Ферментийн үйл ажиллагааны молекулын нөлөө. Ферментүүд. Ферментийн катализын онцлог. Ферментийн бүтэц, бүтэц "Дараалсан урвал" -ын төрлөөс хамааран ферментийн урвал

Аливаа катализаторын урвал нь түүний энергийн бууралтаас болж урагшлах ба урвуу урвалын хурд өөрчлөгдөхийг хэлнэ. Хэрэв химийн урвал энерги ялгарах замаар явагддаг бол энэ нь аяндаа эхлэх ёстой. Гэсэн хэдий ч урвалын бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг идэвхжүүлсэн (шилжилтийн) төлөвт шилжүүлэх ёстой тул энэ нь тохиолддоггүй. Урвалж буй молекулуудыг идэвхжүүлсэн төлөвт шилжүүлэхэд шаардагдах энергийг нэрлэдэг идэвхжүүлэх энерги.

Шилжилтийн төлөвхимийн холбоо тасралтгүй үүсэх, тасрах замаар тодорхойлогддог бөгөөд шилжилтийн болон үндсэн төлөвүүдийн хооронд термодинамик тэнцвэрт байдал байдаг. Урагшлах урвалын хурд нь температур ба шилжилтийн болон үндсэн төлөв дэх субстратын чөлөөт энергийн утгын зөрүүгээс хамаарна. Энэ ялгааг нэрлэдэг урвалын чөлөөт энерги.

Субстратын шилжилтийн төлөвт хүрэх нь хоёр аргаар боломжтой.

• илүүдэл энергийг урвалд орж буй молекулуудад шилжүүлсний улмаас (жишээлбэл, температурын өсөлтөөс шалтгаалан);
• харгалзах химийн урвалын идэвхжүүлэлтийн энергийг багасгах замаар.

Урвалж буй бодисын үндсэн ба шилжилтийн төлөв.

Eo, Ek - катализаторгүйгээр болон түүний оролцоотойгоор урвалын идэвхжүүлэлтийн энерги; DG-

урвалын чөлөөт энергийн ялгаа.

Ферментүүд нь субстратыг үүсгэх явцад холбох энергийн улмаас шилжилтийн төлөвийг "тусалдаг" фермент-субстратын цогцолбор. Ферментийн катализын үед идэвхжүүлэх энерги багассан нь химийн процессын үе шатуудын тоо нэмэгдсэнтэй холбоотой юм. Хэд хэдэн завсрын урвалыг өдөөх нь эхний идэвхжүүлэлтийн саадыг хэд хэдэн доод саадуудад хуваахад хүргэдэг бөгөөд урвалд орж буй молекулууд үндсэн нэгээс хамаагүй хурдан даван туулж чаддаг.

Ферментийн урвалын механизмыг дараах байдлаар илэрхийлж болно.

1. фермент (E) ба субстрат (S) нь тогтворгүй фермент-субстратын цогцолбор (ES) үүсэхтэй холбоотой: E + S → E-S;
2. идэвхжүүлсэн шилжилтийн төлөв үүсэх: E-S → (ES)*;
3. урвалын бүтээгдэхүүн (P) ялгарах ба ферментийн нөхөн төлжилт (E): (ES)* → P + E.

Ферментийн үйл ажиллагааны өндөр үр ашгийг тайлбарлахын тулд ферментийн катализын механизмын хэд хэдэн онолыг санал болгосон. Хамгийн эртнийх нь Э.Фишерийн онол (“загвар” буюу “хатуу матрицын онол"). Энэ онолын дагуу фермент нь хатуу бүтэц бөгөөд идэвхтэй төв нь субстратын "цутгамал" юм. Хэрэв субстрат нь ферментийн идэвхтэй хэсэгт "түгжээний түлхүүр" шиг ойртвол химийн урвал явагдана. Энэхүү онол нь ферментийн субстратын хоёр төрлийн өвөрмөц байдлыг - үнэмлэхүй ба стерео өвөрмөц байдлыг маш сайн тайлбарладаг боловч ферментийн бүлгийн (харьцангуй) өвөрмөц байдлыг тайлбарлахад боломжгүй юм.

"Өлгүүрийн" онолгидролизийн ферментийн үйл ажиллагааг судалсан Г.К.Эйлерийн санаан дээр үндэслэсэн. Энэ онолын дагуу фермент нь субстратын молекултай хоёр цэгт холбогдож, химийн холбоо сунаж, электрон нягтрал дахин тархаж, химийн холбоо тасарч, ус нэмдэг. Ферменттэй нэгдэхээс өмнө субстрат нь "тайвширсан" тохиргоотой байдаг. Идэвхтэй төвтэй холбогдсоны дараа субстратын молекул нь суналт, хэв гажилтанд ордог (энэ нь тавиур дээр байгаа мэт идэвхтэй төвд байрладаг). Субстрат дахь химийн холбоо урт байх тусам тэдгээрийг таслахад хялбар бөгөөд химийн урвалын идэвхжих энерги бага байдаг.

