3.2: Ферменти
- Page ID
- 3768
Біологічними каталізаторами називають ферменти, а переважна більшість ферментів - це білки. Винятком є клас молекул РНК, відомих як рибозими, з яких більшість діють на себе (тобто частина нитка РНК є субстратом для рибоцимної частини пасма). У цій книзі (і більшості підручників у цій галузі), якщо не вказано інше, термін фермент відноситься до того, який зроблений з білка. Ферменти надають надзвичайну специфічність хімічній реакції: реакція, яка може виникнути між різними потенційними субстратами в некаталізованій ситуації, може бути дозволена лише між двома конкретними субстратами при каталізації ферментом. Ферменти дозволяють клітинам запускати хімічні реакції зі швидкістю від мільйона до навіть трильйона разів швидше, ніж ті ж реакції протікали б в подібних умовах без ферментів. У деяких випадках ферменти al - низькі реакції протікають, що б нормально (тобто без ферменту) вимагають більш екстремальної температури, тиску або кислотності/лужності. Нарешті, і, мабуть, найголовніше для життя, ферменти можна регулювати. Це має вирішальне значення для клітини, оскільки вона повинна вміти реагувати на різні ситуації, такі як наявність енергії, накопичення токсичних побічних продуктів, необхідність розмноження тощо Не тільки можна модифікувати ферменти або ковалентно, щоб збільшити або зменшити їх активність, клітина також може регулювати вироблення ферментів, забезпечуючи інший рівень контролю над конкретними клітинними біохімічними реакціями.
ферментна класифікація
Ферменти були каталогізовані і класифіковані з 1950-х років, за цей час стався вибух ферментних відкриттів і потреба в єдиній номенклатурі і каталозі. Була створена Міжнародна комісія з ферментів і, таким чином, розпочала список ферментів. Зараз усі ферменти мають як рекомендовані назви для загального використання, часто відображаючи історичне найменування, так і систематичне ім'я, яке є дуже специфічним. Вони також мають класифікаційний номер, заснований на їх діяльності. Основними класами ферментів є
- Оксидоредуктази, які здійснюють окислювально-відновні реакції,
- Трансферази, що переносять функціональні групи,
- Гідролази, які здійснюють реакції гідролізу,
- Ліази, що усувають групи з утворенням подвійних зв'язків,
- Ізомерази, які переставляють зв'язки в молекулі, але не додають і не видаляють атоми, і
- Лігази, що утворюють зв'язки в реакціях, пов'язаних з гідролізом АТФ.
Як приклад, ДНК-лігаза (рекомендована назва) каталізує утворення фосфодіефірного зв'язку між 3' кінцем одного фрагмента ДНК і 5' кінцем іншого. Його досить довга і виснажлива систематична назва - «полі (дезоксирибонуклеотид): полі (дезоксир ібонуклеотид) лігаза (AMP-формування)», а її класифікаційний номер - 6.5.1.1. Як лігаза - це клас 6; оскільки утворює фосфорні ефірні зв'язки, це підклас 5; підклас 1 в даному випадку безглуздий, оскільки є єдиним підкласом фосфорних зв'язкоутворюючих лігазів, але остаточне число позначає ДНК-лігазу окремо від інших ферментів 6.5.1, таких як РНК лігази, яка становить 6.5.1.3.
Ферменти - найрізноманітніший тип білка в клітці. Вони варіюються не тільки за розміром, але і за кількістю самостійно виготовлених субодиниць, які повинні зібратися разом, щоб утворити активний фермент, або холоензим. Частиною причиною того, що потрібно стільки різних ферментів, є те, що вони, як правило, дуже специфічні для їх молекул субстрату, і ця специфічність базується на поєднанні форми та заряду. Взаємодія між субстратом і ферментом часто уподібнюється замку і ключем або шматочками головоломки. Якщо субстрат відповідає формі активної ділянки ферменту (частина ферменту, яка здійснює фактичну каталітичну реакцію), а заряди взаємодіють (наприклад, позитивно заряджені амінокислоти на ферменті, що вистилається з негативними зарядами на субстраті), то може відбутися подальша стабілізація взаємодія Ван дер Ваальса та взаємодії водневих зв'язків. По суті, формування стабільного проміжного продукту ферменту-субстрату (ЕС) енергетично аналогічно перехідному стану (рис.\(\PageIndex{2}\)) реакцій.
