Характеристика отдельных классов ферментов

1. Оксидоредуктазы. В этот класс входят ферменты, которые катализируют окислительно-восстановительные реакции — дегидрогеназы, оксидазы, пероксидазы, каталазы. Например:

СН3- СОСООН + 2Н СН3- СНОНСООН гидролазы фермент питательный.

• 2. Трансферазы осуществляют реакции переноса разных радикалов, таких какNH2,-СН3, остатки фосфорной кислоты. В этот класс входят аминотрансферазы, фосфотрансферазы, метилтрансферазы и т. д.
• 3. Гидролазы катализируют реакции гидролиза. В этот класс входят пептидазы, амидазы, липазы. Например:
  • (NH2)2С=О + Н2О 2 NH3 + CО2

Мочевина Аммиак Углекислый газ.

4. Лиазы ускоряют реакции присоединения групп по двойным связям или реакции отщепления радикалов. К этой группе относится пируватдекарбоксилаза.

СН3- СОСООН СН3СHO + СО2.

Пировиноградная кислота Уксусный альдегид.

• 5. Изомеразы — ферменты, вызывающие изомерные превращения.
• 6. Лигазы — ферменты, катализирующие реакции синтеза.

Ферментативный катализ

Ферментативный катализ используется людьми тысячи лет, задолго до появления самого понятия «катализ». Получение молочно-кислых продуктов, сыра, приготовление теста, вина, красителей и др. продуктов включало применение ферментативных процессов. Технология этих процессов передавалась из поколения в поколение и была эмпирически отработана до совершенства. Считают, что в эволюции жизни и появлении сложных биологических систем (включая человека) важную роль сыграл ферментативный катализ.

Ферменты (энзимы) — биологические катализаторы обладают уникальными свойствами: высокой производительностью в расчете на один реакционный центр и селективностью, связанной со специфичностью действия. Работают ферменты в очень мягких условиях, при атмосферном давлении и температуре до 40о. В биологических системах отсутствуют неводные растворители и сильные кислоты и основания (рН? 7). Например фермент уреаза гидролизует только молекулы мочевины, не обращая внимания на другие амиды, и делает это гораздо эффективнее обычных кислотных катализаторов.

А. Некаталитическая реакция (в отсутствие фермента) В качестве примера рассмотрим реакцию типа, А + В > С + D. ВеществаA и В в растворе окружены оболочкой из молекул воды (гидратной оболочкой) и под действием теплового движения перемещаются случайным образом. Они могут вступать в реакцию друг с другом только в том случае, когда сталкиваются в благоприятной ориентации, что маловероятно и происходит редко. Для образования продуктов C + D комплексA—В, возникший в результате соударения молекул, должен образоватьпереходноесостояние, для чего требуется, как правило, значительная энергияактивации Ea. Поскольку получить эту энергию может только небольшая часть комплексов A—В, достижение переходного состояния — еще более редкий случай, чем возникновение комплекса. В растворе большая часть анергии активации расходуется на преодолениегидратныхоболочекмежду A и В, сближениереагентов и другиехимическиепроцессы, в которых эти реагенты участвуют. В результате в отсутствие катализатора образование продуктов происходит крайне редко и скорость реакции v незначительна, даже когда реакция термодинамически допустима, т. е. ДG < 0 .

Б. Ферментативная реакция Ферменты специфически связывают реагенты (свои субстраты) в активномцентре. При этом субстраты ориентируются таким образом, что приобретают оптимальное положение для образованияпереходного состояния (1−3). Сближениеи необходимаяориентацииреагентов значительно повышают вероятность образования продуктивного комплекса A—B. Кроме того, связывание субстрата в активном центре приводит к удалению гидратной оболочки субстрата. В результате удалениямолекулводыв активном центре фермента во время катализа создаются совершенно другие условия, чем в растворе (3−5). Еще одним важным фактором является стабилизацияпереходногосостояниявследствие взаимодействия между аминокислотными остатками белка и субстратом (4). Таким образом, переходное состояние в случае ферментативной реакции требует меньшей энергии активации. Кроме того, многие ферменты во время катализа переносят специфические группировки с субстрата или на субстрат. Особенно часто осуществляется перенос протонов. Этот ферментативныйкислотно-основнойкатализзначительно более эффективен, чем обмен протонов с кислотами и основаниями в растворе. Часто химические группировки ковалентно присоединяются к остаткам фермента. Это явление называют ковалентнымкатализом. Принципы ферментативного катализа разъяснены на примере лактатдегидрогеназы.

В. Основы ферментативного катализа Несмотря на то, что сегодня трудно количественно оценить вклад отдельных каталитических эффектов, решающим фактором считается стабилизацияпереходногосостоянияв активном центре фермента. При этом наиболее существенным моментом является прочное связывание не столько субстрата, сколько его переходного состояния. Данное положение подтверждается крайне высоким сродством многих ферментов по отношению к аналогам переходного состояния, что можно пояснить простой механической аналогией (на схеме справа): если хотят перекатить металлические шарики (реагенты) с места EA (состояние субстрата) в энергетически более высокое переходное состояние, а затем в EP (состояние продукта), нужно расположить магнит (катализатор) таким образом, чтобы сила притяжения действовала не на EA (а), а на переходное состояние 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.

По Л. Михаэлису и М. Ментен образование фермент-субстратного комплекса осуществляется в результате сравнительно быстрой обратимой стадии:

k1.

E + SES.

k-1.

Затем комплекс более медленно распадается с образованием продукта и высвобождением фермента:

k2.

ESE + P.

k-2.

Вторая стадия реакции является лимитирующей. Общая скорость реакции пропорциональна концентрации фермент-субстратного 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 [Eo ] - общая концентрация фермента, а ([Eo ] - [ES]) соответствует концентрации свободного фермента, а также что [S] >> [Eo ], можно получить выражение для [ES]:

[ES] = ([Eo ]• [S]/{ [S] + (k2 + k-1)/k1 }.

Отношение (k2 + k-1)/k1 называется константой Михаэлиса (КМ); с учетом этого концентрация фермент-субстратного комплекса и начальная скорость могут быть описаны уравнениями:

[ES] = [Eo ]• [S]/ (КМ+ [S]).

Ro = k2 [ES] = k2 [Eo ]• [S]/ (КМ+ [S]).

Последнее уравнение называют уравнением Михаэлиса-Ментен. Необходимо отметить, что величина КМсовпадает с термодинамической константой диссоциации фермент-субстратного комплекса только в случае квазиравновесия первой стадии и лимитирования процесса второй стадией. Во всех остальных случаях КМявляется сложным комплексом констант скорости стадий ферментативного процесса.