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.