6.5: Ферменти

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1743

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Навички для розвитку

Опишіть роль ферментів в метаболічних шляхах
Поясніть, як ферменти функціонують як молекулярні каталізатори
Обговорити регуляцію ферментів різними факторами

Речовина, яка допомагає протікати хімічної реакції, є каталізатором, а спеціальні молекули, які каталізують біохімічні реакції, називаються ферментами. Майже всі ферменти - це білки, що складаються з ланцюгів амінокислот, і вони виконують критичне завдання зниження енергій активації хімічних реакцій всередині клітини. Ферменти роблять це шляхом зв'язування з молекулами реагентів і утримуючи їх таким чином, щоб зробити процеси хімічного руйнування зв'язку та утворення зв'язків протікати легше. Важливо пам'ятати, що ферменти не змінюють ΔG реакції. Іншими словами, вони не змінюють, чи є реакція ексергонічною (спонтанною) чи ендергонічною. Це тому, що вони не змінюють вільну енергію реагентів або продуктів. Вони лише зменшують енергію активації, необхідну для досягнення перехідного стану (рис.\(\PageIndex{1}\)).

Цей сюжет показує, що каталізатор зменшує енергію активації реакції, але не змінює вільну енергію Гіббса. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Ферменти знижують енергію активації реакції, але не змінюють вільну енергію реакції.

Активна ділянка ферменту та специфічність субстрату

Хімічні реагенти, з якими зв'язується фермент, є субстратами ферменту. Може бути одна або кілька підкладок, в залежності від конкретної хімічної реакції. У деяких реакціях субстрат з одним реагентом розщеплюється на кілька продуктів. В інших два субстрати можуть зібратися разом, щоб створити одну більшу молекулу. Два реагенти також можуть вступити в реакцію, обидва модифікуються, і залишити реакцію як два продукти. Розташування всередині ферменту, де субстрат зв'язується, називається активною ділянкою ферменту. Активний сайт - це те, де відбувається, так би мовити «дія». Оскільки ферменти - це білки, існує унікальна комбінація залишків амінокислот (також званих бічними ланцюгами, або R групами) всередині активної ділянки. Кожен залишок характеризується різними властивостями. Залишки можуть бути великими або дрібними, слабокислими або основними, гідрофільними або гідрофобними, позитивно або негативно зарядженими, або нейтральними. Унікальне поєднання залишків амінокислот, їх положення, послідовності, структури та властивостей створює дуже специфічне хімічне середовище всередині активної ділянки. Це специфічне середовище підходить для зв'язування, хоча і коротко, з певним хімічним субстратом (або субстратами). Завдяки цій головоломці подібної відповідності між ферментом і його субстратами (який адаптується, щоб знайти найкраще прилягання між перехідним станом і активною ділянкою), ферменти відомі своєю специфічністю. «Найкраще підходить» результат від форми та привабливості функціональної групи амінокислот до субстрату. Існує спеціально підібраний фермент для кожного субстрату і, таким чином, для кожної хімічної реакції; однак, є гнучкість, а також.

Той факт, що активні ділянки настільки ідеально підходять для забезпечення конкретних умов навколишнього середовища, також означає, що вони схильні до впливу місцевого середовища. Це правда, що підвищення температури навколишнього середовища, як правило, збільшує швидкість реакції, каталізується ферментом або іншим чином. Однак підвищення або зменшення температури поза оптимальним діапазоном може вплинути на хімічні зв'язки всередині активної ділянки таким чином, що вони менш добре підходять для зв'язування субстратів. Високі температури в кінцевому підсумку призведуть до денатурації ферментів, як і інших біологічних молекул, процес, який змінює природні властивості речовини. Так само рН місцевого середовища також може впливати на функцію ферментів. Активні залишки амінокислот сайту мають свої кислотні або основні властивості, оптимальні для каталізу. Ці залишки чутливі до змін рН, які можуть погіршити спосіб зв'язування молекул субстрату. Ферменти підходять для найкраще функціонування в певному діапазоні рН, і, як і при температурі, екстремальні значення рН (кислі або основні) навколишнього середовища можуть призвести до денатурації ферментів.

Індукована придатність і ферментна функція

Протягом багатьох років вчені вважали, що зв'язування ензим-субстрату відбувалося простим способом «замок і ключ». Ця модель стверджувала, що фермент і субстрат ідеально поєднуються в один миттєвий крок. Однак сучасні дослідження підтримують більш вишукане уявлення, яке називається індукованим приляганням (рис.\(\PageIndex{2}\)). Модель індукованої посадки розширює модель блокування та ключа, описуючи більш динамічну взаємодію між ферментом і субстратом. Коли фермент і субстрат об'єднуються, їх взаємодія викликає м'який зрушення структури ферменту, що підтверджує ідеальне розташування зв'язування між ферментом і перехідним станом субстрату. Це ідеальне зв'язування максимізує здатність ферменту каталізувати його реакцію.

Коли фермент зв'язує його субстрат, утворюється ферментно-субстратний комплекс. Цей комплекс знижує енергію активації реакції і сприяє її швидкому прогресуванню одним з багатьох способів. На базовому рівні ферменти сприяють хімічним реакціям, які включають більше одного субстрату, об'єднуючи субстрати в оптимальній орієнтації. Відповідна область (атоми та зв'язки) однієї молекули зіставляється з відповідною областю іншої молекули, з якою вона повинна реагувати. Інший спосіб, за допомогою якого ферменти сприяють реакції своїх субстратів, - це створення оптимального середовища в межах активної ділянки для реакції. Деякі хімічні реакції можуть протікати найкраще в слабокислому або неполярному середовищі. Хімічні властивості, що виникають внаслідок конкретного розташування залишків амінокислот в активній ділянці, створюють ідеальне середовище для реакції специфічних субстратів ферменту.

Ви дізналися, що енергія активації, необхідна для багатьох реакцій, включає енергію, яка бере участь у маніпулюванні або злегка викривленні хімічних зв'язків, щоб вони могли легко розірватися і дозволити іншим реформуватися. Ферментативна дія може допомогти цьому процесу. Комплекс фермент-субстрат може знизити енергію активації, спотворюючи молекули субстрату таким чином, щоб полегшити розрив зв'язку, допомагаючи досягти перехідного стану. Нарешті, ферменти також можуть знижувати енергію активації, беручи участь у самій хімічній реакції. Залишки амінокислот можуть забезпечити певні іони або хімічні групи, які фактично утворюють ковалентні зв'язки з молекулами субстрату як необхідний етап процесу реакції. У цих випадках важливо пам'ятати, що фермент завжди повернеться в початковий стан по завершенні реакції. Однією з характерних властивостей ферментів є те, що вони залишаються в кінцевому підсумку незмінними реакціями, які вони каталізують. Після того, як фермент каталізує реакцію, він вивільняє свій продукт (и).

На цій діаграмі субстрат пов'язує активну ділянку ферменту і в процесі змінюється як форма ферменту, так і форма субстрату. Субстрат перетворюється на продукти, які потім залишають активну ділянку ферменту. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Відповідно до моделі індукованої посадки, і фермент, і субстрат зазнають динамічних конформаційних змін при зв'язуванні. Фермент перетворює субстрат в його перехідний стан, тим самим збільшуючи швидкість реакції.

Контроль метаболізму за допомогою ферментної регуляції

Здавалося б, ідеальним є сценарій, в якому всі ферменти, закодовані в геномі організму, існували в рясному постачанні і функціонували оптимально в усіх клітинних умовах, у всіх клітині, у всі часи. Насправді це далеко не так. Різноманітні механізми гарантують, що цього не відбувається. Клітинні потреби та умови варіюються від клітини до клітини та змінюються в межах окремих клітин з плином часу. Необхідні ферменти та енергетичні потреби клітин шлунка відрізняються від клітин жиру, клітин шкіри, клітин крові та нервових клітин. Крім того, травна клітина працює набагато важче для обробки та розщеплення поживних речовин протягом часу, який уважно стежить за їжею порівняно з багатьма годинами після їжі. Оскільки ці клітинні вимоги та умови змінюються, так само і кількість та функціональність різних ферментів.

Оскільки швидкості біохімічних реакцій контролюються енергією активації, а ферменти нижчі і визначають енергії активації для хімічних реакцій, відносні кількості і функціонування різноманітних ферментів всередині клітини в кінцевому підсумку визначають, які реакції будуть протікати і з якою швидкістю. Це визначення жорстко контролюється. У певних клітинних середовищах активність ферментів частково контролюється факторами навколишнього середовища, такими як рН та температура. Існують і інші механізми, за допомогою яких клітини контролюють активність ферментів і визначають швидкості, з якими будуть відбуватися різні біохімічні реакції.

