4 Основные понятия биокатализа и биотрансформации
Известно, что биокатализ и биотрансформация являются процес- сами химического превращения одного или более веществ, протекаю- щими под действием катализаторов - ферментов, применяемых в очи- щенном виде или в составе клеток микроорганизмов, либо изолирован- ных животных или растительных клеток. При этом биотрансформация
— это относительно неглубокое химическое превращение уже в основ- ном сформированного химического соединения под влиянием фермен- тов. При биокатализе же возможен синтез нового вещества из различ- ных по структуре реагентов или разложение сложного вещества под действием ферментов. Объединяет их, прежде всего использование специфических катализаторов — молекул фермента, имеющих белко- вую природу. Ферменты также называют энзимами. Наука, изучающая ферменты и ферментативные реакции, называется энзимологией.
В клетках микроорганизмов одновременно протекает множество биохимических реакций. Ферменты, ускоряющие биохимические реак- ции, имеют высокую каталитическую активность, то есть эффективно снижают энергию активации, необходимую для осуществления реак- ции, благодаря тому, что способствуют образованию промежуточных продуктов, требующих меньшей энергии.
Ферменты вырабатываются клеткой в соответствии с ее потреб- ностями, их содержание может колебаться в значительной степени. Ферменты имеют высокую специфичность, а их активность зависит от различных факторов (температуры, рН, состава питательной среды, наличия токсичных веществ).
Природа фермента оказывает решающее влияние на кинетику ферментативных реакций.
В общем случае, механизм действия фермента может быть выражен следующими структурными схемами:
для одного субстрата S
S + Е ↔ES→ P+E;
53
для двух субстратов S1 и S2
S1 + S2 + Е ↔E S1 S2→ P+E
В обоих случаях реакции превращения субстрата (S) в продукт
(P) протекают через промежуточную стадию взаимодействия энзима
(E) с субстратом (S) и образования фермент-субстратных комплексов
(ES).
Молекула фермента — очень длинный закрученный белок, к тому же свернутый в виде пространственного упругого клубка причудливой формы (рис. 17).
Рисунок 17 - Пространственная конформация молекулы фермента
Спутанность и беспорядок белка не случайны — они строго обу- словлены чередованием аминокислот в молекуле фермента. В этой структуре есть участки, куда легко притягивается определенная форма молекулы субстрата.
Доказано, что скорость реакции на ферменте в 10 млрд. раз боль- ше, чем без него. Вот почему ферменты запросто осуществляют мно- гие процессы, которые кажутся нереальными без них, например взаи- модействие атмосферного азота с водой, с образованием аммонийных соединений.
Специфичность действия ферментов
Ферменты имеют разную специфичность и по отношению к суб-
стратам. По степени специфичности ферменты делятся на следующие основные виды, упоминаемые в порядке снижения специфичности.
1. Стериометрическая субстратная специфичность – фер- мент катализирует превращение только одного из возможных стерео- изомеров субстрата. Это крайний случай специфичности. Например,
фумаратгидратаза катализирует превращение только фумаровой ки-
слоты (присоединение к ней молекулы воды), но не её стереоизомера –
малеиновой кислоты.
54
2. Абсолютная субстратная специфичность – фермент ка- тализирует превращение только одного субстрата. Например, уреаза катализирует превращение только мочевины.
3. Абсолютная групповая субстратная специфичность – фермент катализирует превращение исходной группы субстратов. Например, алкогольдегидрогеназа катализирует превращение не толь- ко этанола, но и других алифатических спиртов, хотя и с разной скоро- стью.
4. Относительная групповая субстратная специфичность
– фермент специфически действует не на группу молекул субстрата, а на отдельные связи определенной группы субстратов. Например, пи- щеварительные ферменты – пепсин, трипсин – специфичны по отно- шению к пептидным связям, образованным определенными аминокис- лотами в различных белках.
5. Относительная субстратная специфичность – фермент катализирует превращение субстратов, принадлежащих к разным группам химических соединений. Например, фермент цитохром Р450 участвует в гидроксилировании разных соединений (около 7000 на- именований). Это наименее специфичная ферментная система, участ- вующая в превращении природных веществ, лекарств и ядов.
Чем же объясняется специфичность действия ферментов? На этот счет существует две точки зрения. Одна из них – гипотеза Э. Фи- шера, или, как её называют “ключа в замке”, или “шаблона”, что в основе специфичности лежит строгое стерическое соответствие суб- страта и активного центра фермента. По Фишеру, фермент является жесткой структурой, активный центр которого представляет собой слепок субстрата. Если субстрат подходит к активному центру, как ключ к замку, то реакция произойдет. Если же субстрат (“ключ”) не- сколько изменен, то он не соответствует активному центру (“замку”), и реакция становится невозможной. Гипотеза Фишера привлекает своей простотой в объяснении специфичности действия ферментов. Однако с позиции гипотезы “шаблона” трудно объяснимы, скажем, абсолютная
и относительная групповая субстратная специфичность, поскольку слишком разнообразная конфигурация “ключей” (субстратов), которые подходят к одному и тому же “замку”.
Объясняет эти внешние противоречия другая гипотеза, пред- ложенная Кошлендом. Она получила название “вынужденного со- ответствия”. По мнению Кошленда, молекула фермента не жесткая,
а гибкая, эластичная (что подтверждается современными методами ис-
следования); конформация фермента и его активного центра изменя-
55
ется при присоединении субстрата или других лигандов; и, наконец, активный центр – не жесткий слепок субстрата, а субстрат вынуждает его принять соответствующую форму в момент присоединения (отсю- да и название гипотезы “вынужденного соответствия”).
Иными словами, “замочная скважина”, по Кошленду, сделана из податливого материала и поэтому принимает окончательную форму
“ключа” при их контакте. Эта гипотеза также позволяет объяснить, по-
чему происходит превращение близких аналогов субстратов. Если
“ложный” субстрат (квазисубстрат) слабо отличается от природного, и активный центр принимает конформацию, близкую к истинной, то рас- становка каталитических групп в таком фермент-субстратном ком-
плексе позволит осуществиться реакции. Этот “обман” фермент как бы
не замечает. Однако ферментативная реакция пойдет не так быстро, как с истинным субстратом, поскольку нет идеального расположения каталитических групп в активном центре фермента. Только в том слу- чае, если конфигурация квазисубстрата не позволяет правильно раз- меститься каталитическим группам, то реакция не пойдет. Очевидно, неодинаковая степень специфичности разных ферментов отражает как бы диапазон конформационных перестроек активного центра. Если он ограничен вплоть до естественно возможной конформации, то фермент высоко специфичен. Если возможности перестройки велики, то фер- мент срабатывает и на квазисубстраты.