Ферментативный катализ в биологических системах

Под полифункциональностью реакционного центра фермента понимают одновременное или согласованное воздействие функциональных групп, входящих в состав реакционного центра, на молекулу субстрата. При этом происходит не только фиксация

превращающейся молекулы в строго определенном положении , но и изменение характеристик самой молекулы: растягивание связей, изменение валентных углов. Эти изменения приводят к повышению реакционной способности субстратов, т.е., к их активации и ускорению их превращения.

Кинетика ферментативного  катализа имеет некоторые особенности.

Способность ферментов специфически связывать свои субстраты обусловливает важнейшую особенность катализируемых ими реакций: они начинаются с образования фермент субстратного комплекса. Связывание субстратов ограничивает их подвижность, сближает и ориентирует их относительно друг друга оптимальным образом для осуществления реакции;

уменьшение степеней свободы поступательного  и вращательного движения

приводит к снижению энтропии. Важным следствием сближения и взаимной ориентации

реагирующих групп субстратов, с  одной стороны, и функциональных групп фермента, с другой, является то, что катализ становится внутримолекулярным. Это существенно увеличивает его эффективность, так как продуктивные столкновения между молекулами в растворе относительно редки.

Вторая стадия реакции является лимитирующей. Общая скорость реакции пропорциональна концентрации ферментсубстратного комплекса. В начальный период реакции концентрация продукта пренебрежимо мала, и вторую стадию можно считать необратимой. В таком случае начальная скорость ферментативной реакции выражается уравнением:

Ro = k2[ES]

Приняв, что [ E o ] – общая концентрация фермента, а ([ E o ] [ES ]) соответствует концентрации свободного фермента, а также что [ S ] >> [ E o ], можно получить выражение для [ ES ]:

[ ES ] = ([ E o ]∙'95 [ S ]/ [ S ] + ( k 2 + k -1 )/ k 1

Отношение ( k 2 + k -1 )/ k 1 называется константой Михаэлиса ( К М ); с учетом этого концентрация ферментсубстратного комплекса и

начальная скорость могут быть описаны уравнениями:

[ES] = [E o ]∙'95 [S]/ ( К М + [S])

R o = k 2 [ES] = k 2 [E o ]∙'95 [S]/ ( К М + [S])

Последнее уравнение называют уравнением МихаэлисаМентен. Необходимо

отметить, что величина К М совпадает с термодинамической константой

диссоциации ферментсубстратного комплекса только в случае квазиравновесия первой стадии и лимитирования процесса второй стадией.

Во всех остальных случаях К М является сложным комплексом констант скорости стадий ферментативного процесса.

Рассмотрим механизм функционирования ферментативного катализатора на

примере гидролитического фермента химотрипсина.

Химотрипсин – фермент поджелудочной  железы, функция которого в организме заключается в расщеплении белков пищи, т.е. пептидной связи.

Кроме этого химотрипсин может  катализировать гидролиз сложных эфиров и

некоторые другие реакции. Брутто формула  химотрипсина, включающего 241

остаток аминокислот, не несет информации о строении:

С 1105 H 1732 O 344 N 300 S 12 , также как перечисление количества аминокислотных

остатков: аланин 22, аргинин 3, аспарагиновая кислота 8, аспарагин 14,

глутаминовая кислота 3, глютамин 10, глицин 24, гистидин 2, изолейцин 10,

лейцин 19, лизин 14, метионин 2, полуцистин 10, пролин 9, серин 28, треонин

22, триптофан 8, тирозин 4, валин 23, фенилаланин 6 . Перечисленные аминокислотные остатки соединены в полипептидную цепь в определенной последовательности (первичная структура). Отдельные части полипептидной цепи за счет образования дополнительных связей скручиваются в б -спирали, в -тяжи и петли (вторичная структура).

Перечисленные элементы вторичной  структуры за счетдополнительных взаимодействий сворачиваются в два домена, в месте соприкосновения которых возникает активный центр фермента, включающий остаток серина( HO2C-CH(NH2)CH2OH), аспарагиновой кислоты (HO2CCH(NH2)CH2CO2H), гистидина .

Механизм реакции гидролиза  сложного эфира. При подходе субстрата к активному центру фермента неполярная гидрофобная часть субстрата взаимодействует с гидрофобной частью активного центра, протон от серина переходит на азот гистидина, а протон от второго азота гистидина смещается к аниону остатка аспарагиновой кислоты.

Образовавшийся из гидроксильной  группы серина сильный нуклеофил –О атакует электрофильный углерод субстрата, в то время как нуклеофильная часть субстрата взаимодействует с протоном, связанным с гистидином. В результате этих взаимодействий образуется ферментсубстратный комплекс.

На следующей стадии рвется связь  СХ в субстрате, уходит молекула НХ, а ее место в активном центре занимает молекула воды. Протон от остатка аспарагиновой кислоты возвращается к второму азоту гистидина. Затем рвется предварительно активированная связь ОН в молекуле воды (протон связывается с первым азотом гистидина, а гидроксил – с углеродом бывшего субстрата). Протон от второго азота гистидина опять возвращается к остатку аспарагиновой кислоты. И наконец выделяется кислота, место которой занимает новый субстрат или активный центр возвращается в исходное состояние.

Заключение:

Ферментативный катализ- основа мн. современных хим. технологий, в частности крупномасштабных процессов получения глюкозы и фруктозы, антибиотиков, аминокислот, витаминов и регуляторов, а также тонкого орг. синтеза. Разработаны методы, позволяющие проводить ферментативные реакции в орг. растворителях, обращенных мицеллах . С ферментативным катализом связаны перспективы развития иммуноферментного и биолюминесцентного анализа, применения биосенсоров. Созданы методы, позволившие придать каталитическую активность антителам, обнаружена каталитическая активность у рибонуклеиновой кислоты.

Список использованный литературы:

Химия: Учебник для вузов.   Никольский А.Б., Суворов А.В. 

Н.А. Глинка Общая химия