Регуляція ферментів молекулами

Ферменти можуть регулюватися способами, які або сприяють, або знижують їх активність. Існує багато різних видів молекул, які пригнічують або сприяють функції ферментів, і для цього існують різні механізми. У деяких випадках інгібування ферменту, наприклад, молекула інгібітора досить схожа на субстрат, який може зв'язуватися з активною ділянкою і просто блокувати субстрат від зв'язування. Коли це відбувається, фермент інгібується шляхом конкурентного інгібування, оскільки молекула інгібітора конкурує з субстратом за активне зв'язування сайту (рис.\(\PageIndex{3}\)). З іншого боку, при неконкурентному інгібуванні молекула інгібітора зв'язується з ферментом в іншому місці, ніж аллостеричний сайт, і все ще вдається блокувати зв'язування субстрату з активною ділянкою.

Ця ділянка показує швидкість реакції в порівнянні з концентрацією субстрату для ферменту за відсутності інгібітора, а для ферменту в присутності конкурентних і неконкурентних інгібіторів. Як конкурентні, так і неконкурентні інгібітори уповільнюють швидкість реакції, але конкурентні інгібітори можуть бути подолані високими концентраціями субстрату, тоді як неконкурентні інгібітори не можуть. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Конкурентне та неконкурентне гальмування по-різному впливають на швидкість реакції. Конкурентні інгібітори впливають на початкову швидкість, але не впливають на максимальну швидкість, тоді як неконкурентні інгібітори впливають на максимальну швидкість.

Деякі молекули інгібіторів зв'язуються з ферментами в місці, де їх зв'язування викликає конформаційні зміни, що знижує спорідненість ферменту до його субстрату. Цей вид гальмування називається аллостеричним гальмуванням (рис.\(\PageIndex{4}\)). Більшість алостерично регульованих ферментів складаються з більш ніж одного поліпептиду, що означає, що вони мають більше однієї білкової субодиниці. Коли аллостеричний інгібітор зв'язується з ферментом, всі активні ділянки на білкових субодиницях трохи змінюються таким чином, що вони пов'язують свої субстрати з меншою ефективністю. Існують аллостеричні активатори, а також інгібітори. Аллостеричні активатори зв'язуються з місцями на ферменті далеко від активного сайту, викликаючи конформаційну зміну, яка збільшує спорідненість активного сайту (ів) ферменту до його субстрату (ів).

У лівій частині цієї діаграми показано аллостеричне гальмування. Аллостеричний інгібітор зв'язується з ферментом на ділянці, відмінному від активної ділянки. Форма активної ділянки змінюється так, що фермент більше не може зв'язуватися з його субстратом. У правій частині цієї діаграми показана аллостерична активація. Аллостеричний активатор зв'язується з ферментом на ділянці, відмінному від активної ділянки. Форма активної ділянки змінюється, дозволяючи субстрату зв'язуватися при більш високій спорідненості. — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Аллостеричні інгібітори модифікують активну ділянку ферменту так, що зв'язування субстрату зменшується або запобігається. На відміну від цього, аллостеричні активатори модифікують активну ділянку ферменту так, що спорідненість до субстрату збільшується.

Щоденне з'єднання: відкриття наркотиків шляхом пошуку інгібіторів ключових ферментів у конкретних шляхах

На цій фотографії зображено кілька червоних капсульних таблеток. — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Ви коли-небудь замислювалися про те, як розробляються фармацевтичні препарати? (кредит: Дебора Остін)

Ферменти є ключовими компонентами метаболічних шляхів. Розуміння того, як працюють ферменти і як їх можна регулювати, є ключовим принципом розробки багатьох фармацевтичних препаратів (Рисунок\(\PageIndex{5}\)) на ринку сьогодні. Біологи, що працюють в цій галузі, співпрацюють з іншими вченими, як правило, хіміками, для розробки ліків.

Розглянемо, наприклад, статини - це назва класу препаратів, що знижує рівень холестерину. Ці сполуки по суті є інгібіторами ферменту ГМГ-КоА-редуктази. ГМГ-КоА-редуктаза - фермент, який синтезує холестерин з ліпідів в організмі. Пригнічуючи цей фермент, рівень холестерину, що синтезується в організмі, може бути знижений. Аналогічно, ацетамінофен, в народі продається під торговою маркою Tylenol, є інгібітором ферменту циклооксигенази. Хоча він ефективний у забезпеченні позбавлення від лихоманки та запалення (болю), його механізм дії досі до кінця не вивчений.

Як розробляються препарати? Однією з перших проблем у розробці ліків є визначення конкретної молекули, на яку препарат призначений для націлювання. У випадку зі статинами мішенню препарату є ГМГ-КоА-редуктаза. Лікарські мішені виявляються шляхом копітких досліджень в лабораторії. Виявлення цілі недостатньо; вчені також повинні знати, як мішень діє всередині клітини і які реакції йдуть шкереберть у випадку захворювання. Після того, як мета та шлях визначені, починається фактичний процес розробки ліків. На цьому етапі хіміки та біологи спільно розробляють та синтезують молекули, які можуть або блокувати, або активувати ту чи іншу реакцію. Однак це лише початок: і якщо і коли прототип препарату успішно виконує свою функцію, то він повинен пройти багато тестів від експериментів in vitro до клінічних випробувань, перш ніж він зможе отримати схвалення FDA, щоб бути на ринку.