Сүүлийн үед энэ нь өргөн тархсан Д.Кошландын "өдөгдөх захидал харилцааны" онол,Энэ нь ферментийн молекулын уян хатан байдал, идэвхтэй төвийн хөдөлгөөнт чанар, уян хатан чанар өндөр байх боломжийг олгодог. Субстрат нь ферментийн молекул дахь конформацийн өөрчлөлтийг өдөөдөг бөгөөд ингэснээр идэвхтэй төв нь субстратыг холбоход шаардлагатай орон зайн чиг баримжаа авдаг, өөрөөр хэлбэл субстрат нь "гараас бээлийтэй" адил идэвхтэй төв рүү ойртдог.

Өдөөгдсөн захидал харилцааны онолын дагуу фермент ба субстрат хоорондын харилцан үйлчлэлийн механизм нь дараах байдалтай байна.

1. Нэмэлт байдлын зарчимд суурилсан фермент нь субстратын молекулыг таньж, "барьж авдаг". Энэ процесст уургийн молекул нь түүний атомуудын дулааны хөдөлгөөнөөр тусалдаг;
2. идэвхтэй төвийн амин хүчлийн үлдэгдлийг субстраттай уялдуулан шилжүүлж, тохируулдаг;
3. химийн бүлгүүд нь идэвхтэй талбайд ковалент байдлаар нэмэгддэг - ковалент катализ.

Ферментийн катализ дахь үйл явдлын дарааллыг дараах диаграмаар дүрсэлж болно. Нэгдүгээрт, субстрат-ферментийн цогцолбор үүсдэг. Энэ тохиолдолд ферментийн молекул ба субстратын молекулын конформацид өөрчлөлт гарч, сүүлийнх нь идэвхтэй төвд хурцадмал тохиргоонд бэхлэгддэг. Идэвхжүүлсэн цогцолбор ингэж үүсдэг, эсвэл шилжилтийн төлөв, нь өндөр энергитэй завсрын бүтэц бөгөөд үндсэн нэгдлүүд болон бүтээгдэхүүнүүдээс эрчим хүчний хувьд тогтвортой байдал багатай байдаг. Нийт катализаторын нөлөөнд хамгийн чухал хувь нэмэр нь шилжилтийн төлөвийг тогтворжуулах үйл явц юм - уургийн амин хүчлийн үлдэгдэл ба субстратын харилцан үйлчлэл нь хурцадмал бүтэцтэй байдаг. Эхний урвалж ба шилжилтийн төлөвийн чөлөөт энергийн утгуудын хоорондох ялгаа нь идэвхжүүлэлтийн чөлөөт энергитэй тохирч байна (ΔG #). Урвалын хурд нь утгаас хамаарна (ΔG #): бага байх тусам урвалын хурд ихсэх ба эсрэгээр. Үндсэндээ DG нь хариу үйлдэл үзүүлэхийн тулд даван туулах ёстой "эрчим хүчний саад тотгорыг" төлөөлдөг. Шилжилтийн төлөвийг тогтворжуулах нь энэхүү "саад" буюу идэвхжүүлэх энергийг бууруулдаг. Дараагийн шатанд химийн урвал өөрөө явагддаг бөгөөд үүний дараа үүссэн бүтээгдэхүүн нь фермент-бүтээгдэхүүний цогцолбороос ялгардаг.

Ферментийн катализаторын өндөр идэвхжилийн хэд хэдэн шалтгаан байдаг бөгөөд энэ нь урвалын энергийн саадыг бууруулдаг.

1. Фермент нь урвалд орж буй субстратын молекулуудыг хооронд нь холбож, тэдгээрийн реактив бүлгүүд нь ферментийн катализаторын бүлгүүдтэй ойрхон байрладаг (үр нөлөө) ойртох).

2. Субстрат-ферментийн цогцолбор үүссэнээр субстратыг бэхлэх, химийн холбоог таслах, үүсгэх оновчтой чиглэлийг бий болгодог (үр нөлөө чиг баримжаа).

3. Субстратыг холбох нь түүний чийгшүүлэгч бүрхүүлийг арилгахад хүргэдэг (усанд ууссан бодисууд дээр байдаг).

4. Субстрат ба ферментийн хоорондын өдөөгдсөн захидал харилцааны нөлөө.

5. Шилжилтийн төлөвийг тогтворжуулах.

6. Ферментийн молекул дахь тодорхой бүлгүүд хангаж чаддаг хүчил-суурь катализ(субстрат дахь протоныг шилжүүлэх) ба нуклеофилийн катализ(субстраттай ковалент холбоо үүсэх, энэ нь субстратаас илүү реактив бүтэц үүсэхэд хүргэдэг).

