Back to chapter

13.12:

Ферменты

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Enzymes

Languages

Share

Ферменты это биологические катализаторы, ускоряющие биохимические реакции. Большинство ферментов это белки, состоящие из аминокислот;некоторые из них представляют собой молекулы РНК, известные как рибозимы. Ферменты действуют за счет снижения энергии активации реакции, тем самым увеличивая скорость реакции.Они могут катализировать как синтез, так и разрушение химических связей, но не влияют на направление или равновесие реакции. Каждый фермент связывается с определенным исходным веществом, называемым субстратом, и катализирует определенную реакцию. Субстрат связывается с отдельной каталитической областью фермента, называемой активным центром, посредством взаимодействий, таких как межмолекулярные силы и временные ковалентные связи, в результате чего образуется комплекс фермент-субстрат.Это связывание является высокоспецифичным из-за необходимой конформационной комплементарности между ферментом и его субстратом. Таким образом, конкретный фермент может катализировать определенные реакции только в зависимости от его конформации. Простым способом понимания образования комплексов является модель замок-ключ”которая предполагает, что субстрат входит в активный сайт фермента, аналогично ключу”вставляемому в соответствующий замок”Однако другая модель, модель индуцированной подгонки, учитывает динамическую природу комплекса.Эта модель утверждает, что, когда субстрат связывается с ферментом, он вызывает небольшие конформационные изменения, приводящие к более плотному прилеганию, которое способствует реакции. Энергию активации реакции можно снизить различными способами. Общие механизмы включают индуцирование конформационных изменений в субстрате, которые позволяют легче разорвать связь, или сближение реакционных групп двух субстратов, тем самым способствуя образованию связи.Активность ферментов может быть временно или постоянно подавлена природными или синтетическими молекулами, называемыми ингибиторами. Например, конкурентный ингибитор конкурирует с субстратом за связывание с активным участком фермента, тем самым предотвращая связывание субстрата. С другой стороны, неконкурентный ингибитор связывается с другим участком фермента, что вызывает конформационные изменения в активном участке, снижая каталитическую активность sфермента.

13.12:

Ферменты

Внутри живых организмов ферменты выступают в качестве катализаторов многих биохимических реакций, связанных с клеточным метаболизмом. Роль энзимов заключается в уменьшении энергий активации биохимических реакций путем формирования комплексов с его субстратами. Снижение энергий активации благоприятно для повышения темпов биохимических реакций.

Дефицит фермента часто может привести к опасным для жизни заболеваниям. Например, генетическая аномалия, приводющая к дефициту фермента G6PD (глюкоза-6-фосфатдегидрогеназа), отрицательно влияет на метаболический путь, по которого NADPH поставляет клеткам.

Нарушение этого метаболического пути может привести к уменьшению глутатиона в эритроцитах, что может привести к повреждению других энзимов и белков, таких как гемоглобин. Избыточная метаболизация гемоглобина повышает уровень билирубина, что приводит к желтухе, что может стать серьезным. Таким образом, люди, страдающие от дефицита G6PD, должны избегать некоторых продуктов питания и лекарств, содержащих химические вещества, которые могут вызвать повреждение их глутатионно-дефицитных эритроцитов.

Функция и структура фермента

Ферменты группируются по разным классам в зависимости от конкретной функции, которую они выполняют. Например, окислоредуктазы участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, в то время как трансферазы катализируют перенос функциональных групп. Формирование связей с гидролизом АТФ требует лигаз, в то время как реакции гидролиза и образование двойных связей катализируются гидролазами и лиазами соответственно. Ферменты Isomerase обычно катализируют реакции изомеризации.

Ферменты обычно обладают активными участками. Это специфические области на молекуле с конформацией, которая предпочитает фермент связывать с конкретным субстратом (молекулой реагент), образуя комплекс фермента-субстрата или реактивный промежуточный.

Две модели — модель с блокировкой и ключом и модель с индуцированной посадкой — пытаются объяснить работу активной площадки (рис. 1). Самая упрощенная гипотеза о блокировке и ключе позволяет сделать вывод, что активная область и молекулярная форма подложки являются взаимодополняющими, объединяя их, как ключ в замке (рис. 1a). С другой стороны, гипотеза индуцированной пригонки предполагает, что молекула фермента является гибкой и изменяет форму для размещения связи с субстратом (рисунок 1b).

Однако и модель блокировки-ключа, и модель индуцированной подгонки учитывают тот факт, что ферменты могут связываться только с определенными субстратами и катализировать только определенную реакцию.

Рисунок 1 (a) в зависимости от модели с замком, форма активного участка фермента идеально подходит для субстрата. (b) в зависимости от модели наведенной посадки активный участок является несколько гибким и может изменить форму для связи с подложкой.

Ингибиторы фермента

Активность фермента также может быть прервана процессом ингибирования фермента. Существует несколько распространенных типов ингибитирования фермента.

Во время конкурентного торможения молекула (натуральная или синтетическая), кроме субстрата, напрямую связывается с активным участком фермента. Структурное и химическое сходство ингибитора с субстратом облегчает его привязку к активному участку. Такие ингибиторы конкуренции, таким образом, конкурируют с субстратами, предотвращая их связывание с фермента. Чаще всего увеличение концентрации субстрата может подавить эффекты конкурентного торможения.

При неконкурентном угнетении молекула (натуральная или синтетическая) связывается с аллостерической (другой) областью фермента, отличной от его активного участка. Связывание ингибитора вызывает конформное изменение активной области фермента, в результате чего снижается способность фермента катализировать реакцию. В отличие от конкурентного торможения, увеличение концентрации субстрата не смягчает тормозящего эффекта неконкурентного торможения.

Часть этого текста адаптирована из Openstax, Химия 2е изд., раздел 12.7: Катализ.