Какую роль в истории человеческой цивилизации сыграл ферментативный катализ?

20 ответов на вопрос “Какую роль в истории человеческой цивилизации сыграл ферментативный катализ?”

Fozan 24-01-2020 Ответить

Ферментативный катализ
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 (табл.).
Таблица
Реакция и субстрат
Катализатор
Константа ско-рости второго по-рядка, моль-1•с-1
Температура, оС
Гидролиз сложных эфиров
Этилбензоат
Этиловый эфир N-бензоил-L-тирозина
Н3О+
Химотрипсин
9,0•10-5
1,9•104
54
25
Гидролиз аденозин-трифосфата (АТФ )
Н3О+
Миозин
4,7•10-6
8,2•106
40
25
Гидролиз амидов
Бензамид
Амид N-бензоил-
L-тирозина
Мочевина
Н3О+
Химотрипсин
Н3О+
Уреаза
2,4•10-6
14,9
7,4•10-6
5,0•106
52
25
62
21
Международные правила номенклатуры ферментов в зависимости от выполняемых ими функций выделяют шесть основных классов с соответствующими подклассами внутри каждого класса (табл.).
Таблица
Класс. Функция
Подклассы
Класс, функция
Подклассы
1. Оксидоредукта-зы
Катализируют окисли-тельно-восстанови-тельные превращения функциональных групп (см. подклассы)
СН-ОН
С=О
СН-СН
СН-NH2
CH-NH
НАД(Ф)Н
2. Транс-феразы
Переносят сле-дующие груп-пы (см. под-классы)
одноуглеродные остатки
остатки альде-гидов и кетонов
ацильные ос-татки
гликозильные остатки
алкильные (кроме СН3) и арильные группы
азотистые группы
фосфорсодержа-щие группы
3. Гидролазы
Гидролизуют соедине-ния следующих класс-сов (см. подклассы)
сложные эфиры
гликозид-ные соеди-нения
простые эфиры и тиоэфиры
пептидные связи
связи C-N, кроме пеп-тидной
4. Лиазы
Отщепляют группы с обра-зованием двой-ной связи и присоединяют группы к двой-ным связям (см. подкласс-сы)
С – С
С – О
С – N
C – S
C – Hal
5. Изомеразы
Проводят реакции изо-меризации различного типа (см. подклассы)
рацемазы и эпимеразы
цис-транс-изомеразы
внутримо-лекулярные оксидоре-дуктазы
внутримо-лекулярные трансфера-зы
внутримо-лекулярные лиазы
6. Лигазы (синтетазы)
Одновременно с расщеплени-ем АТФ обра-зуют связи (см. подклассы)
С – О
С – S
C – N
C – C
Приведенная таблица может помочь ориентироваться во множестве уже известных ферментов их названий.
Ферментом может быть глобулярный белок, в активном центре которого собраны функциональные группы, входящие в состав аминокислотных остатков этого белка. В других случаях в состав активного центра входит прочно связанная с белковой цепью простетическая группа (например, липоевая кислота) или слабо связанный кофермент (например, АТФ). Фермент в целом называют холоферментом, а то, что остается после удаления кофермента, – апоферментом.
В соответствии с требованиями, предъявляемыми при подборе катализаторов-фементов, их подразделяют на следующие группы:
1. Ферменты без коферментов – простые гидролазы, лиазы и изомеразы.
2. Ферменты, которые не требуют наличия кофермента (содержат прочно связанную простетическую группу, например, флавиновую или пиридоксальную) – трансаминазы, пероксидазы и т. п.
3. Ферменты, которые требуют регенерации кофермента, обычно АТФ или НАД(Ф)Н – например, киназы, большинство оксидоредуктаз.
4. Ферменты, которые встречаются в многоферментных системах.
Ферменты первой группы используются пока шире, часто и в промышленном масштабе (синтез L-аминокислот, 6-аминопеницилиновой кислоты, изомеризация глюкозы во фруктозу и т. д.). Остальные группы ферментов требуют создания особых условий и до сих пор находят применение только в лабораторных синтезах.
Что такое ферменты и за счет каких факторов они работают так эффективно?
Объяснение состоит в том, что фермент обладает способностью формировать так называемый активный центр и создавать в нем специфическое окружение, в котором протекание катализируемой реакции происходит несоизмеримо быстрее, чем в растворе.
В активном центре происходит специфическое связывание субстрата. Например, сбраживание глюкозы в спирт дрожжами требует участия более 12 ферментов, каждый из которых выполняет свою функцию. Это возможно только благо даря высокой специфичности.
Различают абсолютную специфичность – специфичность по отношению к одному конкретному субстрату (уреаза – мочевина; галактокиназа переносит фосфат от АТФ только на Д-галактозу, но не на ее стерео изомеры Д-глюкозу и Д-маннозу );
абсолютную групповую специфичность – специфичность к определенному классу субстратов (спирты, альдегиды, простые или сложные эфиры). Так, протеолитический фермент пепсин специфичен в отношении гидролиза пептидной связи. Алкогольдегидраза окисляет только спирты, а лактикодегидраза – только ?-оксикислоты;
относительная групповая специфичность – фермент действует предпочтительно на один класс соединений, но может в некоторой степени действовать и на представителей других классов, превращая их с меньшими скоростями, чем представителей основного класса. Трипсин способен расщеплять как пептидные, так и сложноэфирные связи.
Оптическая специфичность – общее свойство большей части ферментов взаимодействовать с веществами, имеющими определенную оптическую активность.
Основу ферментов составляют белки, поэтому можно сказать, что ферменты – это белки, способные катализировать химические реакции. Открыты ферменты были в 30-е годы 19-го века, и примерно сто лет ушло на то, чтобы прийти к приведенному определению. Не всякий белок может быть ферментом. По внешней форме белки бывают линейные (фибриллярные) и глобулярные. Только глобулярные белки могут быть ферментами. Белки – это полипептиды, т.е. полимеры, состоящие из аминокислотных остатков, соединенных пептидной связью. Ниже показана реакция образования дипептида. Все природные белки построены из примерно 20 различных аминокислотных
NH2-CH-COOH + H2N-CH-COOH > NH2-CH-CO-HN-CH-COOH + H2O
X1 X2 X1 X2
остатков, отличающихся строением группы Х. Каталитические свойства могут проявлять полипептиды (белки), имеющие молярную массу не менее 5000.
Строение белков имеет три разных уровня.
Первичная структура определяется последовательностью аминокислотных остатков, образующих полипептидную цепь.
Вторичную структуру белка определяют дополнительные связи, возникающие между группами, принадлежащими различным аминокислотным остаткам, находящимся в разных частях полипептидной цепи. К числу таких связей относятся водородные, электростатические, координационные, гидрофобно-гидрофобные и Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. В результате образования дополнительных связей отдельные участки полипептидной цепи образуют ?-спирали, петли и ?-тяжи.
Третичная структура белка формируется в результате сворачивания отдельных участков полипептидной цепи в относительно автономные глобулярные образования, называемые доменами. Окончательное формирование третичной структуры происходит благодаря специфическим взаимодействиям, возникающим между отдельными доменами, каждый из которых сворачивается самостоятельно. Длинные полипептидные цепи обычно формируют несколько доменов, величина которых значительно варьирует, составляя в среднем 150 аминокислотных остатков. Взаимодействия между доменами приводят к образованию глобулы.
Домены характеризуются тем, что число взаимодействий между аминокислотными остатками в составе домена значительно превышает таковое между соседними доменами. Благодаря этому междоменные области оказываются сравнительно легко доступными для растворителя и содержат полости объемом 20-30 кубических ангстрем, включающие несколько молекул воды. «Архитектурные принципы» построения отдельных доменов различны, что можетбыть связано с выполнением ими разных функций.
Активные центры мультидоменных (в большинстве случаев – двухдоменных) ферментов, как правило, располагаются в междоменной области. Таким образом, каждый из доменов вносит свой вклад в связывание участников реакции.
Важным следствием расположения активного центра на границе между доменами является обеспечение гибкости, подвижности данной области молекулы благодаря тому, что в ходе конформационных изменений, вызываемых связыванием субстратов, домены претерпевают взаимное перемещение.
Между размером молекулы биологического катализатора (т. е. длиной его полипептидной цепи) и сложностью выполняемой им функции существует прямая зависимость. Усложнение функциональных свойств достигается как за счет формирования активного центра на границе раздела между двумя каталитическими доменами, так и за счет появления дополнительных доменов, ответственных за регуляцию активности. Такие ферменты, как лизоцим и гликогенфосфорилаза, резко различаются по размерам (129 аминокислотных остатков в первом и 842 – во втором), хотя оба катализируют реакции расщепления гликозидной связи. Функциональный смысл «утяжеления» молекулы гликогенфосфорилазы состоит в придании ей дополнительной способности координировать работу активного центра в соответствии с сигналами, поступающими из внешней среды (изменение концентраций метаболитов, нервные и гормональные сигналы).
К факторам, определяющим высокую эффективность ферментов, относят:
1. Концентрационный эффект.
2. Ориентационный эффект.
3. Полифункциональность реакционного центра.
Сущность концентрационного эффекта в случае ферментов ничем не отличается от концентрационного эффекта в гетерогенном катализе. Фермент в своем реакционном центре создает локальную концентрацию субстрата, которая существенно выше, чем средняя концентрация в растворе. В реакционном центре фермента селективно концентрируются молекулы, которые должны прореагировать между собой. Такой эффект может приводить к ускорению реакции на несколько порядков.
При протекании обычных химических реакций важно, какими частями происходит столкновение реагирующих молекул. То есть, молекулы при столкновении должны быть соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. В реакционном центре фермента при координации молекулы субстрата и образовании фермент-субстратного комплекса происходит четкая ориентация реагирующих молекул за счет взаимодействия с функциональными группами реакционного центра. Это приводит к ускорению реакций примерно на три порядка.
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 (см. предыдущий пункт), 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.
По Л. Михаэлису и М. Ментен образование фермент-субстратного комплекса осуществляется в результате сравнительно быстрой обратимой стадии:
k1
E + S ES
k-1
Затем комплекс более медленно распадается с образованием продукта и высвобождением фермента:
k2
ES E + 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 концент-
рация фермент-субстратного комплекса и начальная скорость могут быть описаны уравне-ниями:
[ES] = [Eo]• [S]/ (КМ + [S])
Ro = k2[ES] = k2[Eo]• [S]/ (КМ + [S])
Последнее уравнение называют уравнением Михаэлиса-Ментен. Необходимо отметить, что величина КМ совпадает с термодинамической константой диссоциации фермент-субстратного комплекса только в случае квазиравновесия первой стадии и лимитирования процесса второй стадией. Во всех остальных случаях КМ 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: С1105H1732O344N300S12, также как перечисление количества аминокислотных остатков: аланин22 аргинин3 аспарагиновая кислота8 аспарагин14 глутаминовая кислота3 глутамин10 глицин24 гистидин2 изолейцин10 лейцин19 лизин14 метионин2 полуцистин10 пролин9 серин28 треонин22 триптофан8 тирозин4 валин23 фенилаланин6. Перечисленные аминокислотные остатки соединены в полипептидную цепь в определенной последовательности (первичная структура). Отдельные части полипептидной цепи за счет образования дополнительных связей (см.выше) скручиваются в ?-спирали, ?-тяжи и петли (вторичная структура). Перечисленные элементы вторичной структуры за счет дополнительных взаимодействий сворачиваются в два домена, в месте соприкосновения которых возникает активный центр фермента, включающий остаток серина (Х – -СН2ОН ), аспарагиновой кислоты ( Х – -СН2СОО-), гистидина.
Механизм реакции гидролиза сложного эфира показан на схеме. 2. 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 фермент-субстратный комплекс. На следующей стадии рвется связь С-Х 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 О-Н 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.
Рекомендуемая литература