Хүчил-суурь катализын нэг жишээ бол муреины молекул дахь гликозидын холбоог лизоцимийн нөлөөгөөр гидролиз хийх явдал юм. ЛизоцимЭнэ нь төрөл бүрийн амьтан, ургамлын эсэд байдаг фермент юм: нулимсны шингэн, шүлс, тахианы уураг, сүү. Тахианы өндөгний лизоцим нь 14600 Да молекул жинтэй, нэг полипептидийн гинжин хэлхээнээс (129 амин хүчлийн үлдэгдэл) тогтдог ба 4 дисульфидын гүүртэй бөгөөд энэ нь ферментийн өндөр тогтвортой байдлыг хангадаг. Лизоцимийн молекулын рентген бүтцийн шинжилгээгээр энэ нь идэвхтэй төв байрладаг "цоорхой" үүсгэдэг хоёр бүсээс бүрддэг болохыг харуулсан. Энэ "цоорхой" дагуу гексосахарид холбогддог бөгөөд фермент нь муреины сахарын зургаан цагираг (A, B, C, D, E, F) тус бүрийг холбох өөрийн гэсэн газартай байдаг (Зураг 6.4).

Муреин молекул нь голчлон устөрөгчийн холбоо ба гидрофобик харилцан үйлчлэлийн улмаас лизоцимийн идэвхтэй хэсэгт байрладаг. Гликозидын бондын гидролизийн талбайн ойролцоо идэвхтэй төвийн 2 амин хүчлийн үлдэгдэл байдаг: полипептидийн 35-р байрыг эзэлдэг глютамины хүчил, полипептид дэх 52-р байрлал дахь аспарагины хүчил (Зураг 6.5). .

Эдгээр үлдэгдлүүдийн хажуугийн гинж нь довтолгоонд өртсөн гликозидын холбоосын ойролцоо буюу ойролцоогоор 0.3 нм зайд "хагарлын" эсрэг гадаргуу дээр байрладаг. Глутаматын үлдэгдэл нь туйлшралгүй орчинд, ионждоггүй, аспартатын үлдэгдэл нь туйлшралд оршдог бөгөөд түүний карбоксил бүлэг нь протоноор саармагжиж, устөрөгчийн бондын нийлмэл сүлжээнд устөрөгч хүлээн авагчийн үүрэг гүйцэтгэдэг.

Гидролизийн процессыг дараах байдлаар гүйцэтгэнэ. Глю-35 үлдэгдлийн протонжуулсан карбоксил бүлэг нь гликозидын хүчилтөрөгчийн атомыг протоноор хангадаг бөгөөд энэ нь хүчилтөрөгчийн атом ба D талбайд байрлах чихрийн цагирагийн C 1 атомын хоорондын холбоо тасрахад хүргэдэг (хүчлийн ерөнхий катализын үе шат). ). Үүний үр дүнд ферменттэй нэгдлээс ялгарах E ба F бүсэд байрлах чихрийн цагиргийг агуулсан бүтээгдэхүүн үүсдэг. D бүсэд байрлах чихрийн цагирагийн конформаци нь эвдэрч, конформацийг авч байна хагас сандал, чихрийн цагираг үүсгэдэг зургаан атомын тав нь бараг нэг хавтгайд байрладаг. Энэ бүтэц нь шилжилтийн төлөвтэй тохирч байна. Энэ тохиолдолд C 1 атом эерэг цэнэгтэй болж, завсрын бүтээгдэхүүнийг нүүрстөрөгчийн ион (карбокатион) гэж нэрлэдэг. Asp-52 үлдэгдлийн протонжуулсан карбоксил бүлгийн нүүрстөрөгчийн ионыг тогтворжуулснаар шилжилтийн төлөвийн чөлөөт энерги буурдаг (Зураг 6.5).

Дараагийн шатанд усны молекул урвалд орж, идэвхтэй төвийн бүсээс тархаж буй дисахаридын үлдэгдлийг орлоно. Усны молекулын протон нь Glu-35 руу, гидроксил ион (OH -) нь нүүрстөрөгчийн ионы C 1 атом руу (ерөнхий үндсэн катализын үе шат) очдог. Үүний үр дүнд хуваагдсан полисахаридын хоёр дахь фрагмент нь урвалын бүтээгдэхүүн (сандлын конформаци) болж, идэвхтэй төвийн бүсээс гарах ба фермент нь анхны төлөвтөө буцаж, дараагийн дисахаридын задралын урвалыг явуулахад бэлэн болно (Зураг 6.5). .

Ферментийн шинж чанарууд

Ферментийн шинж чанарыг тодорхойлохдоо бид эхлээд "идэвхжил" гэсэн ойлголтыг ашигладаг. Ферментийн идэвхжил нь тодорхой хэмжээний субстратыг нэгж хугацаанд хувиргах ферментийн хэмжээ гэж ойлгогддог. Ферментийн бэлдмэлийн үйл ажиллагааг илэрхийлэхийн тулд олон улсын (E) ба "катал" (кат) гэсэн хоёр өөр нэгжийг ашигладаг. Ферментийн үйл ажиллагааны олон улсын нэгжийг стандарт нөхцөлд (ихэвчлэн оновчтой) 1 мкмоль субстратыг 1 минутын дотор бүтээгдэхүүн болгон хувиргах ферментийн хэмжээг хэлнэ. Нэг катал нь 1 моль субстратыг 1 секундын дотор хувиргах ферментийн хэмжээг илэрхийлнэ. 1 муур=6*10 7 E.

Ихэнхдээ ферментийн бэлдмэлүүд нь ферментийн цэвэршилтийн түвшинг харуулдаг өвөрмөц үйл ажиллагаагаар тодорхойлогддог. Өвөрмөц үйл ажиллагаа нь 1 мг уураг тутамд ферментийн үйл ажиллагааны нэгжийн тоо юм.

Ферментийн идэвхжил нь гадаад нөхцлөөс ихээхэн хамаардаг бөгөөд үүнд хүрээлэн буй орчны температур, рН хамгийн чухал байдаг. Температурыг 0-50 хэмийн хооронд нэмэгдүүлэх нь ихэвчлэн ферментийн идэвхжил жигд нэмэгдэхэд хүргэдэг бөгөөд энэ нь субстрат-ферментийн цогцолбор үүсэх хурдатгал болон дараагийн бүх каталитик үйл явдлуудтай холбоотой байдаг. Гэсэн хэдий ч температурын цаашдын өсөлт нь ихэвчлэн түүний уургийн хэсэг нь денатурациас болж идэвхгүйжүүлсэн ферментийн хэмжээ ихсэх дагалддаг бөгөөд энэ нь үйл ажиллагааны бууралтаар илэрхийлэгддэг. Фермент бүр нь онцлог шинж чанартай байдаг оновчтой температур- түүний хамгийн их идэвхжил бүртгэгдсэн температурын утга. Ихэнх тохиолдолд ургамлын гаралтай ферментийн хувьд хамгийн оновчтой температур нь 50-60 ° C, амьтны ферментийн хувьд 40-50 ° C байна. Термофилийн бактерийн ферментүүд нь маш өндөр температурын оновчтой шинж чанартай байдаг.

Ферментийн үйл ажиллагааны хүрээлэн буй орчны рН-ийн утгаас хамаарал нь бас нарийн төвөгтэй байдаг. Фермент бүр нь онцлог шинж чанартай байдаг оновчтой рНхамгийн их үйл ажиллагаа явуулдаг орчин. Энэ оновчтой байдлаас нэг чиглэлд холдох тусам ферментийн идэвхжил буурдаг. Үүнийг ферментийн идэвхтэй төвийн төлөвийн өөрчлөлт (функциональ бүлгүүдийн иончлол буурах эсвэл ихсэх), түүнчлэн катион ба анионикийн харьцаанаас хамаардаг уургийн бүх молекулын гуравдагч бүтэцтэй холбон тайлбарлаж байна. үүнд төвлөрдөг. Ихэнх ферментүүд нь төвийг сахисан хязгаарт хамгийн оновчтой рН-тэй байдаг. Гэсэн хэдий ч рН 1.5 (пепсин) эсвэл 9.5 (аргиназа) үед хамгийн их үйл ажиллагаа явуулдаг ферментүүд байдаг.

Ферментийн үйл ажиллагаа нь өртөлтөөс хамааран мэдэгдэхүйц хэлбэлзэлтэй байдаг дарангуйлагч(үйл ажиллагааг бууруулдаг бодисууд) ба идэвхжүүлэгчид(үйл ажиллагааг нэмэгдүүлэх бодис). Дарангуйлагч ба идэвхжүүлэгчийн үүргийг металлын катионууд, зарим анионууд, фосфатын бүлгүүдийн тээвэрлэгч, бууруулагч эквивалентууд, тодорхой уураг, бодисын солилцооны завсрын болон эцсийн бүтээгдэхүүн гэх мэт гүйцэтгэдэг. Эдгээр бодисууд нь эсэд гаднаас орж, эс дотор үйлдвэрлэгдэж болно. . Сүүлчийн тохиолдолд тэд ферментийн үйл ажиллагааны зохицуулалтын тухай ярьдаг - бодисын солилцооны ерөнхий зохицуулалтын салшгүй холбоос.

