида кремния), в котором часть атомов Si4+ замещена атомами Al3+. Лишний отрицательный заряд, возникающий при этом, может быть нейтрализован соответствующими катионами. Если катионами являются протоны, то алюмосиликат ведет себя как кислота Брёнстеда:

Активность кислотных катализаторов обусловливается их способностью реагировать с углеводородами с образованием в качестве промежуточного продукта карбений-иона. Алкилкарбений-ионы содержат положительно заряженный углеродный атом, связанный с тремя алкильными группами и/или атомами водорода. Они играют важную роль как промежуточные продукты, образующиеся во многих реакциях с участием органических соединений. Механизм действия кислотных катализаторов можно проиллюстрировать на примере реакции изомеризации н-бутана в изобутан в присутствии HCl-AlCl3 или Pt-Cl-Al2O3. Сначала малое количество олефина С4Н8 присоединяет положительно заряженный ион водорода кислотного катализатора с образованием третичного карбений-иона. Затем отрицательно заряженный гидрид-ион Н– отщепляется от н-бутана с образованием изобутана и вторичного бутилкарбений-иона. Последний в результате перегруппировки превращается в третичный карбений-ион. Эта цепочка может продолжаться с отщеплением гидрид-иона от следующей молекулы н-бутана и т.д.:

Существенно, что третичные карбений-ионы более стабильны, чем первичные или вторичные. Вследствие этого на поверхности катализатора присутствуют в основном именно они, а потому основным продуктом изомеризации бутана является изобутан.

Кислотные катализаторы широко применяются при переработке нефти – крекинге, алкилировании, полимеризации и изомеризации углеводородов (см. также ХИМИЯ И МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ). Установлен механизм действия карбений-ионов, играющих роль катализаторов в этих процессах. При этом они участвуют в целом ряде реакций, включая образование малых молекул путем расщепления больших, соединение молекул (олефина с олефином или олефина с изопарафином), структурную перегруппировку путем изомеризации, образование парафинов и ароматических углеводородов путем переноса водорода.

Одно из последних применений кислотного катализа в промышленности – получение этилированных топлив присоединением спиртов к изобутилену или изоамилену. Добавление кислородсодержащих соединений в бензин уменьшает концентрацию оксида углерода в выхлопных газах. Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) с октановым числом смешения 109 тоже позволяет получить высокооктановое топливо, необходимое для работы автомобильного двигателя с высокой степенью сжатия, не прибегая к введению в бензин тетраэтилсвинца. Организовано также производство топлив с октановыми числами 102 и 111.

Что такое катализ

Уже к 2013 году учеными было выявлено чуть более 5 тысяч ферментов. Подобные вещества способны влиять на ход практически любых биохимических реакций. Чтобы стала более понятной каталитическая функция белков, стоит разобраться, что же такое катализ. С греческого языка это понятие переводится как «прекращение». Катализ представляет собой изменение скорости протекания любой химической реакции. Происходит это под действием определенных соединений. Ферментами выполняется каталитическая функция белков. Примеры этого явления встречаются в повседневной жизни постоянно. Просто человек этого не замечает.

Гидрирование.

Большое число каталитических реакций связано с активацией атома водорода и какой-либо другой молекулы, приводящей к их химическому взаимодействию. Этот процесс называется гидрированием и лежит в основе многих этапов переработки нефти и получения жидкого топлива из угля (процесс Бергиуса).

Производство авиационного бензина и моторного топлива из угля было развито в Германии во время Второй мировой войны, поскольку в этой стране нет нефтяных месторождений. Процесс Бергиуса заключается в непосредственном присоединении водорода к углю. Уголь нагревают под давлением в присутствии водорода и получают жидкий продукт, который затем перерабатывают в авиационный бензин и моторное топливо. В качестве катализатора используют оксид железа, а также катализаторы на основе олова и молибдена. Во время войны на 12 заводах Германии с помощью процесса Бергиуса получали примерно 1400 т жидкого топлива в сутки.

Другой процесс, Фишера – Тропша, состоит из двух стадий. Вначале уголь газифицируют, т.е. проводят реакцию его с водяным паром и кислородом и получают смесь водорода и оксидов углерода. Эту смесь превращают в жидкое топливо с помощью катализаторов, содержащих железо или кобальт. С окончанием войны производство синтетического топлива из угля в Германии было прекращено.

