[Ензими] Ензими Цел
III. Реакции на хидролиза
Изтегляне 0.67 Mb.
|
- Навигация на страницата:
- Фиг. 4-3-III.
- Фиг. 4-3-IV.
- Фиг. 4-3-V.
- Фиг. 4-3-VI
|
III. Реакции на хидролиза Ензимите са хидролази. В присъствие на вода те катализират реакции на хидролиза. Хидролизират се различни типове ковалентни връзки - естерни, киселинноамидни, пептидни, гликозидни, етерни, киселинно-анхидридни и др. По-долу е даден пример за хидролазата триацилглицерол липаза, която хидролизира триацилглицероли (мазнини) до глицерол и висши мастни киселини (фиг. 4-3-III).
IV. Лиазни реакции Ензимите са лиази. Те катализират процеси, при които една молекула се разгражда до две молекули, например декарбоксилаза (фиг. 4-3-IV-1). Често лиазните реакции са обратими - от две молекули се образува една нова - напр. виж присъединяване на вода към двойна връзка под действие на фумарат хидратаза (фиг. 4-3-IV-2). В една от подгрупите ензимите се наричат синтази. Не трябва да се бъркат със синтетазите от VI група.
V. Изомеразни реакци Ензимите са изомерази. Изомеразните реакции могат да протичат като цис-транс-превръщане, вътрешномолекулна оксидоредукция, вътрешномолекулно пренасяне на групи и пр. Даден е пример за хексозофосфат изомераза, която превръща глюкозо-6-фосфат във фруктозо-6-фосфат (фиг. 4-3-V). хексозофосфат изомераза
VI. Лигазни (синтетазни) реакции Ензимите са лигази (синтетази). При тези реакции от две молекули се синтезира нова молекула. Всяка синтеза е ендергонична и термодинамично невъзможна. Тя става възможна само ако се спрегне с едновременно протичаща силно екзергонична реакция (напр. хидролиза на АТФ). Лигазите (синтетазите) спрягат двата процеса. Даден е пример за ацил-КоА синтетаза, която образува ацил-КоА от мастна киселина и КоА с участието на АТФ (фиг. 4-3-VI).
Забележки: Вода участвува и при хидролизните процеси, и при лиазните, но по различен начин. Разликата между синтази и синтетази е, че само синтетазите изискват енергия, най-често под форма на АТФ. 4.1.8 Представа за механизъм на ензимната катализа Въпреки че в края на реакцията eнзимите като катализатори се възстановяват непроменени, те фактически участват активно в хода на реакцията - образуват със субстрата (S) междинен ензимно-субстратен комплекс (ЕS). ES комплекси са много нестабилни, имат къс живот, трудно се изолират и изучават. Не при всички ензимни белтъци се знае детайлната пространствена организация, което също затруднява изучаването на ES комплекси. Но има доказателства, че те наистина възникват: - промяна в спектъра на ензима при взаимодействие със субстрата - напр. при пероксидаза с простетична група хем; - чрез рентгеноструктурен анализ са получени преки доказателства за образуване на ES комплекси; - изолиранe на комплекси между ензим и инхибитор, който е структурен аналог на субстрата. Тези комплекси са по-стабилни и по-лесно се изолират. В най-общ вид ензимно-катализираната реакция протича по следния начин: Е + S -------> ES -------> EP --------> E + P
В рамките на този комплекс субстратът се преобразува в продукт на реакцията (P), временно свързан с ензима като ензим-продуктен комплекс (EP). Продуктът се освобождава от ензима, който може отново да свърже нова молекула субстрат. Всеки от трите съставни процеса притежава своя активираща енергия, по-ниска от енергията на некатализирания процес. Активиращата енергия може да се понижи по четири различни механизма:
При реакциите, в които участва повече от един субстрат, или пък като втори субстрат действа някакъв коензим, реакцията протича по два главни механизма: 1) т.н. "пинг-понг"-механизъм (напр. при трансаминиране (глава 8); 2) последователен механизъм, като редът на свързването на субстратите може да бъде случаен или определен. Последователен механизъм се наблюдава при дехидрогеназите, в които ролята на втори субстрат се изпълнява от редокссистема. 4.1.9 Активен център Ензимът взаимодейства със субстрата чрез своя активен център. Активният център е неголям участък по повърхността на ензимната молекула, където субстратът се свързва и се превръща в продукт. В еднокомпонентни ензими активният център се състои от няколко аминокиселинни остатъка, които са отдалечени по протежение на полипептидната верига, но са близко разположени в пространството поради формиране на третична структура на белтъка. Напр. в активния център на химотрипсин участват Хис57, Асп102 и Сер195 (фиг. 4-4).