Ферментийн идэвхжилд нөлөөлдөг бодисууд нь ферментийн идэвхтэй болон аллостерийн төвүүд, түүнчлэн эдгээр төвүүдээс гадуур холбогдож болно. Ийм үзэгдлийн тодорхой жишээнүүдийг 7-19-р бүлэгт авч үзэх болно.Ферментийн үйл ажиллагааг дарангуйлах зарим хэв маягийг нэгтгэхийн тулд эдгээр үзэгдлүүд ихэнх тохиолдолд буцах ба эргэлт буцалтгүй гэсэн хоёр төрөлд хуваагддаг гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. үед буцах боломжтой дарангуйлалДарангуйлагчтай салсны дараа ферментийн молекулд ямар ч өөрчлөлт гарахгүй. Үүний жишээ бол үйлдэл юм субстратын аналогууд, энэ нь ферментийн идэвхтэй хэсэгт холбогдож, ферментийг жинхэнэ субстраттай харилцан үйлчлэхээс сэргийлдэг. Гэсэн хэдий ч субстратын концентраци нэмэгдэх нь дарангуйлагчийг идэвхтэй газраас "нүүлгэн шилжүүлэхэд" хүргэдэг бөгөөд катализаторын урвалын хурд сэргээгддэг ( өрсөлдөөнийг дарангуйлах). Урвуу дарангуйллын өөр нэг тохиолдол бол дарангуйлагчийг ферментийн хиймэл бүлэгтэй холбох явдал юм. апоэнзим, идэвхтэй төвийн гадна талд. Жишээлбэл, ферментийн амин хүчлийн үлдэгдлийн сульфгидрил бүлэгт наалддаг хүнд металлын ионуудтай ферментийн харилцан үйлчлэл, уураг-уургийн харилцан үйлчлэл эсвэл ферментийн ковалент өөрчлөлт. Энэ үйл ажиллагааг дарангуйлах гэж нэрлэдэг өрсөлдөх чадваргүй.

Буцааж болшгүй дарангуйлалихэнх тохиолдолд энэ нь " гэж нэрлэгддэгийг холбоход үндэслэдэг. амиа хорлох субстрат» ферментийн идэвхтэй газруудтай. Энэ тохиолдолд субстрат ба ферментийн хооронд ковалент холбоо үүсдэг бөгөөд энэ нь маш удаан задардаг бөгөөд фермент нь удаан хугацаанд үүргээ гүйцэтгэх боломжгүй болдог. "Амиа хорлох субстрат" -ын жишээ бол антибиотик пенициллин юм (18-р бүлэг, Зураг 18.1).

Ферментүүд нь үйл ажиллагааны өвөрмөц онцлогтой байдаг тул тэдгээрийг катализаторын урвалын төрлөөр нь ангилдаг. Одоогийн байдлаар хүлээн зөвшөөрөгдсөн ангиллын дагуу ферментүүдийг 6 ангилалд хуваадаг.

1. Оксидоредуктаза (улаан исэлдэлтийн урвал).

2. Трансфераза (субстрат хоорондын функциональ бүлгүүдийг шилжүүлэх урвал).

3. Гидролаза (гидролизийн урвал, шилжүүлсэн бүлгийн хүлээн авагч нь усны молекул).

4. Лиазууд (гидролитик бус аргаар бүлгүүдийг арилгах урвалууд).

5. Изомераза (изомержих урвал).

6. Лигаза буюу синтетазууд (нуклеозид трифосфатын задралын энергийн улмаас үүсдэг синтезийн урвалууд, ихэнхдээ ATP).

Харгалзах ферментийн ангийн дугаарыг түүний кодын дугаарлалтад (шифр) тогтооно. Ферментийн код нь цэгээр тусгаарлагдсан дөрвөн тооноос бүрдэх ба энэ нь дэд анги дахь ферментийн анги, дэд анги, дэд анги, серийн дугаарыг заана.

ФЕРМЕНТИЙН КАТАЛИЗИЙН АЛХАМ

1. Фермент-субстратын цогцолбор үүсэх

Ферментүүд нь өндөр өвөрмөц шинж чанартай байдаг бөгөөд энэ нь ферментийн идэвхтэй төв нь субстратыг нөхдөг гэсэн таамаглал дэвшүүлэх боломжийг олгосон. "түгжээний түлхүүр" шиг түүнд тохирно. "Түлхүүр" субстрат нь "түгжих" идэвхтэй төвтэй харилцан үйлчилсний дараа субстратын бүтээгдэхүүн болж химийн хувирал үүсдэг.

Хожим нь энэ таамаглалын өөр нэг хувилбарыг санал болгосон - идэвхтэй төв нь субстраттай холбоотой уян хатан бүтэц юм. Субстрат нь ферментийн идэвхтэй төвтэй харилцан үйлчлэлцэж, түүний конформацийн өөрчлөлтийг үүсгэж, фермент-субстратын цогцолбор үүсэхэд хүргэдэг. Үүний зэрэгцээ субстрат нь конформацаа өөрчилдөг бөгөөд энэ нь ферментийн урвалын өндөр үр ашгийг баталгаажуулдаг.