В результате повышения цен на нефть, последовавшего за нефтяным эмбарго в 1973–1974, были предприняты энергичные усилия по разработке экономически выгодного способа получения бензина из угля. Так, прямое ожижение угля можно проводить более эффективно, используя двухстадийный процесс, в котором сначала уголь контактирует с алюмокобальтомолибденовым катализатором при относительно низкой, а затем при более высокой температуре. Стоимость такого синтетического бензина выше, чем получаемого из нефти.

Разница между биологическими катализаторами (ферментами) и химическими катализаторами

Есть катализаторы химической природы, которые, подобно биологическим, увеличивают скорость реакций. Однако есть заметные различия между молекулами обоих типов..

Ферментативные реакции происходят быстрее

Во-первых, ферментам удается увеличить скорость реакций на порядки, близкие к 106 до 1012. Химические катализаторы также увеличивают скорость, но только на несколько порядков.

Большинство ферментов работают в физиологических условиях

Поскольку биологические реакции проводятся внутри живых существ, их оптимальные условия окружают физиологические значения температуры и pH. Химикам, с другой стороны, нужны резкие условия температуры, давления и кислотности.

специфичность

Ферменты очень специфичны в реакциях, которые они катализируют. В большинстве случаев они работают только с одним субстратом или с несколькими. Специфика также относится к типу продукции, которую они производят. Ассортимент субстратов химических катализаторов значительно шире.

Силы, которые определяют специфичность взаимодействия между ферментом и его субстратом, являются такими же, которые определяют конформацию одного и того же белка (взаимодействия Ван-дер-Ваальса, электростатические, водородные и гидрофобные связи).

Ферментативная регуляция является точной

Наконец, ферменты обладают большей способностью регуляции, и их активность варьируется в зависимости от концентрации различных веществ в клетке..

Среди регуляторных механизмов мы находим аллостерический контроль, ковалентную модификацию ферментов и изменение количества синтезируемого фермента..

Катализатор (понятие и сущность):

Катализатор – это химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не расходующееся в процессе реакции, и действующее повторно (неоднократно).

Катализаторы – это вещества, которые ускоряют химические реакции, но не входят в состав их конечных продуктов.

Катализаторы – это вещества, ускоряющие скорость химической реакции, которые могут участвовать в реакции, входить в состав промежуточных продуктов, но не входят в состав конечных продуктов реакции и после окончания реакции остаются неизменными.

Термин катализатор (от греч. katalysis – «ослабление», «разрушение») впервые ввел в 1835 г. шведский химик И. Берцелиус, который установил, что в присутствии определенных веществ скорость некоторых химических реакций существенно возрастает.

Соответственно химические реакции, протекающие в присутствии катализаторов, именуются каталитическими реакциями. А процесс, заключающийся в изменении скорости химических реакций в присутствии веществ, называемых катализаторами, именуется катализом.

Различают положительный катализ и отрицательный катализ. Положительным называют катализ, при котором скорость реакции возрастает, отрицательным (ингибированием) – при котором она убывает.

Вещества, замедляющие химическую реакцию, именуются ингибиторами. Однако ингибиторы в отличие от катализаторов могут расходоваться в процессе химической реакции.

Все химические реакции в присутствии катализатора протекают быстрее, поскольку катализатор снижает энергию активации реакции.

В некоторых химических реакциях катализатор реагирует с одним или несколькими реагентами с образованием временного промежуточного продукта, который затем регенерирует исходный катализатор в циклическом процессе. Химическая реакция в таких случаях состоит из нескольких стадий:

X + K → XK,

Y + XK → XYK,

XYK → KZ,

KZ → K + Z,

где

X и Y – реагенты,

Z – конечный продукт химической реакции X и Y,

K – катализатор.

При этом общее уравнение реакции записывается как:

X + Y → Z.

В современном химическом производстве часто применяют каталитические системы из нескольких катализаторов, каждый из которых ускоряет разные стадии химической реакции. 

Катализатор также может увеличивать скорость одной из стадий каталитического цикла, осуществляемого другим катализатором. Здесь имеет место «катализ катализа», или катализ второго уровня.

В настоящее время многие важнейшие химические производства, такие, как получение серной кислоты, аммиака, азотной кислоты, синтетического каучука, ряда полимеров и др., проводятся в присутствии катализаторов. Согласно оценкам, для производства 90 % всех коммерчески производимых химических продуктов на той или иной стадии процесса их изготовления использовались катализаторы.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий