Мир науки

Рефераты и конспекты лекций по географии, физике, химии, истории, биологии. Универсальная подготовка к ЕГЭ, ГИА, ЗНО и ДПА!

Загрузка...

Раскрытие с помощью рентгеноструктурного анализа пространственного строения ряда ферментов стало главным для построения рациональных схем механизма их действия. В одних случаях эти схемы обосновываются почти

полностью в процессе анализа структуры фермент-субстрат-ных комплексов в кристалле, в других - используются результаты исследований по химической модификации ферментов, кинетики реакций, катализируемых и другие данные. Установление механизма действия ферментов имеет ключевое значение для раскрытия структурно-функциональных связей во множестве биологически активных систем.

 

В начале XX в. сначала английский химик А.Браун, а затем французский ученый В.Анри высказали предположение, что действие ферментов основывается на образовании фермент-субстратного комплекса, далее распадается с образованием продуктов реакции и высвобождением исходного фермента.

 

Большую роль в развитии представлений о механизме действия ферментов сыграли классические работы Л.Михаелиса и М.Ментена, которые развивали положение о фермент-субстратных комплексы (1913 г.). Согласно их представлениям, весь процесс ферментативного катализа описывается простым уравнением (рис.31). В процессе ферментативного катализа можно условно выделить три стадии, каждая из которых имеет свои особенности.

Первая стадия - диффузия субстрата к ферменту и стерических связывания его с активным центром фермента с образованием фермент-субстратного комплекса (ФСК). При этом субстрат соединяется с посадочной участком активного центра фермента. Образование ФСК становится возможным благодаря определенной родства ферментов со своими субстратами по типу «замок-ключ». Четко взгляды относительно такого соответствия были высказаны Е.Фишером (1890 г.) во время объяснения специфичности действия ферментов. Сейчас не вызывает сомнения, что между пространственной структурой субстрата и активным центром существует стерически соответствие, но она не является абсолютной. Американский ученый Д.Кошленд выдвинул теорию индуцированного соответствия фермента и субстрата, согласно которой во многих ферментов при отсутствии субстратов функциональные группы активных центров ориентированы таким образом, что их оптимального взаимодействия с комплементарными группами субстрата не происходит. К взаимодействию пространственная структура субстрата и активного центра лишь приблизительно соответствуют друг другу; строгая комплементарность возникает в процессе взаимодействия вследствие изменений конформации (индуцированная соответствие). Конформация молекулы фермента и активного центра может изменяться под влиянием субстрата и кофермента. Доказательством конформационных изменений фермента при связывании субстрата является отличие рентгенограмм свободного фермента и в присутствии специфического ингибитора. На рис.32 схематично показано молекулу фермента с ее функциональными группами А, В и С. Присоединение субстрата к ферменту изменяет структуру активного центра, и его функциональные группы размещаются так, что может происходить реакция.

 

Первая стадия протекает, как правило, недолго - это зависит от концентрации субстрата и скорости его диффузии к активному центру фермента. Образование ФСК происходит почти мгновенно. Энергия активации этой стадии меняется незначительно. Установлено, что при образовании ФСК молекулы фермента и субстрата не только приближаются, но и определенным образом ориентируются одни относительно других (эффект сближения и ориентации), занимая оптимальное положение относительно каталитического активного центра фермента. В образовании ФСК участвуют ионные, водородные связи и гидрофобные взаимодействия. ФСК очень лабильные, существуют лишь доли секунды, однако, несмотря на это, на сегодня удалось получить ряд ФСК. Так, в 1962 г. японские ученые К.Ячи и Т.Озава получили ФСК оксидазы D-аминокислот и аланина в кристаллическом состоянии.

 

Вторая стадия - превращение первичного ФСК в один или несколько активированных фермент-субстратных комплексов, обозначенных в уравнении ES "и ЕSxx. Эта стадия конформационных изменений является медленной и вызывает более резкое снижение энергии активации. Здесь происходят взаимодействия субстрата с каталитическим участком активного центра фермента. В этом случае расшатываются связи в молекуле субстрата, наблюдается его дестабилизация и деформация в связи с напряжением, изгибом или натяжением молекулы - так называемый эффект «дыбы». Конформационные изменения способствуют разрыву связи или, наоборот, сближению молекул при реакции синтеза и этим вносят свой вклад в ускорение реакции. Чем больше длина «растягивание» межатомных связей в субстрате, тем меньше энергия его разрыва, т.е. снижается энергия активации. Места деформации легче атакуемых например, молекулами воды.

 

Третья стадия - выход продуктов реакции из активного центра в окружающую среду. Образуются в процессе реакции продукты имеют другую стерически конформацию, чем субстраты, и легко покидают активный центр. Эта стадия является непродолжительной и определяется скоростью диффузии.

 

Важной особенностью ферментативной реакции является и то, что превращение субстрата протекает как полифункциональный катализ. Поли-функциональность обеспечивается разнообразием аминокислотных радикалов белковой части фермента и групп кофакторов в активном центре. На химическую связь субстрата влияют несколько групп фермента. В результате этого происходит поляризация преобразуемого связи, а затем его разрыв. Многие группы в активных центрах ферментов функционируют как обобщенные кислоты (доноры протонов) или основания (акцепторы протонов). Особенно эффективно обобщенный кислотно-основной катализ. Он дает увеличение скорости в 10-100 раз. К активному центру обобщенных кислотно-основных катализаторов входят боковые радикалы таких аминокислот, как асп, глу, ГИС, лез, тир и др.. В протонований форме они кислотными катализаторами, непротонований - основными. Обобщенный кислотно-основной катализ невозможно для обычных катализаторов. Для ферментативных реакций большое значение имеет электрофильного-нуклеофильный катализ. В активном центре есть электрофильные (акцепторы электронной пары) и нуклеофильные группы (доноры электронной пары), которые участвуют в акте катализа. Нуклеофильные группы ферментов вступают в реакцию нуклеофильного замещения, что приводит к образованию ковалентных неустойчивых промежуточных соединений. Нуклеофильного группа становится на место заменяемой группы, образуя ковалентную интермедиатов. Он неустойчив и легко распадается на продукты реакции.

 

Сильным нуклеофилом является имидазольная группа гистидина, поэтому модификация ГИС в составе активного центра приводит к инактивации ферментов. К нуклеофилов относятся также гидроксигруппы сэр, SН-группа ци. Примерами электрофильных групп ионы металлов - Fe3 +, Zn2 + и др.. Ковалентная катализ наблюдается у ферментов, которые образуют ковалентные связи между каталитическими группами активного центра и субстратом. Эти промежуточные комплексы очень неустойчивы и легко распадаются, освобождая продукты реакции.

 

Одним из примеров ферментативного катализа может служить реакция гидролиза ацетилхолина (АХ) в случае воздействия на него фермента ацетилхолинэстеразы (АХЭ).

 

Активный центр АХЕ образуется в процессе формирования третичной структуры фермента путем уникального изгиба полипептидной цепи в пространстве. Он включает в сближенном состоянии остатки радикалов аминокислот (в основном, серина, гистидина, тирозина и глутаминовой кислоты), которые обеспечивают непосредственное взаимодействие с молекулой субстрата (посадочная участок), и прямое участие в акте катализа (каталитический участок). Субстратом АХЕ является ацетилхолин, который играет важную роль в передаче нервного импульса с нейрона на нейрон или рабочий орган (мышечное волокно), т.е. АХЕ является нейромедиатором.

 

Известно, что нервным волокном передается возбуждения (разность потенциалов). Нервное волокно состоит из нервных клеток, которые контактируют между собой в зоне синапса. Электрический импульс передается с одной клетки на другую с помощью химических посредников, получившие название медиаторов. Когда первый импульс достигает пресинаптической мембраны, в ней из специальных пузырьков (везикул) выделяется ацетилхолин, который поступает в синаптической щели. Ацетилхолин действует на постсинаптическую мембрану, где расположены холинорецепторы, с которыми взаимодействует образован ацетилхолин, вызывающий в ней новый нервный импульс, который распространяется дальше.



Загрузка...
Загрузка...
Реферати і шпаргалки на українській мові.
Биология      Физика      Химия      Экономика     География
Микробиология      Теоретическая механика     География Белоруссии    География Украины    География Молдавии
Растительность мира      Электротехника    География Грузии    География Армении    География Азербайджана
География Казахстана    География Узбекистана    География Киргизии    География Туркменистана    Природоведение
География Таджикистана    География Эстонии