От химична гледна точка групите в активния център могат да бъдат най-различни -SH, -NH2, -ОН, имидазолово ядро и пр. От функционална гледна точка според Кошланд се различават 2 вида групи (фиг. 4-5), участващи в активния център: - каталитични (вземат пряко участие в реакциите на превръщане на субстрата в продукт). - контактни (прикрепват субстрата към активния център така, че атакуемата от ензима връзка да попадне в обсега на действие на каталитичните групи). В случаите, когато катализираната реакция изисква включването на две или повече различни субстратни молекули, контактните групи ги довеждат до най-благоприятна за реагиране позиция. Така контактните групи съдействат най-много за високата скорост на ензимно катализираните реакции. Блокирането на каталитични или контактни групи води до загуба на езимната активност.
Освен това важни са и т.н. конформационни или помощни групи, които са извън активния център, но именно те фиксират определена пространствена конформация на ензимната молекула. Атакуването на връзки между тези групи при денатурация също води до загуба на биологичната активност. В огромната ензимна молекула има и групи, които не са от значение за ензимната активност. Модифицирането им не променя активността. Те обаче могат да са от значение за регулиране на ензимната активност под действие на различни фактори. При двукомпонентните ензими в активния център групи предоставя и небелтъчната съставка. Тя предлага най-често каталитични групи, оставяйки за апоензима контактната функция. Например различни редокссистеми (НАД, ФАД или др.) предоставят групи, които отнемат водород от различни субстрати на дехидрогеназите. При ензими с четвъртична структура има различни възможности за оформяне на активния център - той може да бъде общ за цялостния комплекс от субединици, или всяка субединица да има свой отделен активен център. Възможно е някои субединици да носят каталитични центрове, а други субединици да поемат регулаторни функции поради наличието на т.н. алостерични центрове, на които ще се спрем по-късно.
4.1.10 Специфичност на ензимното действие Представата за механизма на ензимно-субстратното взаимодействие чрез активния център на ензима обяснява добре защо ензимите са най-специфичните катализатори в сравнение с всички останали катализатори. Специфичността, реакционна и субстратна, е едно от най-съществените свойства на ензимите.
4.1.10.1 Реакционна специфичност Реакционната специфичност се определя от възможностите на включените в активния център аминокиселинни остатъци да образуват или разграждат определен тип химични връзки. Пример за различна реакционна специфичност е даден на фиг. 4-6, където три различни ензими аминоацидооксидази (E1), трансаминази (Е2) и декарбоксилази (Е3) превръщат един и същи субстрат (аминокиселини) в три различни процеса до различни продукти (за подробности виж глава 8):
4.1.10.2 Субстратна специфичност Субстратната специфичност се обяснява с високите стерични изисквания на активния център спрямо субстрата, произтичащи от определена ензимна конформация. Чрез пространствената организация на ензима се създава много добро химично и структурно съответствие на контактните и каталитичните групи в активния център към съответните групи от субстрата. Молекулните размери и разположението на йонни групи и хидрофобни участъци в ензима осигуряват възможност за свързване на определен, понякога единствен субстрат. Други ензими проявяват известна толерантност и могат да въздействат на няколко близки по структура субстрати. Например хексокиназата катализира фосфорилирането на глюкоза, фруктоза, маноза, глюкозамин и 2-дезоксиглюкоза, но с различна скорост. Съществуват различни модели за обясняване на субстратната специфичност на ензимите. Според модела на Фишер съществува априори абсолютно структурно и геометрично съответствие между активния център и субстратната молекула, така както е съответствието между секретна брава и ключ (фиг. 4-7-1). Водородни, йонни връзки и хидрофобни взаимодействия допринасят за свързването между ензима и субстрата. Този модел добре обяснява абсолютната субстратна специфичност при малък брой ензими - напр. уреаза (фиг. 4-8), аргиназа, сукцинат дехидрогеназа, амино-ацил-тРНК синтетази. Уреазата катализира единствено разграждането на уреа до амоняк и въглероден двуокис. Субстрати като тиокарбамид (има геометрично, но липсва химично съответствие) или биурет (има химично, но не и геометрично съответствие) не влизат в активния център. Изследвани са стотици съединения и резултатът е все един и същ - уреазата има един единствен субстрат. Абсолютната специфичност на амино-ацил-тРНК синтетазите осигурява недопускане на грешки при белтъчната биосинтеза.