Багато ферментів не працюють оптимально, або навіть взагалі, якщо вони не пов'язані з іншими специфічними молекулами-помічниками, або тимчасово через іонні або водневі зв'язки, або постійно через більш міцні ковалентні зв'язки. Два типи молекул-помічників - кофактори та коферменти. Зв'язування з цими молекулами сприяє оптимальній конформації та функціонуванню відповідних ферментів. Кофакторами є неорганічні іони, такі як залізо (Fe++) і магній (Mg++). Одним із прикладів ферменту, який потребує іона металу як кофактора, є фермент, який будує молекули ДНК, ДНК-полімеразу, для функціонування якої потрібен зв'язаний іон цинку (Zn++). Коферменти - це органічні молекули-помічники, з основною атомною структурою, що складається з вуглецю та водню, які необхідні для дії ферментів. Найбільш поширеними джерелами коферментів є дієтичні вітаміни (рис.\(\PageIndex{6}\)). Деякі вітаміни є попередниками коферментів, а інші діють безпосередньо як коферменти. Вітамін С - кофермент для декількох ферментів, які беруть участь у побудові важливого сполучнотканинного компонента - колагену. Важливим етапом розщеплення глюкози для отримання енергії є каталіз мультиферментним комплексом під назвою піруватдегідрогеназа. Піруватдегідрогеназа являє собою комплекс з декількох ферментів, для каталізації його специфічної хімічної реакції насправді потрібен один кофактор (іон магнію) і п'ять різних органічних коферментів. Тому функція ферментів частково регулюється великою кількістю різних кофакторів і коферментів, які постачаються в першу чергу дієтами більшості організмів.

Показані молекулярні структури для вітаміну А, фолієвої кислоти, вітаміну В1, Вітаміну С, Вітаміну В2, Вітаміну D2, Вітаміну В6 та Вітаміну Е. — Малюнок\(\PageIndex{6}\): Вітаміни є важливими коферментами або попередниками коферментів, і необхідні для належного функціонування ферментів. Полівітамінні капсули зазвичай містять суміші всіх вітамінів в різному процентному співвідношенні.

Компартменталізація ферментів

У еукаріотичних клітині молекули, такі як ферменти, зазвичай розділені на різні органели. Це дозволяє забезпечити ще один рівень регуляції активності ферментів. Ферменти, необхідні лише для певних клітинних процесів, можуть розміщуватися окремо разом із їх субстратами, що дозволяє проводити більш ефективні хімічні реакції. Приклади такого роду регуляції ферментів на основі розташування та близькості включають ферменти, що беруть участь в останніх стадіях клітинного дихання, які відбуваються виключно в мітохондріях, і ферменти, що беруть участь у перетравленні клітинних уламків і сторонніх матеріалів, розташованих всередині лізосом.

Інгібування зворотного зв'язку в метаболічних шляхах

Молекули можуть регулювати функцію ферментів різними способами. Однак залишається головне питання: що це за молекули і звідки вони беруться? Деякі з них є кофакторами та коферментами, іонами та органічними молекулами, як ви дізналися. Які ще молекули в клітині забезпечують ферментативну регуляцію, таку як алостерична модуляція, а також конкурентне та неконкурентне гальмування? Відповідь полягає в тому, що ці ролі можуть виконувати найрізноманітніші молекули. Деякі з цих молекул включають фармацевтичні та нефармацевтичні препарати, токсини та отрути з навколишнього середовища. Мабуть, найбільш актуальними джерелами ферментних регуляторних молекул, щодо клітинного метаболізму, є самі продукти клітинних метаболічних реакцій. Найбільш ефективним і елегантним способом клітини еволюціонували, щоб використовувати продукти власних реакцій для інгібування зворотного зв'язку активності ферментів. Інгібування зворотного зв'язку передбачає використання продукту реакції для регулювання власного подальшого виробництва (рис.\(\PageIndex{7}\)). Клітина реагує на велику кількість конкретних продуктів уповільненням виробництва під час анаболічних або катаболічних реакцій. Такі продукти реакції можуть пригнічувати ферменти, які каталізували їх вироблення за допомогою вищеописаних механізмів.

