316 :: 317 :: 318 :: 319 :: 320 :: 321 :: 322 :: 323 :: 324 :: Содержание

Механизм действия ферментов

При ферментативном катализе проявляются белковая природа ферментов, их термолабильность, влияние рН среды, специфичность действия, высокая каталитическая способность, чувствительность к активаторам и ингибиторам. Ферментативная реакция протекает согласно закону действия масс.

Ферменты и энергия активации. Ферменты - это биологические катализаторы. Они влияют на скорость реакций в двух направлениях: ускоряют расщепление или синтез определенных веществ. Увеличение скорости реакции происходит вследствие изменения энергии активации молекул субстратов. Энергия активации E характеризует энергетический барьер, который необходимо преодолеть, чтобы привести реагирующие вещества в активное состояние. Он обусловлен силами межмолекулярного сцепления или межмолекулярного отталкивания реагирующих веществ. Скорость реакции можно увеличить, если увеличить число активируемых молекул или уменьшить высоту энергетического барьера.

Молекулы субстратов можно привести в активное состояние различными приемами. Одним из них является нагревание, при котором в растворах возрастают скорость движения молекул и возможность их соприкосновения. При наличии катализатора снижаются энергетический барьер и энергия активации (цвет. табл. IV). Так, для расщепления сахарозы на глюкозу и фруктозу под влиянием серной кислоты E = 134 400 Дж/моль, а при участии инвертазы - 40 420 Дж/моль. Для гидролиза казеина соляной

316

кислотой E = 109 200 Дж/моль, пепсином - 50 400 Дж/моль. Энергия активации разложения пероксида водорода (рис. 40) без катализатора равна 75 600 Дж/моль (E1), с участием коллоидной платины - 49 140 (E2), каталазы печени - 23 100 Дж/моль (E3).

Теория ферментативного катализа . Процессы катализа наиболее полно объясняет теория Михаэлиса - Ментена. Согласно этой теории имеется четыре этапа.

I э т а п. Между субстратом (S) и ферментом (E), возникает связь - образуется фермент-субстратный комплекс ES, в котором компоненты связаны между собой ковалентной, ионной, водородной и другими связями.

I I э т а п. Субстрат под влиянием присоединенного фермента активируется, становясь доступным для соответствующих реакций катализа ES.

I I I э т а п. Осуществляется катализ ES*.

I V э т а п. Освобождаются молекула фермента E и продукты реакции P.

Последовательность превращений отражает следующая схема:

Теория ферментативного катализа подтверждена экспериментально. Так, из хрена выделен фермент, расщепляющий пероксид водорода - пероксидаза коричневого цвета. После соединения фермента E с субстратом H2O2 (S) возникает фермент-субстратный комплекс ES зеленого цвета. Через некоторое время субстрат активируется, образуя фермент-активированный субстрат ES* красноватого цвета. Он расщепляется на коричневый фермент E и продукты распада P.

Активный центр фермента. Частицы фермента

Рис. 40. Снижение энергии активации с помощью катализатора

(по Э. Гофману) 317

обладают большим запасом свободной энергии и могут адсорбировать на поверхности молекулы или части молекул субстратов, размеры которых в большинстве случаев во много раз меньше, чем размеры молекулы фермента. При взаимодействии фермента и субстрата изменяется конфигурация его частицы - возникают своеобразные углубления, в которых и образовывается фермент-субстратный комплекс. Эту часть молекулы фермента принято называть субстратсвязывающим участком. В молекуле фермента выделяется участок, осуществляющий катализ, - активный центр. Часть молекулы фермента, которая связывает низкомолекулярные метаболиты или эффекторы, изменяющие ее третичную структуру и ингибирующие активность фермента, называют аллостерическим центром. Большинство ферментов имеет один, некоторые - два и больше активных центров. Субстратсвязывающий и активный центры часто территориально совпадают. Молекулы трипсина и карбоксипептидазы имеют по одному активному центру, глицеральдегидфосфатдегидрогеназы - 2, уреазы - 3-4, холинэстеразы - 20-100.

Активный центр содержит группировки, которые осуществляют тесное взаимодействие между частицами субстрата и фермента. Они способны снижать энергию активации, образуя вначале комплекс ES, затем ES* и, наконец, E и P. У простых ферментов в образовании активного центра участвуют белковые

319

при взаимодействии АХЭ с медиатором нервного возбуждения ацетилхолином (AX) возникает комплекс фермент - AX (рис. 42, Б). На II этапе комплекс активируется в результате взаимодействия остатков серина и тирозина активного центра и молекулы AX (рис. 42, В). Энергетический барьер снижается (возникает ES*). На III этапе под влиянием радикала гистидина оттягивается протон от гидроксила тирозина, формируется сложноэфирная связь между остатком серина и ацетильной группой AX, разрывается связь между остатком уксусной кислоты и остатком холина (рис. 42, Л. На IV этапе происходит гидролиз ЕS*-комплекса. Восстанавливается активный центр АХЭ, выделяются холин и уксусная кислота. Гидролиз AX протекает с огромной скоростью. Так, порция AX 1-2 мкг разрушается за 0, 1-0, 2 мс.