1. Г. Хенрици-Оливэ? С. Оливэ. Химия каталитического гидрирования СО. Москва, Мир, 1987 г.
2. Ф. Басоло, Р. Джонсон. Химия координационных соединений. Москва, Мир, 1966.
3. Под ред. Г. Цейсса. Химия металлоорганических соединений. Москва, Мир, 1964.
4. Э. Фишер, Г. Вернер. ?-Комплексы металлов. Москва, Мир, 1968.

Информационная Библиотека
для Вас!
Rainfist 24-01-2020 Ответить

Макеты страниц

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ

Ферменты (энзимы) – это белковые молекулы, которые катализируют химические реакции в биологических системах. Их часто называют биологическими катализаторами или биокатализаторами. Без их действия большинство биохимических реакций протекало бы слишком медленно, что препятствовало бы нормальному функционированию живого организма.

Свойства ферментов

Ферменты обладают целым рядом специфических свойств и характеристик. Наиболее важные из них перечислены ниже.
Размер. Относительная молекулярная масса ферментов имеет значения от до . По своему размеру молекулы ферментов попадают в область коллоидных частиц (см. разд. 6.3), что не дает возможности отнести их ни к гомогенным, ни к гетерогенным катализаторам. Поэтому их выделяют в самостоятельный класс катализаторов.
Селективность. Ферменты могут характеризоваться различной специфичностью). Ферменты с низкой степенью специфичности катализируют сравнительно широкий круг биохимических реакций. В отличие от этого ферменты с высокой степенью специфичности способны катализировать лишь ограниченный круг реакций.
Например, ферменты из группы липаз характеризуются сравнительно низкой степенью специфичности. Они катализируют гидролиз большинства сложных эфиров. В отличие от этого фермент очень специфичен. Он катализирует гидролиз -глюкозидов, но не -глюкозидов (см. гл. 20). Другим примером очень специфичного фермента является уреаза. Этот фермент обнаруживается в соевых бобах. Он катализирует гидролиз мочевины (карбамида)

Однако этот фермент не катализирует гидролиз замещенных мочевин.
Вообще говоря, ферменты обладают высокой селективностью, и каждый из них способен катализировать только одну специфическую реакцию или реакцию одного типа.
Эффективность. Некоторые ферменты обладают высокой эффективностью даже в очень небольших количествах. Такая высокая эффективность объясняется тем, что молекулы ферментов в процессе своей каталитической активности непрерывно регенерируют. Типичная молекула фермента может регенерировать миллионы раз за минуту.
Примером может служить фермент реннин, вырабатываемый слизистой оболочкой сычуга (отдела желудка жвачных). Реннин используется в сыроделии. Он способен вызывать коагуляцию (свертывание) белков молока в количествах, в миллионы раз превышающих его собственную массу.
Другой пример высокой эффективности ферментов дает каталаза. Одна молекула этого фермента при 0°С разлагает за секунду около 50000 молекул пероксида водорода:

Действие каталазы на пероксид водорода заключается в снижении энергии активации этой реакции приблизительно от 75 кДж/моль до 21 кДж/моль. Если же для катализирования этой реакции используется коллоидная платина, удается снизить энергию активации только до 50 кДж/моль.
Зависимость от температуры. Ферменты обладают наибольшей эффективностью при температуре человеческого тела, т. е. приблизительно при 37°С. При повышении температуры выше 50-60°С они разрушаются и поэтому становятся неактивными. На рис. 9.22 изображен график зависимости скорости реакции от температуры для типичной реакции, катализируемой ферментами.

Рис. 9.22. Зависимость скорости реакции от температуры для обычной ферментативной реакции.
Отравление ферментов. Ферменты очень чувствительны к присутствию каталитических ядов. Например, в процессе сбраживания (ферментации) сахаров в спирт происходит отравление этанолом ферментов, содержащихся в дрожжах, и если концентрация этанола превышает 15,5%, ферментация прекращается. Поэтому с помощью одного лишь процесса ферментации обычно не удается получать вино или пиво с концентрацией этанола выше 15,5%.

Механизм действия ферментов

В 1902 г. Генри выдвинул предположение, что действие ферментов заключается в образовании комплекса с молекулой субстрата, которое представляет собой обратимый процесс. Комплекс фермент-субстрат соответствует промежуточному соединению или переходному состоянию в теории промежуточных соединений. Затем этот комплекс распадается и регенерирует фермент. Этот процесс описывается уравнением

где Е – фермент, S – субстрат, ES – комплекс, а — продукт реакции. Это уравнение впервые предложили Михаэлис и Ментен в 1913 г., и поэтому оно получило название уравнения Михаэлиса – Ментен.
Согласно существующим воззрениям, молекула субстрата связывается с областью на поверхности фермента, которая называется активным центром. Активность этого центра повышается в присутствии витаминов и некоторых минеральных веществ. За активность ферментов особенно ответственны различные микроэлементы, в частности -переходиые металлы, как, например, медь, марганец, железо и никель.
Активность некоторых ферментов очень зависит от наличия коферментов. Коферментами являются относительно небольшие органические молекулы, которые связываются с активными центрами фермента. Роль таких коферментов часто выполняют витамины группы В. На рис. 9.23 схематически изображен принцип действия кофермента.

Рис. 9.23. Схематическое изображение связывания молекулы субстрата с ферментом и коферментом. После завершения реакции продукты отделяются от фермента, освобождая его для связывания со следующей молекулой субстрата.

Роль ферментов в различных процессах

Ферменты играют важную роль в протекании химических реакций, которые осуществляются в биологических системах. Например, в человеческом организме ежесекундно осуществляются тысячи ферментативных химических реакций. Кроме того, ферменты играют важную роль и в проведении многих технологических процессов. Они используются, например, в процессах приготовления пищи, в производстве пищевых продуктов и напитков, фармацевтических препаратов, моющих средств, текстильных изделий, кожи и бумаги.
Ферменты в пищеварительной системе человека. В пищеварительной системе происходит превращение таких питательных веществ, как белки, углеводы и жиры, в продукты, способные легко усваиваться клетками живого организма. Эти превращения тоже происходят с участием ферментов.
Например, фермент амилаза, который содержится в выделениях слюнных желез и тонкого кишечника, помогает превращению крахмала в мальтозу. Затем мальтоза превращается в глюкозу в тонком кишечнике с помощью другого фермента-мальтазы. В желудке и тонком кишечнике такие ферменты, как пепсин и трипсин, превращают белки в пептиды. Затем эти пептиды превращаются в тонком кишечнике в аминокислоты под действием ферментов, которые называются пептидазами. В тонком кишечнике содержится еще один фермент-липаза. Он гидролизует жиры (липиды), образующие жирные кислоты.
Метаболические процессы. Так называются химические процессы, протекающие в живых клетках. Типичная живая клетка состоит из ядра, окруженного цитоплазмой. Клетка ограничена клеточной мембраной. Цитоплазма участвует в процессе обмена веществ, используя и запасая энергию питательных веществ и образуя соединения, необходимые для функционирования других клеток. Одним из ферментов, которые обнаруживаются в цитоплазме, является цитохромоксидаза. Цитохромы – разновидность белков, которые содержат железо в форме гема. Вместе с такими ферментами, как цитохромоксидаза, они играют важную роль в процессе дыхания. Эта роль заключается в окислении питательных веществ и запасании энергии. Цитохромоксидаза содержит микроэлемент медь, в отсутствие которого невозможен эффективный обмен веществ в организме. В растительных клетках цитохромы находятся в хлоропластах, которые играют важную роль в фотосинтезе.

Болезни, связанные с недостатком или избытком ферментов в организме

Некоторые заболевания вызываются недостаточным или избыточным содержанием ферментов. Например, наследственное заболевание фенилкетонурия обусловлено недостаточным содержанием в организме фермента фепиламиногидроксилазы. Это заболевание приводит к накоплению в организме вредных соединений, которые вызывают разрушение клеток мозга и замедление умственного развития. Чтобы предотвратить разрушение клеток мозга, больным фенилкетонурией необходимо придерживаться диеты с низким содержанием аминокислоты фенилаланина. Заболевание альбинизм, связанное с недостатком в организме фермента тирозиназы, проявляется в отсутствии пигмента в кожных покровах. В обоих рассмотренных случаях недостаток фермента обусловлен генетической мутацией.
Сердечные приступы могут приводит к значительному повышению уровня концентрации ферментов в крови. Это обусловлено просачиванием ферментов из клеток разрушенной сердечной ткани.
Ферменты используются для лечения некоторых заболеваний, например, таких, как сердечная недостаточность. Нередко сердечные приступы вызываются тромбами
крови, образующимися в коронарной артерии. Современный способ лечения такого заболевания основан на растворении тромбов с помощью фермента стрептокиназы, вводимого непосредственно в сердце.
Проферменты. Эти вещества известны также под названием зимогены. Они представляют собой образующиеся в организме растений и животных некаталитические вещества, которые превращаются в ферменты по мере необходимости. Например, в крови человека содержится протромбин, который при необходимости превращается в тромбин-фермент свертывания крови. Он катализирует превращение растворимого белка фиброногена, содержащегося в крови, в нерастворимый белок фибрин.

Ферментация (брожение)

Так называется химический процесс, в котором под воздействием определенных микроорганизмов, таких, как дрожжи и некоторые бактерии, из сахара получают этиловый спирт и другие продукты. Ферментация глюкозы с образованием этанола может быть описана уравнением

Этот процесс имеет сложный механизм. Одним из его главных интермедиатов является 2-оксопропановая (пировиноградная) кислота:

Процесс состоит из 12 стадий, причем для протекания каждой стадии необходим специфический фермент. Зимаза – один из 12 (или близкого к этому числа) ферментов, обнаруживаемых в типичных дрожжах.
Промышленное получение этанола может осуществляться путем ферментации тростникового сахара с последующей перегонкой. Тростниковый сахар содержит приблизительно 50% сахарозы Перед ферментацией сахарный сироп, который называется патокой, разбавляют водой. В процессе ферментации сахароза превращается в глюкозу и фруктозу. Этот процесс катализируется ферментом инвертазой.
Пиво получают ферментацией смеси солода и хмеля. Хмель добавляют для придания пиву специфического вкуса. Солод получают из хлебных злаков, обычно ячменя. Крахмал, содержащийся в солоде, превращается в мальтозу под действием фермента диастазы. Затем другой фермент, содержащийся в дрожжах, мальтаза, катализирует превращение мальтозы в глюкозу. Осветление пива осуществляется с помощью фермента папаина, который гидролизует белки, обусловливающие наличие мути в пиве. Папаин может использоваться также в процессе варки мяса для его умягчения.
В процессе получения вин превращение сахаров, содержащихся в виноградном соке, в этанол осуществляется благодаря наличию в кожице виноградин природных дрожжей. Иногда в виноградный сок добавляют также культурные дрожжи. Если ферментацию проводить до полного завершения, получается сухое вино. Если ферментация приостанавливается преждевременно, получается более сладкое вино.
Из-за того, что растворы, содержащие более 15,5% этанола, подавляют действие ферментов в дрожжах, получение крепленых алкагольных напитков требует проведения перегонки. Другой способ получения крепленых вин заключается в добавлении спирта, например в виде водки или бренди.
Ферментирующие дрожжи, как, например, винодельческие дрожжи Saccharomyces ellipsoideus, обладают способностью ферментировать сахара лишь до тех пор, пока не образуется раствор, содержащий 15,5% этанола по объему. Дикие дрожжи позволяют проводить ферментацию лишь до получения растворов с содержанием этанола до 5,5% но объему. Пленочные дрожжи, как, например, те, которые используются для получения шерри, позволяют проводить ферментацию вплоть до получения раствора, содержащего 20% этанола но объему.
Итак, повторим еще раз!
1. Механизм реакции — это последовательность стадий, предлагаемая обычно на основании экспериментально установленных данных о скорости реакции и на экспериментально обнаруженных интермедиатах реакции (промежуточных продуктах).
2. Лимитирующей стадией (скоростьопределяющей стадией) механизма реакции является самая медленная стадия этого механизма.
3. Молекулярностъ какой-либо стадии механизма реакции определяется числом частиц, которые япляются реагентами на этой стадии.
4. Теория столкновений позволяет объяснить влияние концентрации и температуры на скорости реакций.
5. Теория переходного состояния рассматривает изменения в геометрическом расположении атомов реагирующих молекул как единой системы.
6. Переходным состоянием или активированным комплексом называется критическая конфигурация, которой соответствует максимум потенциальной энергии вдоль координаты реакции. Реагирующие молекулы, которые достигают этой критической конфигурации, образуют молекулы продуктов.
7. Цепные реакции включают три стадии: а) инициирование, б) развитие цепи, в) обрыв цепи.
8. Катализатор – это такое вещество, которое увеличивает скорость химической реакции, но само не расходуется в этомпроцессе.
9. Теория образования промежуточных соединений, используемая для объяснения катализа, основана на предположении, что действие катализаторов заключается в образовании промежуточного соединения с субстратом.
10. Вещество, которое уменьшает скорость химической реакции, называется ингибитором.
11. Гомогенный катализатор действует в той же фазе, что и реакционная система.
12. Гетерогенный катализатор находится не в той же фазе, что и реакционная система. Он действует на поверхности фазового раздела.
13. Физическая адсорбция происходит, когда молекулы связываются с активными центрами поверхности твердого вещества вандерваальсовыми силами.
14. Химическая адсорбция, или хемосорбция, происходит, когда молекулы связываются с активными центрами на поверхности твердого вещества химическими связями.
15. Ферменты – это такие белки, которые катализируют протекание химических реакций в биологических системах.
16. Коферменты помогают ферментам выполнять их функцию. Они связываются с активными центрами ферментов.
TheKittenShow 24-01-2020 Ответить

Ферментативный катализ – каталитические реакции, протекающие с участием ферментов – биологических катализаторов белковой природы. Ферментативный катализ имеет две характерные особенности:
1. Высокая активность, на несколько порядков превышающая активность неорганических катализаторов, что объясняется очень значительным снижением энергии активации процесса ферментами. Так, константа скорости реакции разложения перекиси водорода, катализируемой ионами Fе2+, составляет 56 с-1; константа скорости этой же реакции, катализируемой ферментом каталазой, равна 3.5·107, т.е. реакция в присутствии фермента протекает в миллион раз быстрее (энергии активации процессов составляют соответственно 42 и 7.1 кДж/моль). Константы скорости гидролиза мочевины в присутствии кислоты и уреазы различаются на тринадцать порядков, составляя 7.4·10-7 и 5·106 с-1 (величина энергии активации составляет соответственно 103 и 28 кДж/моль).
2. Высокая специфичность. Например, амилаза катализирует процесс расщепления крахмала, представляющего собой цепь одинаковых глюкозных звеньев, но не катализирует гидролиз сахарозы, молекула которой составлена из глюкозного и фруктозного фрагментов.
Согласно общепринятым представлениям о механизме ферментативного катализа, субстрат S и фермент F находятся в равновесии с очень быстро образующимся фермент-субстратным комплексом FS, который сравнительно медленно распадается на продукт реакции P с выделением свободного фермента; т.о., стадия распада фермент-субстратного комплекса на продукты реакции является скорость определяющей (лимитирующей).
F + S FS ––> F + P
Исследование зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата при неизменной концентрации фермента показали, что с увеличением концентрации субстрата скорость реакции сначала увеличивается, а затем перестает изменяться (рис. 2.12) и зависимость скорости реакции от концентрации субстрата описывается следующим уравнением:
(II.45)
Здесь Кm – константа Михаэлиса, численно равная концентрации субстрата при V = ½Vmax. Константа Михаэлиса служит мерой сродства между субстратом и ферментом: чем меньше Кm, тем больше их способность к образованию фермент-субстратного комплекса.
Характерной особенностью действия ферментов является также высокая чувствительность активности ферментов к внешним условиям – рН среды и температуре. Ферменты активны лишь в достаточно узком интервале рН и температуры, причем для ферментов характерно наличие в этом интервале максимума активности при некотором оптимальном значении рН или температуры; по обе стороны от этого значения активность ферментов быстро снижается.

Рис. 2.12 Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.
Nalmebor 24-01-2020 Ответить

Смотреть что такое “Ферментативный катализ” в других словарях:

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ — (биокатализ) ускорение химических реакций в живых клетках специальными белками ферментами. В основе ферментативного катализа лежат те же химические закономерности, что и в основе небиологического катализа, используемого в химическом производстве … Большой Энциклопедический словарь
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ — биокатализ, избирательное ускорение химич. реакций, протекающих в живом организме, под влиянием ферментов. Основан на снижении энергетич. барьера (т. н. энергии активации) за счёт образования промежуточных комплексов фермента с субстратом.… … Биологический энциклопедический словарь
ферментативный катализ — (биокатализ), ускорение химических реакций в живых клетках специальными белками ферментами. В основе ферментативного катализа лежат те же химические закономерности, что и в основе небиологического катализа, используемого в химическом… … Энциклопедический словарь
ферментативный катализ — fermentine katalize statusas T sritis chemija apibreztis Cheminiu reakciju greitinimas fermentais. atitikmenys: angl. fermentation catalysis rus. ферментативный катализ … Chemijos terminu aiskinamasis zodynas
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ — (биокатализ), ускорение биохим. р ций при участии белковых макромолекул, называемых ферментами (энзимами). Ф. к. разновидность катализа, хотя термин ферментация (брожение )известен с давних времен, когда еще не было понятия хим. катализа. Первое… … Химическая энциклопедия
Ферментативный катализ — (от лат. fermentum закваска + катализ) он же биокатализ, ускорение химических реакций в живых клетках специальными белками ферментами … Начала современного естествознания
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ — (биокатализ), ускорение хим. реакций в живых клетках спец. белками ферментами. В основе Ф. к. лежат те же хим. закономерности, что и в основе небиол. катализа, используемого в хим. произ ве. Вместе с тем Ф. к. отличается исключительно высокой… … Естествознание. Энциклопедический словарь
катализ — Термин катализ Термин на английском catalysis Синонимы Аббревиатуры Связанные термины активная каталитическая фаза, активный центр катализатора, биосенсор, носитель катализатора, супрамолекулярный катализ, цеолит Определение Ускорение химических… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
КАТАЛИЗ — (от греч. katalysis разрушение), изменение скорости хим. р ции при воздействии в в ( катализаторов), к рые участвуют в р ции, но не входят в состав продуктов. Катализатор не находится в стехиометрич. отношениях с продуктами и регенерируется после … Химическая энциклопедия
Катализ — (греч. ????????? восходит к ????????? разрушение) избирательное ускорение одного из возможных термодинамически разрешенных направлений химической реакции под действием катализатора(ов), который многократно вступает в промежуточное… … Википедия
Huthris 24-01-2020 Ответить

?УДК 577.325.2
Ферментативный катализ
(лекция по общей химии)
И. П. Черникевич
УО «Гродненский государственный медицинский университет»
В лекции дана общая характеристика ферментов как природных катализаторов, изложены особенности их действия и кинетика катализа, роль в биологии и медицине. Ключевые слова: ферменты, особенности действия, катализ.
А general characteristic of enzymes as natural catalysts is given in the lecture, the peculiarities of their action and catalysis kinetics, the role in biology and medicine are described. Key words: enzymes, peculiarities of action, catalysis.
Почти все химические реакции в живых организмах – каталитические. Биологический смысл этого вполне очевиден. Специфика внутренней среды клетки, где протекают многочисленные биохимические процессы, состоит в том, что она содержит весьма лабильные вещества, не допускающие присутствия «сильных» в химическом смысле реагентов (сильных кислот, оснований, окислителей, восстановителей и т.п.). В живых организмах невозможны жёсткие условия для химических реакций. Все процессы осуществляются при практически постоянной температуре, постоянном давлении, относительно невысоких концентрациях реагирующих веществ в нейтральной или близкой к нейтральной среде.
Вместе с тем, энергетические и материальные потребности организма весьма велики и покрываются за счёт пищи, состоящей из сравнительно устойчивых в химическом отношении веществ, часто с прочными связями, а также вдыхаемого с воздухом кислорода. Таким образом, в ходе возникновения и развития живых существ были востребованы и получили продолжение только те механизмы, которые обеспечивали высокую скорость осуществления биохимических процессов в относительно мягких условиях. По мере эволюции эта задача оказалась решённой путём создания биологических катализаторов – ферментов, способных высокоэффективно и специфически ускорять многочисленные и разнообразные по химической природе реакции, необходимые для сохранения и воспроизведения живого. Механизм этот возник, по-видимому, на ранних этапах эволюции живой материи. Во всяком случае, фактически на всех известных человечеству уровнях эволюционного развития (от простейших форм живых организмов до высших, как в мире животных, так и в мире растений) без ферментативных процессов жизни не существует.
В связи с этим давно возникла проблема изучения механизма ферментативного катализа. С точки зрения биологии, познание сущности ферментативных реакций важно для понимания сложных процессов обмена веществ, их связи с физиологическими функциями организма и регуляции. Потребности современной медицины диктуют необ-
ходимость знания механизма ферментативных реакций для понимания природы нарушения биохимических процессов при заболеваниях и разработки методов ликвидации этих нарушений путём целенаправленного влияния на ход ферментативного катализа. Не менее важны закономерности ферментативного катализа и в фармакокинетике и ток-сикокинетике, занимающихся вопросами скоростей воздействия и выведения из организма лекарственных препаратов и ядовитых веществ.
1. Общая характеристика ферментов
К настоящему времени известно несколько тысяч ферментов, свыше тысячи из них получены в индивидуальном состоянии. Ферментами (от лат. fermentum – закваска) называют синтезируемые клеткой белки, катализирующие протекающие в ней химические реакции, обеспечивающие в совокупности обмен веществ. Регуляция обмена на уровне организма осуществляется путём регуляции скорости синтеза, концентрации и каталитической активности ферментов, выполняемой при участии генов. Для многих белков-ферментов сегодня выяснена аминокислотная последовательность, а самые известные из них расшифрованы с помощью рентгеноструктурного анализа до уровня полного пространственного строения.
Не все белки являются катализаторами реакций [4]. Ферментативные белки, как правило, имеют глобулярную структуру и относительную молекулярную массу от 10 тысяч до нескольких миллионов. Для них характерны те же физико-химические свойства, что и для белков, не наделённых каталитическими функциями. Молекулы ферментов представлены как простыми, так и сложными белками. В первом случае ферменты называют однокомпонентными, их глобулы состоят только из а-аминокислотных остатков, во-втором – двухком-понентными, включающими помимо белковой части небелковые вещества: ионы металлов или небольшие органические молекулы, такие как нук-леотиды или витамины.
Аминокислотная белковая часть двухкомпонен-тных ферментов называется апоферментом, а вместе с небелковой частью – холоферментом.
Небелковые компоненты, легко диссоциирующие из комплекса с ферментативным белком, получили название коферментов (кофакторов). Кофер-менты играют роль промежуточных переносчиков электронов, а также некоторых атомов или функциональных групп, которые в результате ферментативной реакции переносятся с одного соединения на другое. Некоторые коферменты очень прочно связаны с ферментативным белком; такой ко-фермент называют простетической группой фермента. Однако резкой границы между кофермен-тами и простетическими группами не существует, степень прочности связи ферментативных белков с небелковыми компонентами широко варьирует.
Таким образом, функции коферментов и просте-тических групп следующие: 1) участие в акте катализа, 2) осуществление контакта между ферментативным белком и взаимодействующим реагентом, 3) стабилизация апофермента. Апофермент, в свою очередь, усиливает каталитическую активность небелковой части и, кроме того, определяет специфичность действия ферментов. Связывание белковой части фермента и небелковой осуществляется за счёт ионных, водородных связей, гидрофобных взаимодействий, реже – с помощью кова-лентных связей.
Своё каталитическое действие ферменты проявляют в водных растворах и, следовательно, по этому признаку могут быть отнесены к гомогенным катализаторам. Однако при тщательном рассмотрении такое заключение не вполне точно. Дело в том, что ферменты – это белки с весьма большими молекулярными массами и, естественно, при обсуждении свойств многих из них мы вправе говорить о существовании в растворе ферментов поверхности (микроповерхности) раздела, характерной для гетерогенных катализаторов. Более того, каталитическая активность ферментов, как и гетерогенных катализаторов, определяется наличием на их поверхности особых участков ограниченного размера – активных центров, обладающих специфической реакционноспособностью. Многие ферменты, например, ферменты переноса электронов в окислительно-восстановительных реакциях, ферменты, участвующие в биосинтезе белка и некоторые другие функционируют, будучи «вмонтированными» в сравнительно жёсткие структурные компоненты клетки, обладающие макроповерхностью раздела (митохондрии, рибосомы и т.п.). Таким образом, белки-ферменты характеризуются признаками как гомогенных, так и гетерогенных катализаторов.
Как катализаторы – вещества, ускоряющие реакции, ферменты имеют ряд общих свойств с химическими, небиологическими катализаторами [3]:
– они не входят в состав конечных продуктов реакции и выходят из реакции в первоначальном виде, т.е. не расходуются в процессе катализа;
– ферменты не могут возбудить реакции, противоречащие законам термодинамики. Они ускоряют только те реакции, которые могут протекать
и без них, – реакции, идущие со снижением свободной энергии;
– ферменты, как правило, не смещают положения равновесия реакции, а лишь ускоряют его достижение.
Помимо общих, для ферментов характерны и специфические свойства отличающие их от химических катализаторов и выражающие их биологическую природу [3]:
1. Одним из важнейших свойств ферментов как биокатализаторов является их регулируемость. Через регуляцию ферментативного аппарата осуществляется скоординированность всех метаболических процессов во времени и пространстве. Схематически можно выделить три усложняющихся «этажа» регуляции:
– автоматическая, при помощи механизмов, работающих на субклеточном уровне, когда регуляция активности осуществляется за счёт изменения в клетке концентрации субстратов, продуктов, активаторов и ингибиторов ферментов;
– регуляция при посредстве гормонов;
– нервная регуляция, обеспечивающая наиболее быструю и общую реакцию двух первых контрольных систем на те или иные воздействия. Такая многоступенчатость регуляции направлена на воспроизведение живой материи, поддержание постоянства внутриклеточной среды, на приспособление организма к меняющимся внешним условиям.
2. При ферментативных реакциях, в отличие от неферментативных, ферменты участвуют в малых количествах и наблюдается почти 100% выход целевых продуктов.
3. Ферменты проявляют максимальную эффективность только в мягких условиях [6], характеризующихся небольшим интервалом температур и значений рН (рис. 1 и 2).
№
UBETU 24-01-2020 Ответить

Приведенная таблица может помочь ориентироваться во множестве уже известных ферментов их названий.
Ферментом может быть глобулярный белок, в активном центре которого собраны функциональные группы, входящие в состав аминокислотных остатков этого белка. В других случаях в состав активного центра входит прочно связанная с белковой цепью простетическая группа (например, липоевая кислота) или слабо связанный кофермент (например, АТФ). Фермент в целом называют холоферментом, а то, что остается после удаления кофермента, – апоферментом.
В соответствии с требованиями, предъявляемыми при подборе катализаторов-фементов, их подразделяют на следующие группы:
1. Ферменты без коферментов – простые гидролазы, лиазы и изомеразы.
2. Ферменты, которые не требуют наличия кофермента (содержат прочно связанную простетическую группу, например, флавиновую или пиридоксальную) – трансаминазы, пероксидазы и т. п.
3. Ферменты, которые требуют регенерации кофермента, обычно АТФ или НАД(Ф)Н – например, киназы, большинство оксидоредуктаз.
4. Ферменты, которые встречаются в многоферментных системах.
Ферменты первой группы используются пока шире, часто и в промышленном масштабе (синтез L-аминокислот, 6-аминопеницилиновой кислоты, изомеризация глюкозы во фруктозу и т. д.). Остальные группы ферментов требуют создания особых условий и до сих пор находят применение только в лабораторных синтезах.
Что такое ферменты и за счет каких факторов они работают так эффективно?
Объяснение состоит в том, что фермент обладает способностью формировать так называемый активный центр и создавать в нем специфическое окружение, в котором протекание катализируемой реакции происходит несоизмеримо быстрее, чем в растворе.
В активном центре происходит специфическое связывание субстрата. Например, сбраживание глюкозы в спирт дрожжами требует участия более 12 ферментов, каждый из которых выполняет свою функцию. Это возможно только благо даря высокой специфичности.
Различают абсолютную специфичность – специфичность по отношению к одному конкретному субстрату (уреаза – мочевина; галактокиназа переносит фосфат от АТФ только на Д-галактозу, но не на ее стерео изомеры Д-глюкозу и Д-маннозу );
абсолютную групповую специфичность – специфичность к определенному классу субстратов (спирты, альдегиды, простые или сложные эфиры). Так, протеолитический фермент пепсин специфичен в отношении гидролиза пептидной связи. Алкогольдегидраза окисляет только спирты, а лактикодегидраза – только ?-оксикислоты;
относительная групповая специфичность – фермент действует предпочтительно на один класс соединений, но может в некоторой степени действовать и на представителей других классов, превращая их с меньшими скоростями, чем представителей основного класса. Трипсин способен расщеплять как пептидные, так и сложноэфирные связи.
Оптическая специфичность – общее свойство большей части ферментов взаимодействовать с веществами, имеющими определенную оптическую активность.
Основу ферментов составляют белки, поэтому можно сказать, что ферменты – это белки, способные катализировать химические реакции. Открыты ферменты были в 30-е годы 19-го века, и примерно сто лет ушло на то, чтобы прийти к приведенному определению. Не всякий белок может быть ферментом. По внешней форме белки бывают линейные (фибриллярные) и глобулярные. Только глобулярные белки могут быть ферментами. Белки – это полипептиды, т.е. полимеры, состоящие из аминокислотных остатков, соединенных пептидной связью. Ниже показана реакция образования дипептида. Все природные белки построены из примерно 20 различных аминокислотных
NH2-CH-COOH + H2N-CH-COOH > NH2-CH-CO-HN-CH-COOH + H2O
X1 X2 X1 X2
остатков, отличающихся строением группы Х. Каталитические свойства могут проявлять полипептиды (белки), имеющие молярную массу не менее 5000.
Строение белков имеет три разных уровня.
Первичная структура определяется последовательностью аминокислотных остатков, образующих полипептидную цепь.
Вторичную структуру белка определяют дополнительные связи, возникающие между группами, принадлежащими различным аминокислотным остаткам, находящимся в разных частях полипептидной цепи. К числу таких связей относятся водородные, электростатические, координационные, гидрофобно-гидрофобные и Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. В результате образования дополнительных связей отдельные участки полипептидной цепи образуют ?-спирали, петли и ?-тяжи.
Третичная структура белка формируется в результате сворачивания отдельных участков полипептидной цепи в относительно автономные глобулярные образования, называемые доменами. Окончательное формирование третичной структуры происходит благодаря специфическим взаимодействиям, возникающим между отдельными доменами, каждый из которых сворачивается самостоятельно. Длинные полипептидные цепи обычно формируют несколько доменов, величина которых значительно варьирует, составляя в среднем 150 аминокислотных остатков. Взаимодействия между доменами приводят к образованию глобулы.
Домены характеризуются тем, что число взаимодействий между аминокислотными остатками в составе домена значительно превышает таковое между соседними доменами. Благодаря этому междоменные области оказываются сравнительно легко доступными для растворителя и содержат полости объемом 20-30 кубических ангстрем, включающие несколько молекул воды. «Архитектурные принципы» построения отдельных доменов различны, что можетбыть связано с выполнением ими разных функций.
Активные центры мультидоменных (в большинстве случаев – двухдоменных) ферментов, как правило, располагаются в междоменной области. Таким образом, каждый из доменов вносит свой вклад в связывание участников реакции.
Важным следствием расположения активного центра на границе между доменами является обеспечение гибкости, подвижности данной области молекулы благодаря тому, что в ходе конформационных изменений, вызываемых связыванием субстратов, домены претерпевают взаимное перемещение.
Между размером молекулы биологического катализатора (т. е. длиной его полипептидной цепи) и сложностью выполняемой им функции существует прямая зависимость. Усложнение функциональных свойств достигается как за счет формирования активного центра на границе раздела между двумя каталитическими доменами, так и за счет появления дополнительных доменов, ответственных за регуляцию активности. Такие ферменты, как лизоцим и гликогенфосфорилаза, резко различаются по размерам (129 аминокислотных остатков в первом и 842 – во втором), хотя оба катализируют реакции расщепления гликозидной связи. Функциональный смысл «утяжеления» молекулы гликогенфосфорилазы состоит в придании ей дополнительной способности координировать работу активного центра в соответствии с сигналами, поступающими из внешней среды (изменение концентраций метаболитов, нервные и гормональные сигналы).
К факторам, определяющим высокую эффективность ферментов, относят:
1. Концентрационный эффект.
2. Ориентационный эффект.
3. Полифункциональность реакционного центра.
Сущность концентрационного эффекта в случае ферментов ничем не отличается от концентрационного эффекта в гетерогенном катализе. Фермент в своем реакционном центре создает локальную концентрацию субстрата, которая существенно выше, чем средняя концентрация в растворе. В реакционном центре фермента селективно концентрируются молекулы, которые должны прореагировать между собой. Такой эффект может приводить к ускорению реакции на несколько порядков.
При протекании обычных химических реакций важно, какими частями происходит столкновение реагирующих молекул. То есть, молекулы при столкновении должны быть соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. В реакционном центре фермента при координации молекулы субстрата и образовании фермент-субстратного комплекса происходит четкая ориентация реагирующих молекул за счет взаимодействия с функциональными группами реакционного центра. Это приводит к ускорению реакций примерно на три порядка.
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 (см. предыдущий пункт), 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.
По Л. Михаэлису и М. Ментен образование фермент-субстратного комплекса осуществляется в результате сравнительно быстрой обратимой стадии:
k1
E + S ES
k-1
Затем комплекс более медленно распадается с образованием продукта и высвобождением фермента:
k2
ES E + 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 концент-
рация фермент-субстратного комплекса и начальная скорость могут быть описаны уравне-ниями:
[ES] = [Eo]• [S]/ (КМ + [S])
Ro = k2[ES] = k2[Eo]• [S]/ (КМ + [S])
Последнее уравнение называют уравнением Михаэлиса-Ментен. Необходимо отметить, что величина КМ совпадает с термодинамической константой диссоциации фермент-субстратного комплекса только в случае квазиравновесия первой стадии и лимитирования процесса второй стадией. Во всех остальных случаях КМ 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: С1105H1732O344N300S12, также как перечисление количества аминокислотных остатков: аланин22 аргинин3 аспарагиновая кислота8 аспарагин14 глутаминовая кислота3 глутамин10 глицин24 гистидин2 изолейцин10 лейцин19 лизин14 метионин2 полуцистин10 пролин9 серин28 треонин22 триптофан8 тирозин4 валин23 фенилаланин6. Перечисленные аминокислотные остатки соединены в полипептидную цепь в определенной последовательности (первичная структура). Отдельные части полипептидной цепи за счет образования дополнительных связей (см.выше) скручиваются в ?-спирали, ?-тяжи и петли (вторичная структура). Перечисленные элементы вторичной структуры за счет дополнительных взаимодействий сворачиваются в два домена, в месте соприкосновения которых возникает активный центр фермента, включающий остаток серина (Х – -СН2ОН ), аспарагиновой кислоты ( Х – -СН2СОО-), гистидина.

Механизм реакции гидролиза сложного эфира показан на схеме. 2. 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 фермент-субстратный комплекс. На следующей стадии рвется связь С-Х 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 О-Н 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.
Рекомендуемая литература

1. Г. Хенрици-Оливэ? С. Оливэ. Химия каталитического гидрирования СО. Москва, Мир, 1987 г.
2. Ф. Басоло, Р. Джонсон. Химия координационных соединений. Москва, Мир, 1966.
3. Под ред. Г. Цейсса. Химия металлоорганических соединений. Москва, Мир, 1964.
4. Э. Фишер, Г. Вернер. ?-Комплексы металлов. Москва, Мир, 1968.
Яна 24-01-2020 Ответить

В лексиконе обычного человека нередко встречаются слова, которые заимствованы из химии. Например, антиоксиданты, или антиокислители. Что собой представляют вещества, называемые антиоксидантами? Вы, наверное, замечали, что если долго хранить сливочное масло, то оно изменяет цвет, вкус, приобретает неприятный запах — окисляется на воздухе. Чтобы пищевые продукты не портились, в них добавляют антиоксиданты. Важную роль они играют и в сохранении здоровья человека, ведь в его организме также происходят нежелательные процессы окисления, в результате чего человек болеет, быстрее устаёт и стареет. Организм человека получает антиоксиданты при употреблении в пищу продуктов, содержащих, например, каротин (витамин А) и витамин Е (рис. 17).

Рис. 17.
Антиоксиданты: a — β-каротин; б — витамин Е
Итак, скоростью химической реакции можно управлять с помощью катализаторов и ингибиторов, изменением температуры, концентрации реагирующих веществ, давления (для гомогенных газовых реакций), площади соприкосновения реагирующих веществ (для гетерогенных процессов). И конечно же скорость химических реакций зависит от природы реагирующих веществ.

Новые слова и понятия

Катализаторы.
Ферменты.
Катализ (гомогенный, гетерогенный, ферментативный).
Ингибиторы.
Антиоксиданты.

Задания для самостоятельной работы

Что такое катализаторы? Какую роль они играют в химических реакциях? Почему катализаторы ускоряют течение химических реакций?
Какую роль в истории человеческой цивилизации сыграл ферментативный катализ?
Подготовьте сообщение о роли катализаторов в современном производстве.
Подготовьте сообщение о роли ингибиторов в современном производстве.
Подготовьте сообщение о роли антиоксидантов в медицине и пищевой промышленности.
Даня Вайтер 24-01-2020 Ответить

Почему катализаторы увеличивают скорость химической реакции? Оказывается, они действуют в полном соответствии с народной мудростью: «Умный в гору не пойдёт, умный гору обойдёт». Для того чтобы вещества начали взаимодействовать, их частицам (молекулам, атомам, ионам) нужно сообщить определённую энергию, называемую энергией активации (рис. 13, а). Катализаторы понижают эту энергию, соединяясь с одним из реагирующих веществ и проводя его вдоль «энергетической горы» на встречу с другим веществом с меньшими затратами энергии. Поэтому в присутствии катализатора химические реакции протекают не только быстрее, но и при более низкой температуре, что удешевляет производственные процессы.
И не только. Использование катализаторов может привести к тому, что одни и те же вещества будут реагировать по-разному, т. е. с образованием разных продуктов (рис. 13, б).

Например, аммиак окисляется кислородом до азота и воды, а в присутствии катализатора — до оксида азота (II) и воды (запишите уравнения реакции и рассмотрите процессы окисления и восстановления).

Процесс изменения скорости химической реакции или пути, по которому она протекает, называется катализом. Как и реакции, различают гомогенный и гетерогенный виды катализа. В случае использования ферментов катализ называют ферментативным. Этот вид катализа известен человеку с глубокой древности. Благодаря ферментативному расщеплению органических веществ человек научился печь хлеб, варить пиво, изготавливать вино и сыр (рис. 14).

Наиболее известны в быту ферменты, входящие в состав стиральных порошков. Именно они позволяют избавлять бельё при стирке от пятен и неприятного запаха.
Познакомимся ближе с катализаторами с помощью химического эксперимента.
Пероксид водорода (в обиходе его часто называют перекисью водорода) — необходимый в любой домашней аптечке препарат (рис. 15). На упаковке с этим препаратом обязательно указывается срок годности, так как при хранении он разлагается:

Однако при обычных условиях этот процесс протекает настолько медленно, что мы не замечаем выделения кислорода, и только открыв склянку, в которой пероксид водорода хранился длительное время, можно заметить, как из неё выделяется немного газа. Как ускорить этот процесс? Проведём лабораторный опыт.

Катализаторы не только делают экономичнее производственные процессы, но и вносят значительный вклад в охрану окружающей среды. Так, современные легковые автомобили снабжены каталитическим устройством, внутри которого находятся керамические ячеистые носители катализатора (платины и родия).

Проходя через них, вредные вещества (оксиды углерода, азота, несгоревший бензин) превращаются в углекислый газ, азот и воду (рис. 16).
Однако для химических реакций важны не только катализаторы, которые ускоряют прохождение реакции, но и вещества, способные их замедлять. Такие вещества называются ингибиторами. Наиболее известны ингибиторы коррозии металлов.

В лексиконе обычного человека нередко встречаются слова, которые заимствованы из химии. Например, антиоксиданты, или антиокислители. Что собой представляют вещества, называемые антиоксидантами? Вы, наверное, замечали, что если долго хранить сливочное масло, то оно изменяет цвет, вкус, приобретает неприятный запах — окисляется на воздухе. Чтобы пищевые продукты не портились, в них добавляют антиоксиданты. Важную роль они играют и в сохранении здоровья человека, ведь в его организме также происходят нежелательные процессы окисления, в результате чего человек болеет, быстрее устаёт и стареет. Организм человека получает антиоксиданты при употреблении в пищу продуктов, содержащих, например, каротин (витамин А) и витамин Е (рис. 17).

Итак, скоростью химической реакции можно управлять с помощью катализаторов и ингибиторов, изменением температуры, концентрации реагирующих веществ, давления (для гомогенных газовых реакций), площади соприкосновения реагирующих веществ (для гетерогенных процессов). И конечно же скорость химических реакций зависит от природы реагирующих веществ.

1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока — сделайте сообщение по ключевым словам и слово-сочетаниям следующего параграфа.

1. Что такое катализаторы? Какую роль они играют в химических реакциях? Почему катализаторы ускоряют течение химических реакций?
2. Какую роль в истории человеческой цивилизации сыграл ферментативный катализ?
3. Подготовьте сообщение о роли катализаторов в современном производстве.
4. Подготовьте сообщение о роли ингибиторов в современном производстве.
5. Подготовьте сообщение о роли антиоксидантов в медицине и пищевой промышленности.
Катализаторы и катализ. Ответы
I_feel_so_alive 24-01-2020 Ответить

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 (табл.).
Таблица
Реакция и субстрат
Катализатор
Константа ско-рости второго по-рядка, моль-1•с-1
Температура, оС
Гидролиз сложных эфиров
Этилбензоат
Этиловый эфир N-бензоил-L-тирозина
Н3О+
Химотрипсин
9,0•10-5
1,9•104
54
25
Гидролиз аденозин-трифосфата (АТФ )
Н3О+
Миозин
4,7•10-6
8,2•106
40
25
Гидролиз амидов
Бензамид
Амид N-бензоил-
L-тирозина
Мочевина
Н3О+
Химотрипсин
Н3О+
Уреаза
2,4•10-6
14,9
7,4•10-6
5,0•106
52
25
62
21
Международные правила номенклатуры ферментов в зависимости от выполняемых ими функций выделяют шесть основных классов с соответствующими подклассами внутри каждого класса (табл.).
Таблица
Класс. Функция
Подклассы
Класс, функция
Подклассы
1. Оксидоредукта-зы
Катализируют окисли-тельно-восстанови-тельные превращения функциональных групп (см. подклассы)
СН-ОН
С=О
СН-СН
СН-NH2
CH-NH
НАД(Ф)Н
2. Транс-феразы
Переносят сле-дующие груп-пы (см. под-классы)
одноуглеродные остатки
остатки альде-гидов и кетонов
ацильные ос-татки
гликозильные остатки
алкильные (кроме СН3) и арильные группы
азотистые группы
фосфорсодержа-щие группы
3. Гидролазы
Гидролизуют соедине-ния следующих класс-сов (см. подклассы)
сложные эфиры
гликозид-ные соеди-нения
простые эфиры и тиоэфиры
пептидные связи
связи C-N, кроме пеп-тидной
4. Лиазы
Отщепляют группы с обра-зованием двой-ной связи и присоединяют группы к двой-ным связям (см. подкласс-сы)
С – С
С – О
С – N
C – S
C – Hal
5. Изомеразы
Проводят реакции изо-меризации различного типа (см. подклассы)
рацемазы и эпимеразы
цис-транс-изомеразы
внутримо-лекулярные оксидоре-дуктазы
внутримо-лекулярные трансфера-зы
внутримо-лекулярные лиазы
6. Лигазы (синтетазы)
Одновременно с расщеплени-ем АТФ обра-зуют связи (см. подклассы)
С – О
С – S
C – N
C – C
Приведенная таблица может помочь ориентироваться во множестве уже известных ферментов их названий.
Ферментом может быть глобулярный белок, в активном центре которого собраны функциональные группы, входящие в состав аминокислотных остатков этого белка. В других случаях в состав активного центра входит прочно связанная с белковой цепью простетическая группа (например, липоевая кислота) или слабо связанный кофермент (например, АТФ). Фермент в целом называют холоферментом, а то, что остается после удаления кофермента, – апоферментом.
В соответствии с требованиями, предъявляемыми при подборе катализаторов-фементов, их подразделяют на следующие группы:
1. Ферменты без коферментов – простые гидролазы, лиазы и изомеразы.
2. Ферменты, которые не требуют наличия кофермента (содержат прочно связанную простетическую группу, например, флавиновую или пиридоксальную) – трансаминазы, пероксидазы и т. п.
3. Ферменты, которые требуют регенерации кофермента, обычно АТФ или НАД(Ф)Н – например, киназы, большинство оксидоредуктаз.
4. Ферменты, которые встречаются в многоферментных системах.
Ферменты первой группы используются пока шире, часто и в промышленном масштабе (синтез L-аминокислот, 6-аминопеницилиновой кислоты, изомеризация глюкозы во фруктозу и т. д.). Остальные группы ферментов требуют создания особых условий и до сих пор находят применение только в лабораторных синтезах.
Что такое ферменты и за счет каких факторов они работают так эффективно?
Объяснение состоит в том, что фермент обладает способностью формировать так называемый активный центр и создавать в нем специфическое окружение, в котором протекание катализируемой реакции происходит несоизмеримо быстрее, чем в растворе.
В активном центре происходит специфическое связывание субстрата. Например, сбраживание глюкозы в спирт дрожжами требует участия более 12 ферментов, каждый из которых выполняет свою функцию. Это возможно только благо даря высокой специфичности.
Различают абсолютную специфичность – специфичность по отношению к одному конкретному субстрату (уреаза – мочевина; галактокиназа переносит фосфат от АТФ только на Д-галактозу, но не на ее стерео изомеры Д-глюкозу и Д-маннозу );
абсолютную групповую специфичность – специфичность к определенному классу субстратов (спирты, альдегиды, простые или сложные эфиры). Так, протеолитический фермент пепсин специфичен в отношении гидролиза пептидной связи. Алкогольдегидраза окисляет только спирты, а лактикодегидраза – только ?-оксикислоты;
относительная групповая специфичность – фермент действует предпочтительно на один класс соединений, но может в некоторой степени действовать и на представителей других классов, превращая их с меньшими скоростями, чем представителей основного класса. Трипсин способен расщеплять как пептидные, так и сложноэфирные связи.
Оптическая специфичность – общее свойство большей части ферментов взаимодействовать с веществами, имеющими определенную оптическую активность.
Основу ферментов составляют белки, поэтому можно сказать, что ферменты – это белки, способные катализировать химические реакции. Открыты ферменты были в 30-е годы 19-го века, и примерно сто лет ушло на то, чтобы прийти к приведенному определению. Не всякий белок может быть ферментом. По внешней форме белки бывают линейные (фибриллярные) и глобулярные. Только глобулярные белки могут быть ферментами. Белки – это полипептиды, т.е. полимеры, состоящие из аминокислотных остатков, соединенных пептидной связью. Ниже показана реакция образования дипептида. Все природные белки построены из примерно 20 различных аминокислотных
NH2-CH-COOH + H2N-CH-COOH > NH2-CH-CO-HN-CH-COOH + H2O
X1 X2 X1 X2
остатков, отличающихся строением группы Х. Каталитические свойства могут проявлять полипептиды (белки), имеющие молярную массу не менее 5000.
Строение белков имеет три разных уровня.
Первичная структура определяется последовательностью аминокислотных остатков, образующих полипептидную цепь.
Вторичную структуру белка определяют дополнительные связи, возникающие между группами, принадлежащими различным аминокислотным остаткам, находящимся в разных частях полипептидной цепи. К числу таких связей относятся водородные, электростатические, координационные, гидрофобно-гидрофобные и Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. В результате образования дополнительных связей отдельные участки полипептидной цепи образуют ?-спирали, петли и ?-тяжи.
Третичная структура белка формируется в результате сворачивания отдельных участков полипептидной цепи в относительно автономные глобулярные образования, называемые доменами. Окончательное формирование третичной структуры происходит благодаря специфическим взаимодействиям, возникающим между отдельными доменами, каждый из которых сворачивается самостоятельно. Длинные полипептидные цепи обычно формируют несколько доменов, величина которых значительно варьирует, составляя в среднем 150 аминокислотных остатков. Взаимодействия между доменами приводят к образованию глобулы.
Домены характеризуются тем, что число взаимодействий между аминокислотными остатками в составе домена значительно превышает таковое между соседними доменами. Благодаря этому междоменные области оказываются сравнительно легко доступными для растворителя и содержат полости объемом 20-30 кубических ангстрем, включающие несколько молекул воды. «Архитектурные принципы» построения отдельных доменов различны, что можетбыть связано с выполнением ими разных функций.
Активные центры мультидоменных (в большинстве случаев – двухдоменных) ферментов, как правило, располагаются в междоменной области. Таким образом, каждый из доменов вносит свой вклад в связывание участников реакции.
Важным следствием расположения активного центра на границе между доменами является обеспечение гибкости, подвижности данной области молекулы благодаря тому, что в ходе конформационных изменений, вызываемых связыванием субстратов, домены претерпевают взаимное перемещение.
Между размером молекулы биологического катализатора (т. е. длиной его полипептидной цепи) и сложностью выполняемой им функции существует прямая зависимость. Усложнение функциональных свойств достигается как за счет формирования активного центра на границе раздела между двумя каталитическими доменами, так и за счет появления дополнительных доменов, ответственных за регуляцию активности. Такие ферменты, как лизоцим и гликогенфосфорилаза, резко различаются по размерам (129 аминокислотных остатков в первом и 842 – во втором), хотя оба катализируют реакции расщепления гликозидной связи. Функциональный смысл «утяжеления» молекулы гликогенфосфорилазы состоит в придании ей дополнительной способности координировать работу активного центра в соответствии с сигналами, поступающими из внешней среды (изменение концентраций метаболитов, нервные и гормональные сигналы).
К факторам, определяющим высокую эффективность ферментов, относят:
1. Концентрационный эффект.
2. Ориентационный эффект.
3. Полифункциональность реакционного центра.
Сущность концентрационного эффекта в случае ферментов ничем не отличается от концентрационного эффекта в гетерогенном катализе. Фермент в своем реакционном центре создает локальную концентрацию субстрата, которая существенно выше, чем средняя концентрация в растворе. В реакционном центре фермента селективно концентрируются молекулы, которые должны прореагировать между собой. Такой эффект может приводить к ускорению реакции на несколько порядков.
При протекании обычных химических реакций важно, какими частями происходит столкновение реагирующих молекул. То есть, молекулы при столкновении должны быть соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. В реакционном центре фермента при координации молекулы субстрата и образовании фермент-субстратного комплекса происходит четкая ориентация реагирующих молекул за счет взаимодействия с функциональными группами реакционного центра. Это приводит к ускорению реакций примерно на три порядка.
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 (см. предыдущий пункт), 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.
По Л. Михаэлису и М. Ментен образование фермент-субстратного комплекса осуществляется в результате сравнительно быстрой обратимой стадии:
k1
E + S ES
k-1
Затем комплекс более медленно распадается с образованием продукта и высвобождением фермента:
k2
ES E + 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 концент-
рация фермент-субстратного комплекса и начальная скорость могут быть описаны уравне-ниями:
[ES] = [Eo]• [S]/ (КМ + [S])
Ro = k2[ES] = k2[Eo]• [S]/ (КМ + [S])
Последнее уравнение называют уравнением Михаэлиса-Ментен. Необходимо отметить, что величина КМ совпадает с термодинамической константой диссоциации фермент-субстратного комплекса только в случае квазиравновесия первой стадии и лимитирования процесса второй стадией. Во всех остальных случаях КМ 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: С1105H1732O344N300S12, также как перечисление количества аминокислотных остатков: аланин22 аргинин3 аспарагиновая кислота8 аспарагин14 глутаминовая кислота3 глутамин10 глицин24 гистидин2 изолейцин10 лейцин19 лизин14 метионин2 полуцистин10 пролин9 серин28 треонин22 триптофан8 тирозин4 валин23 фенилаланин6. Перечисленные аминокислотные остатки соединены в полипептидную цепь в определенной последовательности (первичная структура). Отдельные части полипептидной цепи за счет образования дополнительных связей (см.выше) скручиваются в ?-спирали, ?-тяжи и петли (вторичная структура). Перечисленные элементы вторичной структуры за счет дополнительных взаимодействий сворачиваются в два домена, в месте соприкосновения которых возникает активный центр фермента, включающий остаток серина (Х – -СН2ОН ), аспарагиновой кислоты ( Х – -СН2СОО-), гистидина.