Ця діаграма показує метаболічний шлях, при якому три ферменти перетворюють субстрат у три етапи в кінцевий продукт. Кінцевий продукт пригнічує перший фермент на шляху. — Малюнок\(\PageIndex{7}\): Метаболічні шляхи - це серія реакцій, каталізованих декількома ферментами. Інгібування зворотного зв'язку, де кінцевий продукт шляху гальмує крок вище за течією, є важливим регуляторним механізмом у клітині.

Вироблення як амінокислот, так і нуклеотидів контролюється за допомогою інгібування зворотного зв'язку. Крім того, АТФ є аллостеричним регулятором деяких ферментів, що беруть участь в катаболічному розщепленні цукру, процесі, який виробляє АТФ. Таким чином, коли АТФ є рясним, клітина може запобігти її подальшому виробленню. Пам'ятайте, що АТФ - це нестійка молекула, яка може спонтанно дисоціювати в АДФ. Якби в камері було занадто багато АТФ, значна його частина пішла б у відходи. З іншого боку, АДФ служить позитивним аллостеричним регулятором (аллостеричним активатором) для деяких тих же ферментів, які інгібуються АТФ. Таким чином, коли відносні рівні АДФ високі в порівнянні з АТФ, клітина запускається, щоб виробляти більше АТФ через катаболізм цукру.

Резюме

Ферменти - хімічні каталізатори, які прискорюють хімічні реакції при фізіологічних температурах за рахунок зниження їх енергії активації. Ферменти - це зазвичай білки, що складаються з однієї або декількох поліпептидних ланцюгів. Ферменти мають активну ділянку, який забезпечує унікальне хімічне середовище, що складається з певних амінокислотних R груп (залишків). Це унікальне середовище ідеально підходить для перетворення певних хімічних реагентів для цього ферменту, званого субстратами, у нестабільні проміжні продукти, які називаються перехідними станами. Вважається, що ферменти та субстрати зв'язуються з індукованим приляганням, а це означає, що ферменти зазнають незначних конформаційних коригувань при контакті з субстратом, що призводить до повного, оптимального зв'язування. Ферменти зв'язуються з субстратами та каталізують реакції чотирма різними способами: зближення субстратів у оптимальній орієнтації, компрометуючи структури зв'язків субстратів, щоб зв'язки могли бути легше розірвані, забезпечуючи оптимальні умови навколишнього середовища для реакції, або беручи участь безпосередньо в їх хімічна реакція шляхом утворення перехідних ковалентних зв'язків з субстратами.

Дія ферменту необхідно регулювати так, щоб в даній клітині в даний момент часу каталізувалися бажані реакції, а небажані реакції не були. Ферменти регулюються клітинними умовами, такими як температура і рН. Вони також регулюються через їх розташування всередині клітини, іноді будучи розділені так, що вони можуть каталізувати реакції лише за певних обставин. Інгібування та активація ферментів за допомогою інших молекул є іншими важливими способами регулювання ферментів. Інгібітори можуть діяти конкурентно, неконкурентно або алостерично; неконкурентні інгібітори, як правило, аллостеричні. Активатори також можуть посилювати функцію ферментів алостерично. Найпоширеніший метод, за допомогою якого клітини регулюють ферменти в метаболічних шляхах, - це гальмування зворотного зв'язку. Під час інгібування зворотного зв'язку продукти метаболічного шляху служать інгібіторами (зазвичай аллостеричними) одного або декількох ферментів (зазвичай першого скоєного ферменту шляху), що беруть участь у шляху, який їх виробляє.

Глосарій

активний сайт: специфічна область ферменту, з якою зв'язується субстрат

аллостеричне гальмування: інгібування подією зв'язування на ділянці, відмінному від активної ділянки, що індукує конформаційну зміну і зменшує спорідненість ферменту до його субстрату

коензим: невелика органічна молекула, наприклад вітамін або його похідне, яка необхідна для посилення активності ферменту

кофактор: неорганічні іони, такі як іони заліза і магнію, необхідні для оптимальної регуляції активності ферментів

конкурентне гальмування: тип інгібування, при якому інгібітор конкурує з молекулою субстрату шляхом зв'язування з активною ділянкою ферменту

денатура: процес, який змінює природні властивості речовини

гальмування зворотного зв'язку: вплив продукту послідовності реакції на зменшення його подальшої продукції шляхом інгібування активності першого ферменту в шляху, який його виробляє

індукований прилягання: динамічне прилягання між ферментом та його субстратом, при якому обидва компоненти змінюють свої структури, щоб забезпечити ідеальне зв'язування

субстрат: молекула, на яку діє фермент