Кинетика ферментативных реакций. Каждая химическая реакция протекает с определенной скоростью. Биологическое назначение ферментов состоит в направленном повышении скорости химических реакций. Эти процессы изучает ферментативная кинетика.

Ферментативная кинетика - раздел химической кинетики, изучающий зависимость скоростей ферментативных реакций от химической природы реагирующих веществ (субстратов, ферментов) и условий их взаимодействия (концентрации компонентов, рН, состава среды, температуры, действия активаторов или ингибиторов и др.). Ее положения позволяют давать оценку ферментативным процессам и направленно влиять на их течение. Остановимся на основных.

Различают несколько типов ферментативных реакций: необратимые реакции с одним субстратом, обратимые реакции с одним субстратом, необратимые реакции с двумя субстратами и т. д. Наиболее распространены необратимые реакции с одним субстратом.

В последнем случае фермент E вначале реагирует с субстратом S, что приводит к образованию фермент-субстратного комплекса ES (во многих реакциях -двух и более комплексов). Фермент-субстратный комплекс характеризуется константой скорости реакции его образования k+1 и константой скорости реакции распада k-1:

320

Фермент-субстратному комплексу свойственна субстратная константа, или константа диссоциации Ks:

Величина субстратной константы зависит от природы субстрата и фермента. При одинаковых исходных концентрациях фермента и субстрата концентрация комплекса [ES] будет тем больше, чем меньше величина Кs:

Субстратная константа определяет степень сродства фермента и субстрата. Так, для инвертазы Ks = 0,0167. Здесь концентрация ферментсубстратного комплекса превышает концентрацию свободных фермента и субстрата примерно в 60 раз.

Во второй фазе ферментативного катализа фермент-субстратный комплекс распадается на фермент E и продукт реакции P.

Обе фазы ферментативного катализа объединены в систему, типичную для необратимых реакций с одним субстратом:

В системе k+2 обозначает константу скорости распада ферментсубстратного комплекса на фермент и продукт реакции P.

Для полной характеристики ферментативного процесса используется константа Михаэлиса Km. Она выражает отношение констант трех реакций, показанных в системе

321

Числовое выражение Кm всегда несколько больше, чем Ks. Так, значение Ks для фермент-субстратного комплекса сахараза - сахароза равно 0,0167, а величина Кт - 0,0280 моль/л. Кт для различных ферментов неодинакова.

Скорость ферментативных реакций выражают в каталах (кат). Катал - каталитическая активность фермента, способная осуществлять реакцию со скоростью, равной 1 моль/с в заданной системе измерения активности. Часто применяются производные катала -микрокатали (мкат), нанокатали (нкат) или пикокатали (пкат), чему соответствуют скорости реакций, выражаемые в микромолях, наномолях и пикомолях в секунду.

Скорость ферментативной реакции определяется условиями ее протекания. Так, при оптимальных условиях (полное насыщение фермента субстратом, нужный рН, температура 25 или 37° С) она будет максимальная, или начальная, и обозначается символом V. Такая скорость характеризуется константой

скорости распада фермент-субстратного комплекса и концентрацией фермента:

Для ферментативной реакции, которая протекает при недостаточном насыщении фермента субстратом, характерна наблюдаемая скорость ν. Она определяется произведением константы скорости распада ферментсубстратного комплекса с образованием продукта реакции P и концентрации фермент-субстратного комплекса:

Если учесть, что

322

Таким образом, скорость ферментативной реакции прямо пропорциональна константе скорости распада фермент-субстратного комплекса с образованием продукта реакции, концентрациям фермента, субстрата и обратно пропорциональна субстратной константе.

Для стационарной стадии реакции концентрация [ES] постоянна. Если [S] > [E], то

Применяя константу Михаэлиса, можно упростить уравнение:

Наблюдаемую скорость реакции можно выразить уравнением

При увеличении концентрации субстрата [S], когда [S] > Km:

Здесь скорость ферментативной реакции стремится к максимальной. Скорость реакции можно охарактеризовать уравнением Михаэлиса - Ментена:

Из уравнения вытекает, что при незначительной концентрации субстрата скорость ферментативной реакции линейно зависит от [S], а при очень высокой концентрации субстрата она стремится к максимальной скорости Vm и уже не изменяется с увеличением [S]. Уравнение также показывает, что при сохранении

323

уровня [S] > [E] скорость реакции пропорциональна концентрации фермента E.

324

316 :: 317 :: 318 :: 319 :: 320 :: 321 :: 322 :: 323 :: 324 :: Содержание

Биохимия животных. Учебник для вузов По спец. "Зоотехния", "Ветеринария". Алексей Иванович Кононский. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.:

Колос, 1992. 522c.