2. Ферментийн катализын үеийн үйл явдлын дараалал

А. ферментийн идэвхтэй төвтэй харьцуулахад субстрат руу ойртох, чиглүүлэх үе шат

б. фермент-субстратын цогцолбор үүсэх

В. субстратын хэв гажилт, тогтворгүй фермент-бүтээгдэхүүний цогцолбор үүсэх

г.ферментийн идэвхтэй төвөөс урвалын бүтээгдэхүүн ялгарч фермент-бүтээгдэхүүний цогцолборын задрал

3. Ферментийн катализ дахь идэвхтэй хэсгийн үүрэг

Ферментийн зөвхөн багахан хэсэг нь субстраттай 5-10 амин хүчлийн үлдэгдэлд хүрч, ферментийн идэвхтэй төвийг бүрдүүлдэг. Үлдсэн амин хүчлийн үлдэгдэл нь оновчтой химийн урвал явуулахын тулд ферментийн молекулын зөв хэлбэрийг баталгаажуулдаг. Ферментийн идэвхтэй хэсэгт субстратууд нь урвалд оролцдог субстратын функциональ бүлгүүд хоорондоо ойрхон байхаар байрладаг. Субстратын ийм зохион байгуулалт нь ферментийн катализаторын үр ашгийг тодорхойлдог идэвхжүүлэх энергийг бууруулдаг.

Ферментийн катализын 2 үндсэн механизм байдаг.

1. хүчил шүлтийн катализ

2. ковалент катализ

Хүчиллэг шүлтийн катализ гэдэг ойлголт нь химийн урвалд хүчиллэг бүлгүүд (протоны донорууд) ба/эсвэл үндсэн бүлгүүдийн (протоны хүлээн авагчид) оролцоотойгоор ферментийн үйл ажиллагааг тайлбарладаг. Идэвхтэй төвийг бүрдүүлдэг амин хүчлийн үлдэгдэл нь хүчил ба суурийн аль алиных нь шинж чанарыг харуулдаг функциональ бүлгүүдтэй байдаг. Эдгээр нь цистеин, тирозин, серин, лизин, глутамины хүчил, аспарагины хүчил, гистидин юм.

Хүчил-суурь катализын жишээ бол спирт дегидрогеназа ферментийг ашиглан спиртийг исэлдүүлэх явдал юм.

Ковалент катализ нь ферментийн идэвхтэй төвийн "-" ба "+" бүлгүүдийг субстрат молекулуудын дайралтаар субстрат ба коферментийн хооронд ковалент холбоо үүсгэдэг. Үүний нэг жишээ бол уургийн задралын явцад пептидийн бондын гидролизэд серин протеаза (припсин, химотрипсин) үзүүлэх нөлөө юм. Ферментийн идэвхтэй хэсгийн субстрат ба сериний амин хүчлийн үлдэгдэл хооронд ковалент холбоо үүсдэг.

КатализЭнэ нь химийн урвалыг идэвхтэй оролцдог катализаторын нөлөөн дор хурдасгах үйл явц юм, гэхдээ урвалын төгсгөлд химийн хувьд өөрчлөгдөөгүй хэвээр байна. Катализатор нь анхны материал ба урвалын бүтээгдэхүүний хоорондох химийн тэнцвэрт байдлыг хурдасгадаг. Химийн урвалыг эхлүүлэхэд шаардагдах энергийг нэрлэдэг идэвхжүүлэх энерги. Энэ нь урвалд оролцож буй молекулууд реактив (идэвхтэй) төлөвт орохын тулд зайлшгүй шаардлагатай. Ферментийн үйл ажиллагааны механизм нь идэвхжүүлэх энергийг багасгахад чиглэгддэг. Энэ нь ферментийн оролцоотойгоор урвалыг тусдаа үе шат эсвэл үе шат болгон хуваах замаар хүрдэг. Шинэ үе шат бүр нь идэвхжүүлэх энерги багатай байдаг. Урвалыг үе шат болгон хуваах нь субстрат гэж нэрлэгддэг эхлэл бодисуудтай ферментийн цогцолбор үүссэний улмаас боломжтой болдог. С). Ийм цогцолборыг фермент-субстратын цогцолбор гэж нэрлэдэг ( ES). Дараа нь энэ цогцолборыг задалж урвалын бүтээгдэхүүн (P) ба өөрчлөгдөөгүй фермент ( Э).

Э + СESЭ + П

Тиймээс фермент нь биокатализатор бөгөөд фермент-субстратын цогцолборыг үүсгэснээр урвалыг бага идэвхжүүлэх энергитэй салангид үе шатуудад хувааж, улмаар урвалын хурдыг эрс нэмэгдүүлдэг.

4. Ферментийн шинж чанар.

Бүх ферментүүд уургийн шинж чанартай байдаг.

Ферментүүд нь өндөр молекул жинтэй байдаг.

Тэд усанд маш сайн уусдаг бөгөөд ууссан үед коллоид уусмал үүсгэдэг.

Бүх ферментүүд нь термолабиль, i.e. оновчтой үйлдэл 35 - 45 o C

Химийн шинж чанараараа тэд амфотерийн электролит юм.

Ферментүүд нь субстратын хувьд маш өвөрмөц шинж чанартай байдаг.