Специфічність ферментів така, що стереоізомери можуть не розпізнаватися деякими ферментами: наприклад, протеаза (ферменти, які подрібнюють білки на більш дрібні шматочки шляхом гідролізу пептидних зв'язків між специфічними амінокислотами), такі як трипсин, можуть бути заглушені наявністю D-амінокислоти замість звичайна L-амінокислота в білку, хоча це дзеркальне відображення тієї ж амінокислоти. Ця специфічність означає, що ферменти є високоселективними щодо реакцій, які вони каталізують, а це означає, що специфічні реакції можуть бути значно посилені, не викликаючи загального збільшення багатьох пов'язаних хімічних реакцій. Іншим наслідком високої специфічності є те, що ферменти можуть (і часто це роблять) мати високу спорідненість до своїх субстратів без проблеми зв'язування несубстратних молекул (крім специфічних інгібіторів - див. Нижче).
Якщо більшість біохімічних реакцій протікали б вкрай повільно, якщо взагалі, без каталізу, необхідні ферменти, щоб знизити енергію активації, необхідну для хімічних реакцій для підтримки життя. Як саме фермент знижує енергію активації реакції? Що саме означає «енергія активації» в контексті клітини? Щоб зрозуміти це, слід пам'ятати про два принципи: по-перше, коли ми говоримо про хімічні реакції, як правило, ми стурбовані популяціями молекул субстрату, продукту та ферментів, а не окремих осіб; і по-друге, реакції, як правило, відбуваються між молекулами, розчиненими у воді цитоплазма клітини.
Розглянемо реакцію, при якій субстрати А і В взаємодіють з утворенням продукту С (рис.\(\PageIndex{3}\)). Якщо ця реакція не каталізується, то це залежить від того, що молекула А потрапляє в молекулу В саме в правильній орієнтації, і з потрібною кількістю енергії, щоб реагувати і сформувати нову молекулу. Ми можемо концептуалізувати «енергію активації» як труднощі в отриманні A і B разом ідеально, щоб реакція могла протікати. Як фермент може знизити цю енергію активації? Полегшуючи A і B знаходити один одного з правильною орієнтацією та енергією. Таким чином, він може мати місця зв'язування молекули A та молекули B, і як тільки він зв'язав ці дві молекули, він змінює свою конформацію, об'єднуючи A і B разом за точно правильних умов, щоб реагувати і утворювати С. Після завершення реакції продукт спливає, тому що фермент не має спорідненості до нього, і фермент повертається до початкової форми, готовий зв'язувати більше субстратів.
Ферменти також можуть полегшити хімічну реакцію, виступаючи в якості тимчасового місця утримання активної групи, що переноситься з одного субстрату в інший. Крім того, тимчасове утворення водневих зв'язків або навіть ковалентних зв'язків між ферментом і субстратом може змінити хімічні характеристики субстрату, щоб він легше реагував. Приклад ферментних механізмів на молекулярному рівні показаний в главі 5: рис\(\PageIndex{1}\).
Інший приклад можна знайти з ферментами, які розщеплюють молекулу (рис.\(\PageIndex{4}\)). Для того, щоб молекула розпалася, їй може знадобитися зіткнутися з іншою молекулою з достатньою енергією, щоб розірвати одну або кілька її ковалентних зв'язків. Фермент, який каталізує реакцію розпаду, може зв'язуватися з молекулою, і зв'язуючи її, зазнає конформаційного зсуву, який згинає або скручує молекулу таким чином, що зв'язки в молекулі субстрату ослаблені або розриваються. Ці два приклади спрощують хімію активності ферментів в механічну ідею, але загальна взаємозв'язок у тому, як фермент знижує енергію активації для реакції, є точною.