ОГЛАВЛЕНИЕ

3 :: 4 :: Содержание

ПРИНЯТЫЕ В КНИГЕ СОКРАЩЕНИЯ1

АДФ - аденозиндифосфорная кислота АКТГ - адренокортикотропный гормон АМФ - аденозинмонофосфорная кислота АТФ - аденозинтрифосфорная кислота АТФ-аза - ацетилхолинэстераза АХЭ - ацетилхолинэстераза ГДФ - гуанозиндифосфорная кислота

ГМФ - гуанозинмонофосфорная кислота ГТФ - гуанозинтрифосфорная кислота Г-1-Ф - глюкозо-1-фосфат Г-6-Ф - глюкозо-6-фосфат Г-1,6-Ф -глюкозо-1,6-дифосфат

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота ДНК-аза - дезоксирибонуклеаза ИДФ - инозиндифосфорная кислота

ИМФ - инозинмонофосфорная кислота иРНК - информационная РНК ИТФ - инозинтрифосфорная кислота ИЭТ - изоэлектрическая точка КАГ - карбоангидраза КоА - кофермент, или коэнзим, А

КрФ - креатинфосфат, или фосфаген ЛГ - лактогенный гормон

ЛДГ - лактатдегидрогеназа МАО - моноаминооксидаза МДГ - малатдегидрогеназа

НАД - никотинамидадениндинуклеотид НАДФ - никотинамидаденин-динуклеотидфосфат РНК - рибонуклеиновая кислота РНК-аза - рибонуклеаза рРНК - рибосомальная РНК

РЭС - ретикулоэндотелиальная система Р-1-Ф - рибозо-1-фосфат Р-6-Ф - рибозо-6-фосфат

3

СДГ - сукцинатдегидрогеназа ТДФ - тимидиндифосфорная кислота

ТМФ - тимидинмонофосфорная кислота ТТФ - тимидинтрифосфорная кислота УДФ - уридиндифосфорная кислота УМФ - уридинмонофосфорная кислота УТФ - уридинтрифосфорная кислота УХ - убихинон ФАД - флавинадениндинуклеотид

ФМН - флавинмононуклеотид ФПК - фосфопировиноградная кислота Ф-1,6-Ф - фруктозо-1,6-дифосфат Ф-6-Ф - Фруктозо-6-фосфат

ФФ - флавиновые ферменты ХСК - хондроитинсерная кислота

цАМФ - циклический аденозинмонофосфат ЦДФ - цитидиндифосфорная кислота ЦМФ - цитидинмонофосфорная кислота ЦНС - центральная нервная система ЦТК - цикл трикарбоновых кислот ЦТФ - цитидинтрифосфорная кислота ЦХО - цитохромоксидаза

4

1Приведены наиболее часто встречающиеся сокращения.

3 :: 4 :: Содержание

5 :: 6 :: Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Биохимия занимает особое место в системе биологического, врачебного и зооинженерного образования. Она принадлежит к наукам, которые обеспечивают формирование научного мировоззрения у будущего высококвалифицированного специалиста сельского хозяйства, работающего в области животноводства и ветеринарии. Изучив биохимию, студент познает химический состав животного организма и закономерности химических процессов, обеспечивающих существование живой материи. Эти сведения в итоге имеют прикладное значение, так как с их помощью специалисты могут управлять процессами повышения продуктивности и качеством животноводческой продукции.

Биохимия со времени оформления в самостоятельную науку бурно развивается. За последние десятилетия из нее выделились в отдельные отрасли молекулярная генетика, генная инженерия и биотехнология. На стыке биохимии и органической химии возникла биоорганическая химия, биохимии и экологии - биохимическая экология. За период, прошедший после выхода предыдущего издания "Биохимии животных" (1984 г.), буквально по всем разделам биохимии накоплен огромный фактический материал. Учитывая это, все главы нового издания учебника обновлены и дополнены достижениями отечественной и зарубежной биохимии за последнее время. Это должно помочь будущему специалисту в области животноводства и ветеринарии более глубоко познать основы обмена веществ организма животных и направленно (с помощью кормовых и лекарственных средств) влиять на его реакции с целью укрепления здоровья и повышения уровня продуктивности животных, а врачу-клиницисту на научной основе осуществлять профилактические мероприятия, ставить диагноз, расшифровывать отдельные стороны патогенеза и успешно осуществлять лечение различных незаразных, инфекционных и инвазионных болезней.

5

Композиция учебника отличается от традиционной. В частности, материалы по биохимической статике и динамике отдельных веществ излагаются в одних и тех же главах. При освещении вопросов биохимической динамики отдельных соединений последовательно рассматриваются основные этапы обмена веществ - пищеварение, всасывание, промежуточный обмен и выделение конечных продуктов обмена. Для самопроверки усвоения материала в конце каждой главы приводятся контрольные вопросы.

6

5 :: 6 :: Содержание