1 - Абсолютно структурно и химическо съответствие от типа "ключ-ключалка" (Фишер); 2 - Индуцирано структурно притъкмяване (Кошланд); 3 - Индуцирано структурно притъкмяване плюс субстратно напрежение (Кошланд).
Моделът на Фишер не може да обясни всички случаи на взаимодействие между ензима и субстрата. Според Кошланд активният център и субстратът не съвпадат напълно стерично. Взаимодействието на ензима и субстрата предизвиква конформационни промени в свързващото място, което се променя - увеличава се афинитетът към субстрата, преориентират се някои групи и се оформя каталитичният активен център. Това е т. н. модел за индуцираното структурно притъкмяване между ензима и субстрата (фиг. 4-7-2). Пример за подобни промени дава ензимът хексокиназа, която придвижва един от домените си, за да обгърне глюкозата и да доближи групите от активния център до субстрата. Най-голям брой експериментални наблюдения подкрепят модела, който е съчетание от индуцирано структурно притъкмяване и субстратно напрежение (фиг. 4-7-3). За да се осъществи реакцията, е необходимо да настъпят, макар и незначителни, конформационни изменения и в активния център, и в субстратната молекула. Необходимо е стерично донагласяне на реагиращите структури и в резултат се получава напрягане и отслабване на атакуваните връзки. Например при свързване на субстрата от ензима лизозим, са доказани конформационни промени в част от субстратната молекула (хексозен пръстен преминава от стабилна "стол" в нестабилна "полу-стол"-конформация). Ензимите, чиито субстрати или продукти са оптично активни вещества, проявяват стереоспецифичност (виж табл. 4-3 за примери). Табл. 4-3. Примери за стереоспецифични ензими.
Стереоспецифичността се обяснява от Огстон с множествено (най-малко в три точки) свързване на субстрата към активния център. Ако само една група трябваше да се свърже с активния център, то много съединения биха подхождали. Но комбинацията от три групи рязко намалява броя на възможните съединения. Това обяснява и защо химически напълно еднакви съединения, различаващи се само по положение на една група, се разпознават от ензима. Ензимите могат да различават и химически еднакви групи в симетрични субстратни молекули като например глицерол или цитрат. От глицерол се получава само L-глицерол-3-фосфат (фиг. 4-9). Симетричната цитратна молекула се подлага на асиметрична атака от аконитазата при получаване на изоцитрат (виж глава 5).
Интересен е примерът с пептидазите от стомашно-чревния тракт. Те хидролизират не всички пептидни връзки в белтъци, а само при някои аминокиселинни остатъци - вж фиг. 4-10. Специфичността по отношение на остатъка при атакуваната пептидна връзка се дължи на различните групи, които има в свързващото място на всеки ензим. Трипсин (от панкреас) хидролизира пептидна връзка след базични положително заредени остатъци от лизин или аргинин, тъй като в мястото, свързващо субстрата, има отрицателно заредени групи. Пепсин (от стомашен сок) разгражда пептидни връзки преди и след ароматни остатъци. Химотрипсин (от панкреас) хидролизира пептидна връзка най-вече след ароматни остатъци. При пепсин и химотрипсин в свързващото място има хидрофобни групи, които взаимодействат с ароматните ядра на фенилаланин, тирозин и триптофан. С тази специфичност тези три пептидази, изолирани от животни и пречистени, са оказали неоценима услуга за установяване на първични структури на белтъци - виж глава 1.
Каталог: wp-content -> uploads -> 2016 2016 -> Цдг №3 „Пролет Списък на приетите деца 2016 -> Българска федерация по тенис на маса „В”-1” рг мъже – Югоизточна България мъже временно класиране 2016 -> Национален кръг на олимпиадата по физика 05. 04. 2016 г., гр. Ловеч Възрастова група клас 2016 -> Българска федерация по тенис на маса „А” рг мъже – Южна България мъже временно класиране 2016 -> Конкурс за изписване на великденски яйце по традиционната техника съвместно с одк велинград 27 април 2016 -> Министерство на образованието и науката регионален инспекторат по образованието – софия-град Изтегляне 0.67 Mb. Сподели с приятели:
|