Ферментүүд үйл ажиллагааныхаа хувьд хатуу тодорхойлсон рН-ийн утгыг шаарддаг (пепсин 1.5 - 2.5).

Ферментүүд нь өндөр катализаторын идэвхжилтэй (урвалын хурдыг 10 6 - 10 11 дахин хурдасгадаг).

Бүх ферментүүд нь хүчтэй хүчил, шүлт, спирт, хүнд металлын давсанд өртөх үед денатураци хийх чадвартай байдаг.

Ферментийн үйл ажиллагааны онцлог:

Үйлдлийнхээ онцлогоос хамааран ферментийг үнэмлэхүй өвөрмөц, харьцангуй өвөрмөц гэсэн хоёр бүлэгт хуваадаг.

Харьцангуй өвөрмөц байдалфермент нь нэгээс олон бүтэцтэй субстрат бүхий нэг төрлийн урвалыг катализлах үед ажиглагддаг. Жишээлбэл, пепсин нь амьтны гаралтай бүх уургийг задалдаг. Ийм ферментүүд нь тодорхой төрлийн химийн холбоо, энэ тохиолдолд пептидийн бонд дээр ажилладаг. Эдгээр ферментийн үйл ажиллагаа нь олон тооны субстратыг хамардаг бөгөөд энэ нь бие махбодийг хоол боловсруулах эрхтний цөөн тооны ферментээр хангах боломжийг олгодог.

Үнэмлэхүй өвөрмөц байдалФермент нь зөвхөн нэг бодис дээр үйлчилж, зөвхөн энэ бодисын тодорхой өөрчлөлтийг хурдасгахад илэрдэг. Жишээлбэл, сахароз нь зөвхөн сахарозыг задалдаг.

Үйлдлийн урвуу байдал:

Зарим ферментүүд урагш болон урвуу урвалыг хоёуланг нь хурдасгаж чаддаг. Жишээлбэл, лактат дегидрогеназа нь лактатыг пируват болгон исэлдүүлэх, пируватыг лактат болгон бууруулахад оролцдог фермент юм.

Ферментийн катализ дахь үйл явдлын дарааллыг дараах диаграмаар дүрсэлж болно. Нэгдүгээрт, субстрат-ферментийн цогцолбор үүсдэг. Энэ тохиолдолд ферментийн молекул ба субстратын молекулын конформацид өөрчлөлт гарч, сүүлийнх нь идэвхтэй төвд хурцадмал тохиргоонд бэхлэгддэг. Идэвхжүүлсэн цогцолбор ингэж үүсдэг, эсвэл шилжилтийн төлөв, нь өндөр энергитэй завсрын бүтэц бөгөөд үндсэн нэгдлүүд болон бүтээгдэхүүнүүдээс эрчим хүчний хувьд тогтвортой байдал багатай байдаг. Нийт катализаторын нөлөөнд хамгийн чухал хувь нэмэр нь шилжилтийн төлөвийг тогтворжуулах үйл явц юм - уургийн амин хүчлийн үлдэгдэл ба субстратын харилцан үйлчлэл нь хурцадмал бүтэцтэй байдаг. Эхний урвалж ба шилжилтийн төлөвийн чөлөөт энергийн утгуудын хоорондох ялгаа нь идэвхжүүлэлтийн чөлөөт энергитэй тохирч байна (ΔG #). Урвалын хурд нь утгаас хамаарна (ΔG #): бага байх тусам урвалын хурд ихсэх ба эсрэгээр. Үндсэндээ DG нь хариу үйлдэл үзүүлэхийн тулд даван туулах ёстой "эрчим хүчний саад тотгорыг" төлөөлдөг. Шилжилтийн төлөвийг тогтворжуулах нь энэхүү "саад" буюу идэвхжүүлэх энергийг бууруулдаг. Дараагийн шатанд химийн урвал өөрөө явагддаг бөгөөд үүний дараа үүссэн бүтээгдэхүүн нь фермент-бүтээгдэхүүний цогцолбороос ялгардаг.

Ферментийн катализаторын өндөр идэвхжилийн хэд хэдэн шалтгаан байдаг бөгөөд энэ нь урвалын энергийн саадыг бууруулдаг.

1. Фермент нь урвалд орж буй субстратын молекулуудыг хооронд нь холбож, тэдгээрийн реактив бүлгүүд нь ферментийн катализаторын бүлгүүдтэй ойрхон байрладаг (үр нөлөө) ойртох).

2. Субстрат-ферментийн цогцолбор үүссэнээр субстратыг бэхлэх, химийн холбоог таслах, үүсгэх оновчтой чиглэлийг бий болгодог (үр нөлөө чиг баримжаа).

3. Субстратыг холбох нь түүний чийгшүүлэгч бүрхүүлийг арилгахад хүргэдэг (усанд ууссан бодисууд дээр байдаг).

4. Субстрат ба ферментийн хоорондын өдөөгдсөн захидал харилцааны нөлөө.