Механизм реакции гидролиза сложного эфира показан на схеме. 2. 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 фермент-субстратный комплекс. На следующей стадии рвется связь С-Х 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 О-Н 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.
Рекомендуемая литература

1. Г. Хенрици-Оливэ? С. Оливэ. Химия каталитического гидрирования СО. Москва, Мир, 1987 г.
2. Ф. Басоло, Р. Джонсон. Химия координационных соединений. Москва, Мир, 1966.
3. Под ред. Г. Цейсса. Химия металлоорганических соединений. Москва, Мир, 1964.
4. Э. Фишер, Г. Вернер. ?-Комплексы металлов. Москва, Мир, 1968.
NoVaSc 24-01-2020 Ответить

Выолнила: Ирисметова Х.М.
Факультет: Фармация
Курс:1
Группа:004-01
Проверила: Кусаинова А.К.
Тема: ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ
КАТАЛИЗ
С.Ж.АСФЕНДИЯРОВ
АТЫНДА?Ы
?АЗА? ?ЛТТЫ? МЕДИЦИНА УНИВЕРСИТЕТІ
КАЗАХСКИЙ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ
МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ С.Д.АСФЕНДИЯРОВА
Кафедра
химии
ПЛАН:
Что такое
биологические катализаторы?
Как действуют
ферменты в живых системах?
Классификация
ферментов.
Какие
факторы влияют на активность биологических
катализаторов?
Какие
вещества называются коферментами?
Кинетика
ферментативного катализа. Уравнение
Михаэлиса-Ментена.
Биологическая
роль ферментативного катализа.
Биологические катализаторы
Катализаторы биологические, биокатализаторы,
вещества, образующиеся в живых клетках
и ускоряющие (положительный катализ)
или замедляющие (отрицательный катализ)
химические процессы, протекающие в организмах.
К их числу относятся в первую очередь катализаторы белковой
природы, называемые энзимами, или ферментами. Наука о ферментах
называется энзимологией
Ферменты
как биологические катализаторы обладают
всеми общими свойствами обычных катализаторов.
Общие свойства катализаторов:
сами не вызывают химическую реакцию,
а только ускоряют реакцию, которая протекает
и без них;
не влияют на энергетический итог реакции;
в обратимых реакциях ускоряют как прямую,
так и обратную реакцию, причем в одинаковой
степени.
Действие ферментов в живых системах
Действие ферментов зависит от ряда факторов:
От температуры (max 40-50°С)
Активной реакции среды –
pH (кислотность).
От присутствия специфических
активаторов и неспецифических или специфических
ингибиторов.
Специфичность и механизм действия
ферментов
Действие ферментов, строго
специфично и зависит от строения субстрата,
на который фермент действует. Прекрасным
примером такой зависимости служит катализируемая
аргиназой реакция гидролитического расщепления
аминокислоты аргинина на орнитин и мочевину:
Классификация ферментов
Факторы,влияющие на
активность биологических катализаторов:
Влияние температуры;
Влияние рН среды;
Влияние концентрации фермента
и субстрата;
Влияние веществ-регуляторов;
Конкурентное ингибирование;
Неконкурентное ингибирование;
Аллосторическая регуляция
активности ферментов.
Коферменты, или коэнзимы — малые молекулы небелковой природы,
специфически соединяющиеся с соответствующими
белками, называемыми апоферментами,
и играющие роль активного центра или простетической
группы молекулы фермента.
Комплекс
кофермента и апофермента образует целостную,
биологически активную молекулу фермента, называемую холоферментом.
Роль коферментов нередко играют витамины или
их метаболиты (чаще всего — фосфорилированные
формы витаминов группы B). Например, коферментом
фермента карбоксилазы является тиаминпирофосфат,
коферментом многих аминотрансфераз — пиридоксаль-6-фосфат.
Коферменты, как правило, термостабильны,
разнообразны по химическому строению
и механизму действия. Наиболее распространенную
группу составляют соединения нуклеотидной
природы, а также К., содержащие остатки
фосфорной кислоты.
Кинетика
ферментативного катализа
Учение о скоростях. Любая химическая
реакция характеризуется, кроме принципиальной
возможности ее протекания (обусловленной
законами термодинамики), скоростью процесса.
Скорость ферментативной реакции – изменение
[S] или [P] в единицу времени. Измерив ее
скорость, то есть скорость в присутствии
фермента, мы должны измерить скорость
реакции и в отсутствии фермента (спонтанно
протекающая реакция). Именно эта разность
и характеризует работу фермента.
Измеряя скорость реакции, всегда
надо измерять начальную скорость процесса,
то есть скорость ферментативной реакции,
в достаточно короткий промежуток времени,
когда концентрация субстрата меняется,
не настолько значительно, чтобы это отразилось
на скорости процесса. Единицы измерения
скорости реакции могут быть разными.
Лучше пользоваться молярными единицами,
а время – это минуты или секунды, реже
часы. Поэтому скорость реакции может
выражаться, например, в мкмоль/мин или
ммоль/час. Величина скорости определяется
законом действующих масс. В общем случае
скорость химической реакции пропорциональна
произведению концентрации реагирующих
веществ. В случае ферментативной кинетики
– одно из реагирующих веществ – фермент,
концентрация которого на много порядков
МЕНЬШЕ, чем концентрация субстрата. Это
определяет некоторые особенности кинетики
ферментативного катализа.
V = k+2. [E].[S]
Уравнение Михаэлиса-Ментена:
Где k3 и Кт – константы, характерные для каждой реакции,
S- концентрация
субстрата.
Эта зависимость,
установленная экспериментально для многих
ферментативных реакций, может быть теоретически
выведена, если превращение субстрата
в продукт реакции (Р) происходит по механизму
образования и распада комплекса между
ферментом и субстратом – ES-комплекса:
Важную роль в ферментативном катализе
играет аллостерическая регуляция. Изучение
тонких механизмов ферментативного катализа
показало, что в их основе лежат те же законы
и принципы, на которых основаны обычные
химические реакции. Разработаны модели
ферментативного катализа для отдельных
классов ферментов. Единая теория ферментативного
катализа не разработана, так как механизмы
протекания ферментативных реакций сложны
и разнообразны, зависят от большого числа
переменных величин и в ряде случаев пока
не поддаются математическому описанию.
Считают, что в эволюции жизни
и появлении сложных биологических систем
(включая человека) важную роль сыграл
ферментативный катализ.
Применение ферментов
Ферментативные процессы являются основой
многих производств: хлебопечения, виноделия,
пивоварения, сыроделия, производства
спирта, чая, уксуса.
Каталаза широко применяется в пищевой
и резиновой промышленности, а расщепляющие
полисахариды целлюлазы и пектидазы —
для осветления фруктовых соков.
С помощью ферментов получают лекарственные
препараты и сложные химические соединения.
История
изучения
Термин «фермент» был предложен в XVII
веке химиком ван Гельмонтом при обсуждении
механизмов пищеварения.
В 1833 французскими химиками А. Пайеном
и Ж. Персо впервые из прорастающих зерен
ячменя было выделено активное вещество,
осуществляющее превращение крахмала
в сахар и получившее название диастазы(амилазы).
В середине 19 в. разгорелась дискуссия
о природе брожения. Пастер считал, что
брожение вызывается лишь живыми микроорганизмами
и что процесс брожения неразрывно связан
с их жизнедеятельностью. А Либих и его
сторонники, отстаивая химическую природу
брожения, считали, что оно является следствием
образования в клетках микроорганизмов
растворимых ферментов.
Луи Пастер
Юстас Либих Марселен
Бертло Клод Бернар
Дискуссия Либиха и Пастера о природе
брожения была разрешена в 1897 Э.Бухнером,
который, растирая дрожжи с инфузорной
землёй, выделил из них бесклеточный растворимый
ферментный препарат (зимазу), вызывавший
спиртовое брожение. Открытие Бухнера
утвердило материалистическое понимание
природы брожений.
Функции ферментов
Ферменты выступают в роли
катализаторов практически во всех биохимических
реакциях, протекающих в живых организмах
— ими катализируется около 4000 биореакций.
Ферменты играют важнейшую роль во всех
процессах жизнедеятельности, направляя
и регулируя обмен веществ организма
Литература
1. Г. Хенрици-Оливэ С. Химия каталитического
гидрирования СО. Москва.
2. Ф. Басоло, Р. Джонсон. Химия координационных
соединений. Москва.
3. Под ред. Г. Цейсса. Химия металлоорганических
соединений. Москва.
4. Э. Фишер, Г. Вернер. -Комплексы металлов.
Москва.
5. Глинка Н.Л. Общая химия. Химия, 1984.
6.Общая химия. Под ред. Ершова Ю.А. –
М.: ВШ, 2002.
7.Ахметов Н.С. Общая и неорганическая
химия. 2003.
Спасибо за внимание!!!

Какую роль в истории человеческой цивилизации сыграл ферментативный катализ?

20 ответов на вопрос “Какую роль в истории человеческой цивилизации сыграл ферментативный катализ?”

Добавить ответ Отменить ответ