5. Шилжилтийн төлөвийг тогтворжуулах.

6. Ферментийн молекул дахь тодорхой бүлгүүд хангаж чаддаг хүчил-суурь катализ(субстрат дахь протоныг шилжүүлэх) ба нуклеофилийн катализ(субстраттай ковалент холбоо үүсэх, энэ нь субстратаас илүү реактив бүтэц үүсэхэд хүргэдэг).

Хүчил-суурь катализын нэг жишээ бол муреины молекул дахь гликозидын холбоог лизоцимийн нөлөөгөөр гидролиз хийх явдал юм. ЛизоцимЭнэ нь төрөл бүрийн амьтан, ургамлын эсэд байдаг фермент юм: нулимсны шингэн, шүлс, тахианы уураг, сүү. Тахианы өндөгний лизоцим нь 14600 Да молекул жинтэй, нэг полипептидийн гинжин хэлхээнээс (129 амин хүчлийн үлдэгдэл) тогтдог ба 4 дисульфидын гүүртэй бөгөөд энэ нь ферментийн өндөр тогтвортой байдлыг хангадаг. Лизоцимийн молекулын рентген бүтцийн шинжилгээгээр энэ нь идэвхтэй төв байрладаг "цоорхой" үүсгэдэг хоёр бүсээс бүрддэг болохыг харуулсан. Энэ "цоорхой" дагуу гексосахарид холбогддог бөгөөд фермент нь муреины сахарын зургаан цагираг (A, B, C, D, E, F) тус бүрийг холбох өөрийн гэсэн газартай байдаг (Зураг 6.4).

Муреин молекул нь голчлон устөрөгчийн холбоо ба гидрофобик харилцан үйлчлэлийн улмаас лизоцимийн идэвхтэй хэсэгт байрладаг. Гликозидын бондын гидролизийн талбайн ойролцоо идэвхтэй төвийн 2 амин хүчлийн үлдэгдэл байдаг: полипептидийн 35-р байрыг эзэлдэг глютамины хүчил, полипептид дэх 52-р байрлал дахь аспарагины хүчил (Зураг 6.5). .

Эдгээр үлдэгдлүүдийн хажуугийн гинж нь довтолгоонд өртсөн гликозидын холбоосын ойролцоо буюу ойролцоогоор 0.3 нм зайд "хагарлын" эсрэг гадаргуу дээр байрладаг. Глутаматын үлдэгдэл нь туйлшралгүй орчинд, ионждоггүй, аспартатын үлдэгдэл нь туйлшралд оршдог бөгөөд түүний карбоксил бүлэг нь протоноор саармагжиж, устөрөгчийн бондын нийлмэл сүлжээнд устөрөгч хүлээн авагчийн үүрэг гүйцэтгэдэг.

Гидролизийн процессыг дараах байдлаар гүйцэтгэнэ. Глю-35 үлдэгдлийн протонжуулсан карбоксил бүлэг нь гликозидын хүчилтөрөгчийн атомыг протоноор хангадаг бөгөөд энэ нь хүчилтөрөгчийн атом ба D талбайд байрлах чихрийн цагирагийн C 1 атомын хоорондын холбоо тасрахад хүргэдэг (хүчлийн ерөнхий катализын үе шат). ). Үүний үр дүнд ферменттэй нэгдлээс ялгарах E ба F бүсэд байрлах чихрийн цагиргийг агуулсан бүтээгдэхүүн үүсдэг. D бүсэд байрлах чихрийн цагирагийн конформаци нь эвдэрч, конформацийг авч байна хагас сандал, чихрийн цагираг үүсгэдэг зургаан атомын тав нь бараг нэг хавтгайд байрладаг. Энэ бүтэц нь шилжилтийн төлөвтэй тохирч байна. Энэ тохиолдолд C 1 атом эерэг цэнэгтэй болж, завсрын бүтээгдэхүүнийг нүүрстөрөгчийн ион (карбокатион) гэж нэрлэдэг. Asp-52 үлдэгдлийн протонжуулсан карбоксил бүлгийн нүүрстөрөгчийн ионыг тогтворжуулснаар шилжилтийн төлөвийн чөлөөт энерги буурдаг (Зураг 6.5).

Дараагийн шатанд усны молекул урвалд орж, идэвхтэй төвийн бүсээс тархаж буй дисахаридын үлдэгдлийг орлоно. Усны молекулын протон нь Glu-35 руу, гидроксил ион (OH -) нь нүүрстөрөгчийн ионы C 1 атом руу (ерөнхий үндсэн катализын үе шат) очдог. Үүний үр дүнд хуваагдсан полисахаридын хоёр дахь фрагмент нь урвалын бүтээгдэхүүн (сандлын конформаци) болж, идэвхтэй төвийн бүсээс гарах ба фермент нь анхны төлөвтөө буцаж, дараагийн дисахаридын задралын урвалыг явуулахад бэлэн болно (Зураг 6.5). .